以下我們將分三個(gè)部分介紹給大家
毫米波市場(chǎng)解讀（包括全球及中國）
毫米波設計考量 （包括系統設計、手機設計以及射頻器件）
毫米波的技術(shù)演進(jìn)及發(fā)展前景
全球部署情況：120+運營(yíng)商投資毫米波5G的速率和容量比4G有10倍以上的提升。為了滿(mǎn)足5G的需求，擴展工作帶寬是最簡(jiǎn)單、最高效的方法。但是，大家都知道，6GHz以下的頻譜已經(jīng)非常緊張，很難找到適合5G工作大帶寬的工作頻譜。在國際上除了中國之外，很少有國家能在6GHz以下為運營(yíng)商分配在100M以上連續的頻譜。在這樣的背景下，毫米波應運而生，毫米波以更高的頻段，有更大的帶寬，備受關(guān)注。 2019年世界無(wú)線(xiàn)電大會(huì )上，毫米波取得了突破性的進(jìn)展，這次大會(huì )完成了17.25GHz毫米波的劃分，包括24.25-27.5GHz，以及37-37.5GHz全球MT的劃分；還包含45.5-47GHz，以及66-71GHz區域劃分。這些頻譜的劃分給了產(chǎn)業(yè)界清晰的指導，極大地鼓舞了產(chǎn)業(yè)界對毫米波的信心，使得毫米波的發(fā)展又往前邁進(jìn)一大步。 毫米波在全球范圍內也取得了比較可喜的商業(yè)化的進(jìn)展，根據2020年8月份的數據，目前已經(jīng)有22家運營(yíng)商在全球范圍內部署了毫米波5G系統，走在前面的包括美國、日本和韓國。此外，超過(guò)120家運營(yíng)商正在積極投資毫米波。 美國除了在24GHz與28GHz部署商業(yè)網(wǎng)絡(luò )之外，也在考慮26GHz商業(yè)化的情況，并且也在積極推進(jìn)37GHz和39GHz的商業(yè)化準備工作，為毫米波的后續發(fā)展提供了充足的資源。除美國外，日本每個(gè)運營(yíng)商400M，采用27.4-29.5GHz。韓國是大帶寬的應用，每個(gè)運營(yíng)商分配了800M的頻率，包括SK、KT歐盟是分階段的過(guò)程，優(yōu)先采用24.25-27.5G的頻段，頻率分配上比較小。意大利有5個(gè)運營(yíng)商分配毫米波毫米波頻譜，每個(gè)運營(yíng)商分配了200M。德國包括英國也在積極推進(jìn)毫米波的部署計劃。 中國毫米波發(fā)展：全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)力，漸入佳境
總體來(lái)看，在毫米波頻率的分配和使用上，歐美國家比我們國家要先行一步，不過(guò)5G屬于新基建重要一環(huán)，特別是今年新基建戰略政策發(fā)布之后，三個(gè)運營(yíng)商在5G建設的節奏上明顯加快了步伐。 目前，在工信部的統一指導下，運營(yíng)商也在積極推動(dòng)5G毫米波的發(fā)展。例如，國內三大運營(yíng)商和產(chǎn)業(yè)界正在一起進(jìn)行毫米波的外場(chǎng)測試。中國移動(dòng)研究院無(wú)線(xiàn)和終端技術(shù)研究所副所長(cháng)李男也在此次研討會(huì )的演講中分享了測試進(jìn)展，并表示：“測試的結果跟理論的分析數值還是比較吻合的，有效提升了行業(yè)對毫米波的信心?！?nbsp;在研討會(huì )中，中國聯(lián)通研究院無(wú)線(xiàn)技術(shù)研究部副主任李福昌指出，隨著(zhù)5G的發(fā)展，以及行業(yè)應用拓展，通信頻段必然向毫米波方向發(fā)展。他還分享了中國聯(lián)通的5G毫米波發(fā)展規劃，中國聯(lián)通正在通過(guò)開(kāi)展冬奧場(chǎng)景的毫米波試點(diǎn)驗證，正帶動(dòng)國內毫米波產(chǎn)業(yè)鏈加速發(fā)展；預計在2021年6月能夠完成冬奧場(chǎng)館設備部署。中國聯(lián)通將綜合運用毫米波等多種技術(shù)手段，打造超大帶寬，無(wú)線(xiàn)場(chǎng)館，滿(mǎn)足冬奧會(huì )的連接需求，包括為熱點(diǎn)區域提供綜合解決方案，解決類(lèi)似于 4K/8K、高清轉播等各種新業(yè)務(wù)需求。 