5G啟用毫米波頻譜：哪些頻率會(huì )被采用？

隨著(zhù)世界標準化機構著(zhù)手定義下一代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，5G的愿景正在迫使研究人員改變他們的思考方式。增加4G網(wǎng)絡(luò )的頻譜效率并不足以提供三個(gè)高級5G用例所需的數據速率、延遲和容量（圖1），這三個(gè)用例由3GPP定義，期望未來(lái)能夠提供無(wú)處不在的瞬間移動(dòng)寬帶數據。

圖1. 這三個(gè)5G用例是由3GPP和IMT-2020定義的。

增強型移動(dòng)寬帶(eMBB)用例由IMT-2020定義，該用例設想了一個(gè)超過(guò)10Gbps的峰值數據速率，是4G網(wǎng)絡(luò )的100倍。經(jīng)實(shí)踐證明，數據速率與可用頻譜直接相關(guān)，而根據香農定理，容量是帶寬（即頻譜）和信道噪聲的函數。低于6GHz的頻譜已經(jīng)分配殆盡，而6GHz以上的頻譜，特別是毫米波頻率已經(jīng)成為一個(gè)非常有前景的替代方案來(lái)實(shí)現eMBB用例。但是，哪些毫米波頻率會(huì )被采用呢？

頻譜選項

國際電信聯(lián)盟(ITU)和3GPP在關(guān)于5G標準兩個(gè)研究階段的計劃上已經(jīng)達成了一致。第一階段主要研究低于40GHz的頻率，致力于在2018年9月之前解決一些更緊迫的商業(yè)需求；第二階段從2018年開(kāi)始，到2019年12月，致力于解決IMT-2020提出的關(guān)鍵績(jì)效指標。第二階段的焦點(diǎn)是高達100GHz的頻率。

為了在毫米波頻率標準化上達成全球一致，ITU在去年11月舉行的世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì )(WRC-15)上公布了一個(gè)擬定的24GHz~86GHz范圍內的全球可行頻率列表，如表1所示。國際電聯(lián)發(fā)布該提案不久，美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)于2015年10月21日發(fā)布了一條規則制定建議通知(NPRM)，推薦了28GHz、37GHz、39GHz和64-71GHz頻段的新靈活服務(wù)規則（如圖2所示）。

圖2. FCC提議用于移動(dòng)通信的毫米波頻段。

盡管ITU、3GPP等標準機構將2020年定為對5G標準進(jìn)行定義的最后期限，但移動(dòng)運營(yíng)商正在加快5G服務(wù)的時(shí)間進(jìn)度。在美國，Verizon和AT＆T計劃在2017年對5G的早期版本進(jìn)行測試。韓國打算在2018年的冬奧會(huì )上進(jìn)行5G試驗，而日本則想要在2020年的東京奧運會(huì )上展示5G技術(shù)。經(jīng)過(guò)各方組織的努力和推動(dòng)，目前最有可能用于5G的候選頻率包括：28GHz、39GHz和73GHz。

這三個(gè)頻段的提出有以下幾個(gè)原因。首先，60GHz的頻率由于氧吸收的原因會(huì )產(chǎn)生大約20dB/km的衰減，與60GHz不同的是，這些頻率的氧吸收率低得多。這使其有可能適用于長(cháng)距離通信。這些頻率在多徑環(huán)境下也能可靠運行，可用于非視距(NLoS)通信。通過(guò)將波束賦形和波束跟蹤與高度定向天線(xiàn)結合，毫米波可以提供可靠且非常安全的鏈路。紐約大學(xué)工程學(xué)院的Ted Rappaport博士和他的學(xué)生已經(jīng)開(kāi)始了28GHz、39GHz和73GHz信道特性和潛在性能的研究。他們已經(jīng)發(fā)表了多篇關(guān)于傳播測量的論文以及這些頻率的可能服務(wù)中斷研究。這些頻率的數據和研究結合全球頻譜的可用性，使這三個(gè)頻率成為毫米波原型驗證的起點(diǎn)。

服務(wù)供應商都渴望獲得這些大量未分配的毫米波頻譜，他們是決定5G使用哪些頻率的關(guān)鍵力量。在日本，NTT DoCoMo與諾基亞、三星、愛(ài)立信、華為和富士通合作，對28GHz以及其它頻率進(jìn)行現場(chǎng)測試。2015年2月，三星進(jìn)行了信道測量，并證明了28GHz是蜂窩通信的一個(gè)可行頻率。這些測量驗證了城市環(huán)境中的預期路徑衰減：非視距鏈路的路徑衰減指數是3.53。三星表示，該數據表明毫米波通信鏈路可以支持超過(guò)200米的距離。其研究還包括相控陣天線(xiàn)方面的工作。三星已經(jīng)開(kāi)始對可能適合手機相控陣列的設計進(jìn)行特性分析。

