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高通推动毫米波商用 助力5G驶上“高速公路”

http://www.c114.com.cn ( 2019/3/19 14:33 )

C114讯 3月19日消息(乐思)提起5G相比于4G的优势,不少人都可以说出超高速(eMBB)、低时延(URLLC)和高密度(massive IoT)三大特征。但你知道,是哪些技术在背后提供支持?今天,我们来谈谈为5G提供差异化体验的其中一些关键技术——毫米波(mmWave)。毫米波能够带来的大带宽和高速率,为诸如高清视频、虚拟现实、增强现实、密集城区信息服务、工厂自动化控制、远程医疗等业务提供了可能。可以说,毫米波的开发利用,为5G应用在Sub-6的服务基础上,提供了另一个广阔的空间和无限的想象。

?正如一句谚语所述——任何事物都有两面性。虽然毫米波能够提供超高速率,但毫米波也有着天然的劣势,其传输损耗较高,且易受建筑、人、植物,甚至是雨滴的阻碍影响。这导致在毫米波“诞生”之后的很长一段时间内,都没有得到重视,业界更有很多人认为毫米波难以适用于移动终端通信。

随着移动通信技术的快速发展,用户对网速和带宽提出了更高的要求,因此近年来毫米波再次被拉回大众视野。通过近几年的技术突破,毫米波已经成功的实现了移动化,并且运用到了移动终端领域。在这个过程当中,全球移动芯片巨头高通做出了突出的贡献,并表示将在2019年实现用于手机的5G NR毫米波的商业化。

5G的两个频段:Sub-6GHz与毫米波

都说5G商用,频谱先行。根据3GPP规定,5G NR(全球性5G标准)主要使用两段频率:FR1频段和FR2频段。FR1频段的频率范围是450MHz—6GHz,又叫Sub-6GHz频段;FR2频段的频率范围是24.25GHz—52.6GHz,就是人们口中所说的毫米波。特指波长为1~10毫米的电磁波。

2G、3G和4G使用的频段大都在Sub-6GHz,比如中国4G网络中使用的频率大多为700MHz-2.6GHz之间。要知道,频谱是不可再生资源,Sub-6GHz中优质的频段已经几乎被瓜分殆尽,留给5G的6GHz以下的频段已经很少了,虽然可以通过退网将更好地频段分给5G,但频谱重耕将耗时耗力。

这个时候,毫米波频段又重新回到了行业的视野当中。毫米波给移动用户和运营商提供了大量可待开发的频率资源。大量可用的带宽可用来实现极高的数据速率并显著提高容量,在毫米波频段,移动应用可最多使用400MHz带宽,峰值数据速率高达10Gbps甚至20Gbps。

不仅如此,毫米波还与5G其它新技术的引入密切相关。3GPP规定5G NR继续使用OFDM技术,因此相比4G而言,5G最大的亮点之一就在于毫米波的引入。比如新的numerology(子载波间隔等)、LDPC/Polar码等技术都是为了让OFDM技术能更好地扩展到毫米波段。同时,为了适应毫米波的大带宽特征,5G定义了多个子载波间隔,其中较大的子载波间隔(60KHz和120KHz)就是专门为毫米波设计的。massive MIMO技术也是为毫米波而量身定制。因此,5G 也被称业界为“扩展到毫米波的增强型4G/LTE”。

根据GSMA发布了一份有关“毫米波5G”发展现状的简短报告显示,在2018年至2020年间,至少有33个国家和地区计划发布毫米波5G网络。早在2016年,美国就率先发布了5G毫米波频率规划方案,欧盟也已经将24.25-27.5GHz作为5G毫米波最高优先级的频段,并计划于WRC-19前在欧洲范围内完成协调。

在中国,毫米波同样被青眼相待。2017年6月,工信部无线电管理局公开征集24.75-27.5GHz、37-42.5GHz或其他毫米波频段5G系统频率规划的意见。2017年7月,该部门批复新增5G技术试验用频:批复4.8-5.0GHz、24.75-27.5 GHz和37-42.5GHz频段用于5G技术研发试验。2019年2月,工信部无线电管理局发布《2019年全国无线电管理工作要点》。其中特别提到要适时发布5G系统部分毫米波频段频率使用规划,引导5G系统毫米波产业发展。

打破毫米波的桎梏

与其他频段相比,毫米波有一个巨大的劣势即在传播中衰减严重,因此在移动通信领域里很长的一段时间内都没有出现过毫米波的身影,毫米波只有在无线回传、卫星和雷达等少数固定场景中被用于实际部署当中。