中國移動(dòng)李男還表示，我們認為在毫米波會(huì )在2022年具備規模商用的能力，SA的架構非常成熟了，而且已經(jīng)經(jīng)過(guò)商用的檢驗了，我們希望那個(gè)時(shí)候可以以SA為基礎部署毫米波網(wǎng)絡(luò )，這樣對運營(yíng)商來(lái)說(shuō)是比較好的也是比較簡(jiǎn)單的選擇。 從產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，主流的設備廠(chǎng)商都有毫米波的產(chǎn)品，而且基本上都支持800M的帶寬。 芯片廠(chǎng)商方面，高通是發(fā)力最早的，已有多代商用毫米波天線(xiàn)模組產(chǎn)品，能夠支持毫米波全頻段。其他廠(chǎng)商發(fā)布的海思Balong 5000、三星Exynos 5123、聯(lián)發(fā)科Helio M80等系列芯片也能夠支持毫米波，正在工程機調試或出樣階段，很快能夠投入市場(chǎng)，壯大毫米波陣營(yíng)。 國內終端方面，中興、一加、移遠等廠(chǎng)商分別推出了支持毫米波能力的移動(dòng)熱點(diǎn)、手機、模組等產(chǎn)品，一加8毫米波版也在今年4月于北美市場(chǎng)上市。 總體來(lái)說(shuō)，在產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節的努力下，國內毫米波發(fā)展正漸入佳境，蓄力等待突破和爆發(fā)。
毫米波技術(shù)：優(yōu)勢及不足
業(yè)界共識，隨著(zhù)5G的發(fā)展，以及行業(yè)應用拓展，通信頻段必然向毫米波方向發(fā)展。毫米波本身而言，最大的優(yōu)勢就是頻段資源非常豐富，毫米波的帶寬能達到400M甚至800M，無(wú)線(xiàn)的傳輸速度達到10Gbps。毫米波由于天線(xiàn)小，因此空間分布能力非常強。帶寬大，3.5G的4倍，由此產(chǎn)生的空口時(shí)延小，為高可靠、低時(shí)延業(yè)務(wù)的開(kāi)展提供了天然的優(yōu)勢。 總體來(lái)看，毫米波本身有優(yōu)勢還有一些不足，例如路損大，覆蓋比較差，穿透損耗大等。毫米波在傳播過(guò)程中，容易受到遮擋，很難穿透。最明顯的可以看到在混凝土的場(chǎng)景里面，穿透損耗達到109db。 毫米波本身頻率比較高，器件的尺寸非常小，因此可以通過(guò)更大規模的部署天線(xiàn)在一定程度上減少前面所說(shuō)的問(wèn)題。特別是天線(xiàn)做的比較多，因此波束可以做的比較窄，通過(guò)窄波束，一定程度上可以彌補由于頻率過(guò)高導致的傳播損耗和穿透損耗，這是毫米波本身的特點(diǎn)。 系統設計考慮：實(shí)例講解
因為毫米波工作頻段非常高，傳播損耗和穿透損耗非常高，大規模天線(xiàn)技術(shù)是必選技術(shù)，針對毫米波的特性，需要將數字和模擬相結合起來(lái)混合復型，針對毫米波多天線(xiàn)技術(shù)做相關(guān)的系統設計，包括大帶寬，載波聚合可以支持800GHz甚至更高的帶寬，為了滿(mǎn)足部署需求，最大間隔可以支持到120KHz，為了降低毫米波工作頻段高導致的相對噪聲高的困難，3GPP也制定了PTR參考信號，可以利用它去校正毫米波噪聲。 下面列了一個(gè)示意圖，包括毫米波基站在最初的時(shí)候去下發(fā)同步和廣播信號，終端去檢索SSB，并且發(fā)送相應的最低記錄，網(wǎng)絡(luò )設備根據發(fā)送的上線(xiàn)最低記錄去判斷使用的波束，發(fā)送最低記錄相應，并且根據終端對波束測量的結果，不斷調整控制信道和應用信道的波束，從而基本實(shí)現毫米波工作的流程。當毫米波傳播損耗比低頻高20-30GHz，為了保證覆蓋范圍，要大幅度增加天線(xiàn)的數目，可能到10倍或者100倍的量級。由于半導體本身原因，毫米波頻段器件單路很難支撐較大的功率。同時(shí)，毫米波也會(huì )通過(guò)波束掃描的方式實(shí)現用戶(hù)的接入，為了保證波束配置的靈活性和波束的分辨率，需要一定數目的具有調控能力的通道。