2015年9月，Verizon公司宣布將在2016年與三星等重要合作伙伴開(kāi)展現場(chǎng)試驗。2015年11月，高通使用128根天線(xiàn)在28GHz頻率下進(jìn)行實(shí)驗，演示密集城市環(huán)境下的毫米波技術(shù)。它展示了定向波束賦形在非視距通信中的應用。隨著(zhù)FCC宣布28GHz可用于移動(dòng)通信，預計美國將進(jìn)行更深入的實(shí)驗和現場(chǎng)試驗。Verizon公司還與XO CommunicaTIons簽訂了28GHz頻譜租賃協(xié)議，可在2018年年底前購買(mǎi)該頻譜。

但是請注意，28GHz頻帶并不包含在國際電聯(lián)的全球可行頻率列表中。它是否將成為5G毫米波應用的長(cháng)期頻率選擇仍有待確定。無(wú)論全球標準如何制定，美國、韓國、日本的頻譜可用性，以及美國服務(wù)提供商對早期現場(chǎng)試驗的承諾有可能將28GHz引入到美國移動(dòng)技術(shù)中。在標準機構最終確定5G標準之前，韓國希望在2018年冬奧會(huì )上展示5G技術(shù)的愿望也將會(huì )推動(dòng)28GHz應用到消費產(chǎn)品中。事實(shí)上，該頻率并沒(méi)有因為不在國際移動(dòng)通信(IMT)頻譜名單上而被忽視，反而引起了FCC的注意。

2016年7月14日，全體委員一致投票贊成開(kāi)放近11GHz高頻頻譜用于靈活、移動(dòng)和固定無(wú)線(xiàn)寬帶的規則，其中包括3.85GHz需許可的頻譜和7GHz免許可頻譜。這些規則還在28GHz (27.5-28.35GHz)、37GHz (37-38.6GHz)和39GHz (38.6-40GHz)頻段，以及一個(gè)新的免許可頻段64-71GHz推出一項新的超高微波靈活應用（Upper Microwave Flexible Use）服務(wù)。

雖然28GHz可能不會(huì )在全球范圍內用于移動(dòng)通信，但美國正在積極地朝這個(gè)方向前進(jìn)。

原型驗證推動(dòng)毫米波研究的進(jìn)展

盡管5G廣泛采用28GHz頻率可能還需要很長(cháng)的時(shí)間，但就目前來(lái)說(shuō)，該頻率顯然非常重要。過(guò)去幾年的移動(dòng)通信主要專(zhuān)注于73GHz（E頻段）。諾基亞使用紐約大學(xué)在73GHz下的信道測量結果，開(kāi)始其對該頻率的研究。在2014年NI公司的年度用戶(hù)大會(huì )NIWeek上，諾基亞使用NI原型硬件演示了第一個(gè)在73GHz下工作的無(wú)線(xiàn)demo。該公司將持續改進(jìn)這個(gè)原型，并向公眾展示這些最新的成就。在2015年世界移動(dòng)通信大會(huì )(MWC)上，該原型系統使用透鏡天線(xiàn)和波束跟蹤，實(shí)現了超過(guò)2Gbps數據吞吐量。諾基亞在2015年布魯克林5G峰會(huì )上展示了該系統的MIMO版本，其運行速率超過(guò)10Gbps，而且在之后不到一年的時(shí)間里，諾基亞又在2016年的MWC展示了一個(gè)超過(guò)14Gbps的雙向無(wú)線(xiàn)鏈路。諾基亞并不是唯一一家在MWC2016上展示73GHz demo的公司，華為也展示了一個(gè)與德國電信合作開(kāi)發(fā)的73GHz工作原型。該demo采用多用戶(hù)MIMO機制，展示了高頻譜利用率以及可為個(gè)人用戶(hù)提供超過(guò)20Gbps吞吐量的潛力。

未來(lái)幾年預期會(huì )有更多關(guān)于73GHz的研究。該頻率不同于28GHz和39GHz的一個(gè)重要特性是可用的連續帶寬很高（大于2GHz），這是目前提出的最寬的頻譜。通過(guò)比較，28GHz提供了850MHz的帶寬，在美國，39GHz附近的兩個(gè)頻帶提供了1.6GHz和1.4GHz帶寬。我們前面說(shuō)過(guò)，更高的帶寬意味著(zhù)更高的數據吞吐量，這使得73GHz在這一方面比其他頻率更有優(yōu)勢。

