“彻底了解毫米波：驾驭它，就算掌握5G终极武器”

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张力传感器 【科技在线】

如果从今年开始想换手机的话，5g是不可避免的问题。 作为被认为将改变社会生活方方面面的新一代无线通信技术，5g将凭借超高速无线互联网的速度、覆盖范围和响应能力向未来释放无限的能量。

5g比传统4g的特点要多很多，但重要的、普通客户在意的，可能是突破了想象中的传输速度。 但是，大家有没有想过5g的速度为什么能够实现10倍到100倍的提高呢？ 其实这背后涉及到毫米波这一重要技术。

其实，ITHome(IT之家)主编在之前的文案中提到过毫米波的相关技术，但没有深入说明，所以今天，主编近距离认知毫米波吧。

一、毫米波到底是什么，为什么这么重要？

如上所述，高传输率是5g的重要技术指标。 那么，如何提高传输速率呢？

首先，决定这里的传输速率，即每单位时间通过信道的数据量。 在通信领域，关于信道传输速度有以下公式。

n=rb/b

在该式中，n是带宽利用率，rb是信道传输速度，b是系统带宽。 让我们改变这个公式:

rb=n b

传输速率与带宽利用率和系统带宽呈正向关系，带宽利用率越高，系统带宽越高，传输速率也越高。 这表明了为了提高信道传输速度，有两种方法提高带宽利用率和系统带宽。

ok，这两种做法确立后，我们先放一放，复习一下无线通信的基本概念吧。 这样，你就会更深刻地理解这两种做法。

我们所说的无线通信，就是利用无线电磁波进行通信，翻阅中学的物理教科书，我们可以找到它熟悉的图:

上图是电磁波谱，按电磁波的频率顺序排列描绘。 频率是电磁波的重要性。

中学物理老师带着我们研究可见光的部分，但是在无线通信行业，首要研究的是图中被绿色框包围的部分。

已知无线通信的基本原理是将声音图像新闻转换为包括声音图像新闻在内的电信号，向频率远远高于该信号的高频振荡信号发送电信号，并通过发送天线作为电波传输到周围。

▼比如说，无线电磁波的频带就像大街，其中高频的振动波(载波)就像交通工具。

▲图片来源:维基百科

如上所述，频率是电磁波的重要特征，电磁波因频率而异，意味着用途不同，因此在电磁波这条大街上再划分车道，分配到不同的对象和用途上。 具体划分多而复杂，如下表所示。

以往的移动通信主要走的是从中频到超高频的道路。 按照这条道路划分各国运营商采用的频带就是我们所说的频谱划分。 例如，在4g lte标准中，我国最重视的是超高频频谱资源的一部分。 同时，从1g到2g、3g再到4g，分割后的电波频率有越来越高的趋势。 这实际上是为了满足更高的传输速率的需要。

我们刚才谈到了这条大街，其中的一个载体就像交通工具，载体承载着信号，经过编码、调制、发送、媒体传输、接收、解码、解码的全路径，我们广义上说的信道，是 具体传输方法以符号( symbol )的形式传输。

是的，这时，我们会回到上述的频带利用率。 频带是什么？ 对于信道，是允许发送的信号的频率和频率之间的频率范围。 提高带宽利用率，简单来说就是让信道内的单位时间导入越来越多的码元，提高速率。

但是，这样做还不够。 具体怎么样呢？ 简单地说。 信号的调制通过操纵电波的振幅和相位形成载波的不同状态。 如果调制方法从简单变为多值，则意味着载波的状态数增加，一个码元表示的新闻量增加。 如果码元增加，则一个码元表示的新闻的量增加，但如果载波的宽度不变化，则各码元的状态之间的间隔变窄，因此容易受到噪声的干扰，码元偏离本来应该有的位置，解码错误，功耗也增加

▲从简单的调制到很多复杂的调制的状态图

虽然听起来有点多很杂，但是没关系。 其实只要知道带宽利用率并不是越高越好。 所以，人们自然会把眼球转向另一种更简单粗暴的做法来提高光谱系统的带宽。

但问题是，现在常用的6ghz以下的频带，可用的资源已经很少了(到4g时代非常拥挤)。 5g时代怎么办？ 这个时候，人们想到了以前不太被关注的毫米波段。

毫米波位于微波和远红外线波重叠的波长范围内，但实际上兼具了两种光谱的优越性。

因此，根据3gpp 38.101协议的规定，5g nr主要采用fr1频带和fr2频带这两个频率。 fr1频带的频率范围为450mhz 6ghz，也称为辅助6GHz频带； fr2频带的频率范围为24.25ghz 52.6ghz，即这里所说的毫米波( mmwave )。