由于毫米波工作帶寬達到400GHz甚至更大，如果采用傳統6GHz架構，數模轉化ADDA還有IFT，容量要求會(huì )非常高，會(huì )造成毫米波成本、體積和功耗提升，就會(huì )限制產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。 因此，業(yè)界也針對毫米波特性提出來(lái)適合毫米波的數?；旌系姆桨?。通過(guò)在模擬端加入調幅和調相器件，就可以實(shí)現對于模擬預算數字疊加混合復型，經(jīng)過(guò)測試幾乎可以達到純數字復型相類(lèi)似的性能，這樣可以使得毫米波的網(wǎng)絡(luò )設備成本和復雜度大幅度下降，對未來(lái)毫米波產(chǎn)業(yè)化起到非常好的促進(jìn)作用。 終端架構的變化，與6GHz低頻相比，毫米波頻率上升到24GHz以上，終端射頻的器件包括天線(xiàn)尺寸都會(huì )大幅下降，這樣就有機會(huì )能將射頻前端包括濾波器等元件，跟天線(xiàn)集成封裝到一個(gè)模組里面，封裝天線(xiàn)的AIP技術(shù)也成了毫米波終端技術(shù)的主流。 目前業(yè)界普遍認為毫米波的工作頻率較高，終端實(shí)現能力的問(wèn)題是需要有中頻的模塊去實(shí)現變頻的，這樣可以看出來(lái)這兩點(diǎn)是毫米波終端的架構相對于6GHz以下的終端是最大的區別。 應用于毫米波射頻器件的技術(shù)與現狀：第三代半導體
GaN-on-Si是一種材料，國內俗稱(chēng)第三代半導體，或者它是第三代半導體的典型材料。 在本次在線(xiàn)技術(shù)分享會(huì )上，西安電子科技大學(xué)劉志宏教授為大家分享了GaN用于毫米波系統里面關(guān)鍵的射頻器件的技術(shù)及現狀。射頻芯片是無(wú)線(xiàn)系統的核心器件之一。從成本角度、功能角度來(lái)講也是非常重要的一部分。上面這個(gè)圖是射頻器件應用流程的圖，關(guān)于射頻器件的材料經(jīng)歷了三代，目前，氮化鎵逐漸成為市場(chǎng)的主流。氮化鎵材料有很多優(yōu)點(diǎn)，各個(gè)參數方面都表現出很強的優(yōu)勢。氮化鎵是半導體材料，目前在LED，發(fā)光方面有很廣泛的用處，在射頻器件角度，氮化鎵材料的器件主要用在硅的襯底上其優(yōu)點(diǎn)是熱導力比較好，質(zhì)量比較高，缺點(diǎn)是成本比較高，尺寸也比較小。 氮化鎵技術(shù)的挑戰有幾點(diǎn)，一個(gè)是熱阻比較高，對于大功率或者特別大功率的功放，氮化鎵散熱性比較差。另一點(diǎn)是射頻損耗會(huì )高一點(diǎn)，射頻損耗在頻率比較低的時(shí)候影響沒(méi)有那么大，但在頻率比較高的時(shí)候比較明顯。 基于氮化鎵做的商品目前并不是很多，市場(chǎng)上主要是碳化硅氮化鎵，目前只有兩三家公司有現成的商品，一個(gè)是美國的Macom，歐洲的Ommic。另外正在開(kāi)發(fā)一些公司就比較多了，國外有英特爾、TSMC傳統做硅的公司都在開(kāi)發(fā)氮化鎵的技術(shù)，國內的主要代表有三安、英諾賽科。 把毫米波放到手機里：挑戰與解法
業(yè)界消息，近期蘋(píng)果很快會(huì )發(fā)布支持毫米波的手機了。前文介紹了，國內有一家企業(yè)比蘋(píng)果還早，就做出了毫米波的手機，就是一加手機。在研討會(huì )上，一加手機高級無(wú)線(xiàn)工程師鐘永衛先生系統性地介紹了一加是如何把毫米波裝進(jìn)智能終端。 如果把毫米波放到手機里面，主要會(huì )有以下三個(gè)挑戰。第一個(gè)是路損比較高，覆蓋范圍受限。特別是手機采用傳統的天線(xiàn)形式，覆蓋范圍應該說(shuō)會(huì )小于3G的1/8以上，這也是大問(wèn)題，連接性會(huì )受到很大的傷害。第二個(gè)是如果手機上采用傳統的天線(xiàn)和芯片分離，會(huì )導致很低的效率以及發(fā)熱會(huì )非常嚴重，也會(huì )導致手機生產(chǎn)成本的提高和制造工藝難度的加大。