所谓“传输性能较差”可以分为三个层面去理解。第一、路劲损耗严重。毫米波的频谱的能量发散比较快,容易衰弱,因此传播距离很短。第二、这些频谱容易受楼宇、人体等的影响,这些因素的共同作用,会使毫米波信号受到衰减、散射、改变极化和传播路径,进而在毫米波系统中引进新的噪声,诸多因素对毫米波系统的工作造成极大影响。第三,毫米波易受限于很多空间因素,其中水分子对于这些频谱的吸收程度很高,比如这些频谱在下雨时、穿过树叶、人体时,衰弱的速度非常快。

因此,之前大多数人对于实现5G NR毫米波的商业化持怀疑态度,认为在移动设备形态——如智能手机中难以克服这些高频段的挑战,实现稳健的移动通讯。毫无疑问,毫米波确实有局限性,主要是在覆盖面积和传播性方面,但高通已一步步突破技术障碍,逐步推动实现5G NR移动毫米波商用。

早在2015年年底,高通就首次展示了稳健的非视距毫米波移动性,并从那个时候起就坚持专注于实现5G移动毫米波商用。2017年初,高通在世界移动通信大会(MWC)上展示了真实使用场景中的车辆与行人毫米波移动性并支持基站间切换,证明毫米波的确可以实现移动化。

高通的展示让业界看到了毫米波商用的曙光。同时,高通也积极推动将毫米波应用到手机之中,也就是说,让智能手机也能运行在5G毫米波频段了。

针对毫米波的弱点,高通公司“对症下药”,主要通过以下几个方式来实现毫米波在手机中的应用。首先通过多波束技术应对移动性挑战,改善覆盖、稳健性和非视距运行,其次利用路径分集应对阻挡问题,利用终端天线分集提升可靠性,并多次开展室内和室外的OTA测试进行移动性的验证。

为了应对5G新空口毫米波手机的射频复杂性,高通更进一步,将天线、射频前端、收发器和放大器等都整合到一个模组里面,通过提前做好这些元器件的调整工作让它们相互协同并将尺寸压缩到极致。

2018年7月高通发布了全球首款面向智能手机和其他移动终端的全集成5G新空口(5G NR)毫米波天线模组系列—QTM052。这项研究成果的发布被称为创造了“将不可能变为可能”的奇迹。高通也是当时唯一一家能推出这样产品的厂商。

仅仅用了几个月的时间,在2019年2月,高通又发布了第二代5G射频前端解决方案,这次推出的的产品是一套完整的可与骁龙X55 5G调制解调器搭配使用的射频解决方案,可支持6GHz以下频段和毫米波频段的高性能5G移动终端提供从调制解调器到天线的完整系统。全新发布的射频前端解决方案包括高通QTM525 5G毫米波天线模组,通过降低模组高度可支持厚度不到8毫米的纤薄5G智能手机设计,这和现在的4G手机的厚度基本一致。

同时,在上一代产品已支持的n257(28GHz)、n260(39GHz)与n261(美国28GHz)频段的基础之上,新模组针对北美、欧洲和澳大利亚还增加了对n258(26GHz)频段的支持。

可以说,在移动终端中使用毫米波模组化的解决方案必不可少。如果用离散的器件来实现,可能需要上百个不同的器件,绝大部分的手机厂商还没有具备实现和优化离散式器件的能力,而高通已经提前把这些器件都整合完备,降低OEM厂商研发的难度,缩短其产品的上市时间,同时也推动了毫米波在移动终端领域的商用。

探索5G毫米波新用例

除了将毫米波用于热点区域的覆盖之外,高通还在不断探索毫米波的新型用例。其中之一是将毫米波引入室内,以满足人们在拥挤场所中(如会议中心、音乐厅和体育馆)对光纤般无线宽带接入的爆炸性需求。通过利用毫米波的大带宽和高空间复用增益,运营商和服务供应商可快速地将高速率(多Gbps级)、低时延连接提供给大量用户。

另一个用例是室内私有企业场景。高通在今年2月19日宣布推出全新端到端OTA 5G测试网络,面向毫米波和6GHz以下频段。其中包括了位于新泽西州的5G NR室内毫米波OTA网络,专门针对室内场馆和企业部署。

在近日召开的2019年MWC大会上,高通展示了面向室内用例部署5G NR毫米波的优势的场景,两个场景分别是企业私有网络和高密度的场馆。系统模拟是对室内毫米波OTA测试网络的补充,显示了室内毫米波部署带来的用户体验,包括为智能手机、笔记本电脑和其他联网终端带来高容量、数千兆比特传输速率和低时延的连接。

未来5G毫米波的用例将非常广泛,正如高通展示的那样,毫米波的大带宽特性可以用于室内外覆盖。此外毫米波还可用于固定无线宽带接入业务,满足典型如4K、8K电视的传输需求,满足市郊居民区的视频需求;开阔环境eMBB业务,还能满足HD、UHD视频以及图片视频共享等业务,满足场馆、步行街、广场等场景需求,同时还可能有一些没有出现的、充满想象空间的用例潜伏待发。

作者:乐思   来源:C114通信网

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