5G毫米波

在之前的5G專題中我們介紹過5G的《頻譜分布》，其中，F(xiàn)R2頻段使用的是毫米波。毫米波是5G關鍵技術之一，在其他幾代的移動通信中也從未使用過毫米波。本章節(jié)將和大家一起學習毫米波。

我們知道，無線通信的載體就是電磁波，通過電磁波傳遞消息，同樣這里的5G毫米波同樣也是電磁波，它是一個特定頻段的電磁波。

c：波速，單位：m/s，光速是一個常量，真空中約等于3×10^8m/s；

f：頻率，單位：Hz，1兆赫茲（MHz）=1000千赫茲（KHz）=1×10^6赫茲（Hz）；

λ：波長，單位：m；

根據(jù)上面的公式，基站發(fā)出的無線信號是在空氣中傳播，其傳播速度為光速c=3x10^8m/s，所以其波長與頻率之間的關系是負相關，即頻率越高波長越短，3GPP定義的FR2頻段，其波長范圍在1毫米-10毫米之間。通俗上講，我們把這個頻段叫做毫米波。

根據(jù)電磁波的特性，電磁波的傳播不需要介質(zhì)，同頻率的電磁波，在不同介質(zhì)中的速度不同。不同頻率的電磁波，在同一種介質(zhì)中傳播時，頻率越大折射率越大，速度越小，穿透能力越弱。所以，對于FR2頻段的毫米波而言，會比FR1頻段的Sub-6G頻段，信號的損耗要大得多，而且也極易受陰雨天氣影響。

對于毫米波來說，需要建設大量的基站才能達到覆蓋要求。如果覆蓋不到位，因為信號很容易受到物體的遮擋?？赡芫驼娴臅霈F(xiàn)這樣一幕，你站在一位正在玩兒手機的同學的面前，他可能就會說，“胖子，你擋到我手機信號了！”

那么問題來了，相對來說，毫米波的穿透能力差，損耗大，為什么還要去用它呢？

雖然毫米波的損耗大大高于Sub-6G，但是毫米波段不像Sub-6G頻譜被分割的零零散散。所以說，毫米波頻段的頻譜較為干凈，干擾較小，更重要的是毫米波段能有更大的帶寬，而根據(jù)香農(nóng)公式，帶寬越大信道容量越大，可支持的通信速率就越高。就像公路一樣，車道越寬，車道越多，馬路上通行的車輛越多。

在3GPP中規(guī)定，要求5G速度可以達到20Gbit/s，這個速度在Sub-6G是很難辦到的，要達到這個速度就要由毫米波出場了。那么，如果使用毫米波，那么它的傳播時的衰減那么大，這要建起來得建不少基站啊！這建設成本得有多大??！這又該怎么解決？

要解決這個問題，就要用到之前5G專題中講到的massive MIMO和波束賦形技術，之前也有介紹過《波束賦形（Beamforming）》。由于天線尺寸與信號波長成正比，在同樣大小的射頻模塊中，可以布置更多的天線陣列。在massive MIMO天線陣列中，再使用波束賦形技術可以將信號能量集中在極窄的波束精確地指向用戶，從而使信號傳輸的更遠。

我們知道波束賦形可分為數(shù)字波束賦形和模擬波束賦形兩種。那么，對于毫米波來說，我們選擇哪一種呢？

如果使用數(shù)字波束賦形，在毫米波中需要應用到大量的天線，我們知道數(shù)字波束賦形是在數(shù)字信號處理波束賦形，每個天線上就需要獨立的數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器，混頻器，濾波器和功放等器件。對于這些器件來說，不僅在功耗上是個問題，成本上也可算是一個不小的數(shù)目，而且對于硬件的設計復雜度也大大增加，尤其是毫米波電路設計。

對于毫米波我們可以選擇模擬波束賦形，可以在模擬信號部分處理波束賦形。那么就不需要那么多的獨立器件。電路的設計大大簡化，功耗也降低不少。

5G有三大應用場景，毫米波在增強移動帶寬的應用上發(fā)揮著巨大的作用，毫米波可適用于AR，VR，高清視頻等需要大帶寬高速率的應用場景。此外，毫米波還將被應用于5G車聯(lián)網(wǎng)(V2X)，提供遠超GPS和LTE精度的定位服務。這是因為距離分辨率與信號帶寬成反比，毫米波的大帶寬因而可以達到厘米級的定位精度。

當前，全球已經(jīng)有很多國家在毫米波段有部署的計劃，可以說，毫米波是一個很有前景的方向。