第三個(gè)是毫米波很容易受物體遮擋，特別是對手機來(lái)講，不僅有建筑，還要考慮手或者人體的遮擋。 接下來(lái)看一下一加的解決方案是怎么樣的，針對高路損和插損，商用平臺是以AIP+中頻線(xiàn)實(shí)現的。首先，如果采用AIP的形式，將單獨的移動(dòng)天線(xiàn)更換成定向的天線(xiàn)可以減少一部分路損。 其次，毫米波想部署在手機上，只能非常貼近于基站，部署會(huì )受到很大限制。為了靈活把模組AIP部署到手機上面來(lái)，就需要進(jìn)行了二次變頻，把毫米波轉到中頻，需要一條低損耗的中頻的傳輸線(xiàn)，這樣毫米波能比較靈活的部署在手機終端上。針對定向跟容易受到物體阻擋這一問(wèn)題解決方案是上多個(gè)模組+波束掃描/跟蹤。在手機上布局多個(gè)模組，能夠保證在手機被覆蓋的情況下，至少有一顆模組還可以能工作。這個(gè)布局是針對用戶(hù)的習慣，單手握、雙手握來(lái)優(yōu)化的。 開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，毫米波手機仿真會(huì )變得非常重要，對于傳統頻段的天線(xiàn)來(lái)講，應該說(shuō)業(yè)內主流的基本上還是調試為主，毫米波是一定要從仿真開(kāi)始，并且一直貫穿了整個(gè)研發(fā)的過(guò)程。在Sub6頻段，試驗還是占主導地位。毫米波頻段，仿真的重要性非常高，不僅是堆疊天線(xiàn)的時(shí)候要用到仿真，模組放到手機里面，會(huì )有太多因素影響性能，像結構、材料、表面工藝都會(huì )對它有很大的影響，只有用仿真才能比較快速的跟上開(kāi)發(fā)的節奏。 不僅在設計階段，哪怕在認證階段，仿真也會(huì )非常重要。以FCC認證為例，如果做PD，也就是毫米波的電磁輻射是否超標認證，如果以試驗為主，大概有100個(gè)，要測試三個(gè)面，每個(gè)面測兩個(gè)小時(shí)，時(shí)間和成本都會(huì )是天文數字?，F在采用的方法，FCC認可的方法以仿真為主，第一步是證明仿真的PD是準確的，后面PD超不超標，分布式怎么樣，全部以仿真代替。
毫米波技術(shù)演進(jìn)及發(fā)展前景
毫米波移動(dòng)化：技術(shù)業(yè)經(jīng)驗證，不斷演進(jìn)
一加手機正是采用了高通的毫米波解決方案，在研討會(huì )上，負責技術(shù)研發(fā)工作的高通工程技術(shù)高級總監駱濤博士，簡(jiǎn)要介紹了高通聯(lián)合業(yè)界在5G毫米波移動(dòng)化上所做的努力、取得的成果。 通過(guò)先進(jìn)的波束成形技術(shù)，高通能夠實(shí)現超過(guò)150米的毫米波傳輸，這項技術(shù)不僅通過(guò)仿真實(shí)驗得到了驗證，而且在外場(chǎng)測試中也得到了驗證，意味著(zhù)毫米波能夠實(shí)現與現有熱點(diǎn)和小基站的共址。同樣，如果有相關(guān)基礎設施設備，也可以實(shí)現與Wi-Fi共址。 另外一個(gè)關(guān)于毫米波的誤區是它只能夠實(shí)現視距傳輸和固定傳輸，而事實(shí)是5G NR能夠提供解決方案。5G設計中，高通創(chuàng )新技術(shù)支持物理層信號能夠支持快速調整和切換附近的波束，這樣就可以很好地利用多路徑和反射。如果一個(gè)傳輸路徑被手部或身體其它部位遮擋，通過(guò)激活手機上的另一個(gè)模塊就可以快速找到一條新的傳輸路徑。高通還將這種轉換從基站內擴展到不同基站之間，這意味著(zhù)毫米波傳輸在不同基站之間的切換也能夠快速實(shí)現。這是毫米波的一個(gè)關(guān)鍵解決方案，能夠支持信道快速切換。 關(guān)于支持毫米波的終端尺寸，很多人也存在誤解。高通率先商用的毫米波模組，在非常緊湊的尺寸中集成了天線(xiàn)、射頻前端、收發(fā)器。一部手機可以采用多個(gè)這樣的毫米波模組，不僅滿(mǎn)足智能手機緊湊纖薄的設計需求，同時(shí)滿(mǎn)足功耗需求并提供最大化的性能。比如，一加推出的毫米波手機將厚度做到了8毫米?？