39GHz頻帶正在研究當中，但尚未得到公眾的大量支持和關(guān)注。但是，該頻段具有的部分特性使其可能成為一個(gè)折中的選擇來(lái)獲得廣泛應用。FCC提議將39GHz作為可能的移動(dòng)頻率。Verizon公司在專(zhuān)注于2017年的28GHz首次現場(chǎng)試驗的同時(shí)，已經(jīng)通過(guò)其與XO CommunicaTIons的業(yè)務(wù)關(guān)系開(kāi)始研究39GHz，XO CommunicaTIons已經(jīng)擁有39GHz的實(shí)質(zhì)許可證。但是，公眾對28GHz和73GHz的支持和研究顯然比對其它頻率的更為明顯。

為了利用毫米波來(lái)實(shí)現5G網(wǎng)絡(luò )，研究人員必須開(kāi)發(fā)新的技術(shù)、算法和通信協(xié)議，因為毫米波信道的基本性質(zhì)與當前的蜂窩模式截然不同，并且是相對未知的。建立毫米波原型的重要性再怎么強調都不過(guò)分，尤其是在時(shí)間如此緊迫的情況下。建立毫米波系統原型可通過(guò)某種方式展示某個(gè)技術(shù)或概念的可行性，這是通過(guò)仿真無(wú)法實(shí)現的（如圖3所示）。毫米波原型可在各種場(chǎng)景下通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，這揭開(kāi)了毫米波信道的本質(zhì)，為創(chuàng )新、技術(shù)的采用和普及提供了可能性。

圖3. NI mmWave收發(fā)儀系統提供了一組可配置的毫米波原型硬件以及一個(gè)包含源代碼的毫米波物理層。

挑戰

毫米波用于移動(dòng)通信給工程師帶來(lái)了諸多挑戰，包括商用現成硅芯片的可用性、模擬組件以及其它用于開(kāi)發(fā)系統的元素構建塊。這阻礙了該技術(shù)的商業(yè)化。設想一個(gè)能夠處理多千兆赫茲信號的基帶子系統。當今大多數的LTE方案通常使用10MHz的信道（最大20MHz），并且計算負荷隨著(zhù)帶寬的增加而線(xiàn)性增加。換句話(huà)說(shuō)，計算能力必須以100倍甚至更多的倍數增加才能解決5G數據速率需求。如果要執行基礎設施的毫米波系統物理層計算，FPGA將是開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)原型的關(guān)鍵技術(shù)。畢竟,推動(dòng)毫米波技術(shù)發(fā)展的驅動(dòng)力是大量連續帶寬。

除了FPGA板卡，毫米波原型系統還需要最先進(jìn)的DAC和ADC來(lái)捕獲高達2GHz的連續帶寬。目前市場(chǎng)上的一些射頻集成電路包含了可將基帶和毫米波頻率相互轉換的芯片，但選擇非常有限，而且大部分覆蓋免許可的60GHz頻帶。工程師們可以使用IF和RF級來(lái)替代RFIC。開(kāi)發(fā)出基帶和IF解決方案后，工程師可以選擇由供應商提供的毫米波射頻頭，而不需要自己開(kāi)發(fā)RFIC，但這樣的產(chǎn)品仍然不是很多。開(kāi)發(fā)毫米波射頻頭需要射頻和微波設計的專(zhuān)業(yè)知識。這與開(kāi)發(fā)FPGA板卡完全不同，因為開(kāi)發(fā)所有必需的硬件需要一個(gè)具備不同專(zhuān)業(yè)知識的團隊。在開(kāi)發(fā)毫米波基帶原型系統時(shí)，FPGA必須作為核心組件進(jìn)行考慮，而且給能夠處理數千兆赫茲信道的多FPGA系統編程會(huì )增加系統復雜性。

毫米波勢在必行

盡管5G的未來(lái)尚不明朗，但毫米波無(wú)疑將成為定義5G的關(guān)鍵技術(shù)。我們需要24GHz以上的大量連續帶寬才能滿(mǎn)足數據吞吐率要求，研究人員已經(jīng)通過(guò)原型來(lái)展示毫米波技術(shù)可以提供超過(guò)14Gbps的數據速率。盡管全球頻譜分配仍然存在許多問(wèn)題，但美國正毫不猶豫地朝著(zhù)28、37和39GHz方向前進(jìn)。

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