梢哉f(shuō)，高通已經(jīng)克服了毫米波在技術(shù)和商業(yè)化方面的諸多障礙，不僅僅提供調制解調器，還提供端到端的系統設計，在很多關(guān)鍵技術(shù)方面，例如毫米波，都建立了先進(jìn)的原型系統，對其實(shí)際性能進(jìn)行驗證。 針對通信極端情況，高通還在美國圣迭戈市進(jìn)行了5G毫米波OTA外場(chǎng)測試的場(chǎng)景。該測試基于28GHz頻段800MHz帶寬的毫米波網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò )設置包括一個(gè)gNodeB基站，三個(gè)射頻拉遠（RRH）和兩個(gè)中繼器。為了驗證毫米波調制解調器的性能，實(shí)驗人員將手機放置于極具挑戰性的環(huán)境中，例如人流量大且有人群阻擋的場(chǎng)景下測試。另一個(gè)極端測試環(huán)境是，將手機固定在無(wú)人機上，遙控無(wú)人機在園區內穿梭飛行。得益于先進(jìn)的波束管理算法，即使在以上種種極具挑戰性的環(huán)境下，手機仍然能夠保持高速網(wǎng)絡(luò )連接。 駱濤博士還表示，Ookla基于其旗下Speedtest應用的大量用戶(hù)實(shí)測數據顯示，搭載驍龍移動(dòng)平臺的5G毫米波終端，峰值速率超過(guò)2Gbps，更重要的是在非常重要的平均下載速率這一KPI上，毫米波超過(guò)900Mbps，而Sub-6GHz僅為225Mbps。 愛(ài)立信（中國）高級標準化經(jīng)理王衛也做了相關(guān)數據測試分享：第一個(gè)，愛(ài)立信在印尼做的，主要體現毫米波的速度，下載速度可以達到400M的時(shí)候，5Gbps。第二個(gè)，在東京測的實(shí)際的測試數據，測試一個(gè)街道的覆蓋，有一個(gè)車(chē)，做不停的高清視頻的下載。同時(shí)這個(gè)車(chē)在街道上做大概60公里的運動(dòng)，能夠在大概4、5個(gè)站能覆蓋4個(gè)街區，能保持整個(gè)下載速度流暢，這體現了毫米波在城市里面的應用。第三個(gè)，愛(ài)立信在研發(fā)中心做了比較深入的覆蓋，現在在室內可以做到40個(gè)dbmEIRP基站的情況下，覆蓋200多平米的辦公區域，做到無(wú)死角，包括在口袋、辦公桌下面，都可以做到手機無(wú)死角的狀態(tài)。 事實(shí)上，隨著(zhù)5G的演進(jìn)，毫米波還將獲得更強的能力，支持更多應用場(chǎng)景。5G Rel-17目前僅處于初始階段，Rel-17將引入低復雜度、高可靠性的5G NR產(chǎn)品，將助力毫米波擴展至全新的終端類(lèi)型，帶來(lái)卓越速度和無(wú)限容量的同時(shí)支持增強體驗。Rel-17將賦能更多全新服務(wù)，充分利用全新頻譜資源?？梢云诖?，在毫米波規?；逃煤?，5G的全部能力才將得到充分釋放。 發(fā)展前景：1040億經(jīng)濟價(jià)值
前文已經(jīng)提到，中國聯(lián)通正積極面向冬奧會(huì )毫米波部署做準備。不過(guò)從此次研討會(huì )的主辦方GSMA的相關(guān)預測來(lái)看，冬奧會(huì )只是毫米波在中國大展宏圖的開(kāi)胃菜，更多應用場(chǎng)景和垂直行業(yè)將極大地受益于毫米波的應用，毫米波將在中國創(chuàng )造極大經(jīng)濟價(jià)值。 根據GSMA的研究報告對毫米波在5G網(wǎng)絡(luò )中的價(jià)值的預測，預計到2034年，5G毫米波將創(chuàng )造5650億美元的GDP，并產(chǎn)生1520億美元的稅收，占到5G創(chuàng )造總價(jià)值的25%。 中國則是毫米波的主戰場(chǎng)之一。預計到2034年，在中國使用毫米波頻段所帶來(lái)的經(jīng)濟收益將產(chǎn)達約1040億美元。其中，垂直行業(yè)領(lǐng)域中的制造業(yè)和水電等公用事業(yè)占貢獻總數的62%，專(zhuān)業(yè)服務(wù)和金融服務(wù)占12%，信息通信和貿易占10%。
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