返回上表，可知毫米波的波长为1mm-10mm，频率约为30ghz-300ghz。 当然，3gpp规定从24.25ghz开始，根据

波长=光速/频率

由该式可知，波长为12.37，也称为厘米通道，但实际上这里的定义并不严格。

毫米波的优点是频率高，但并不是所有频带都能在30-300ghz之间自由采用。 由于部分频带性能较差，目前很少采用。 在3gpp协议38.101-2 table 5.2-1中，在5g nr fr2频带中定义了3级频率，分别如下。

N257 ) 26.5GHz~29.5GHz；

N258 ) 24.25GHz~27.5GHz；

N260(37GHz~40GHz )；

采用tdd方式。 在美国fcc，频率为24-25 GHz ( 24.25-24.45/24.75-25.25 GHz )，频率为31.8-33.4GHz )，频率为42-42.5GHz )，频率为48GHz ).2.2GHz verizon和at已经瞄准眼球28 ghz和39 ghz的大部分频谱，芯片巨头高速公路16年推出的首款5g调制解调器干式x50也支持28 ghz频段的5g运行。

以28ghz频段和60ghz频段为例。 通信行业有其原理，无线通信的信号带宽约为载波频率的5%，因此两者对应的频谱带宽分别为1ghz和2ghz。 另一方面，4g-lte频带的频率载波在2ghz左右，频谱带宽只有100mhz，毫米波的带宽相当于4g的10倍。 这是有待开发的蓝海。

这是今后5g信号传输速度大幅提高的理由。

不仅速度高，毫米波还有很多其他好处。 首先，毫米波的波束很窄，即使是同样的天线尺寸，也比微波窄，因此指向性好，能够分辨更近的小目标，也能够清楚地注意目标的细节。

关于这几个，我在这里展开，稍后也说明。

可能有同学会，什么是光束？

例如，在黑暗中打开手电筒，光线照射的方向就像光束一样。 因为在空之间的传输过程中，无线电信号的质量会衰减，但其能量传输仍有方向，这将形成波束。 光向这个方向的两侧分散，就像手电筒有照射方向一样。 在通信行业中，开始降低固定功率的两侧所成的角度就是波束的宽度。

波束宽度与天线增益有关。 天线增益是指天线能够将能量集中在一定方向上的能力，就像手电筒能够将灯泡的光凝聚到什么程度的能力一样。 通常，很清楚天线的增益越大，波束就越窄。

天线的增益和什么有关？ 答案是波长。 天线增益有以下公式。

g表示天线增益，ae表示天线比较有效的孔径比。 由该式可知，波长越短，天线增益越大，波束越窄。 毫米波的波长短，带来窄波的特征。

这里就天线进行说明。 顺便说一下，根据通信原理，天线的长度与波长成正比，比率约为1/10~1/4。 毫米波的波长为毫米级，对应的天线也会变短。 因此，通过在手机中采用毫米波技术，天线尺寸也可以更小。

当然，具体来说它们的关系还多且杂，编辑只是大致梳理了一下关系，不方便继续深入展开。

毫米波还具有传输质量高的优点。 由于其频率非常高，毫米波通信几乎没有干扰源，电磁频谱极其干净，信道非常稳定可靠。

另外毫米波的安全性也很高。 由于毫米波受大气中传播的氧气、水气、降雨的影响吸收衰减较大，点对点的直通距离较短，超过距离后信号变得微弱，窃听和干扰的难度增大。 刚才说毫米波束窄，副瓣低，这也很难被拦截。

毫米波能够大幅提高无线通信的传输速度，它已经足够吸引人，同时也有这些附带的特点，但为什么这么多年没有在手机通信行业商用？ 这是因为毫米波也有天然缺陷。 有所谓硬币的两面，同样的特征、特征、不足，这些不足多年来一直渴望毫米波的商用化。

毫米波最大的不足是传输性能差。 这体现在三个方面。

第一，这些光谱不能到达太远的地方。 例如，在全方向发射的情况下，这些光谱的能量发散比较快，容易衰弱，无法到达很远的地方。

二是衍射能力低，容易被大楼、人体等遮挡、反射、折射。 这个很容易理解。 如果考虑极端的例子，可见光的波长比毫米波短，频率高，则可见光很少穿过大部分物体。

第三，毫米波还受限于许多空之间的因素，其中第一个因素是水分子对这些光谱的吸收度很高。 例如，这些光谱在下雨时、经过树叶时、经过人体时，衰弱得非常快。

另一个原因是，以往很难生产能够应对毫米波段的亚微米尺寸的集成电路元件，需要比较大的金钱投资，阻碍了商用化。

二、毫米波不好用，但也有控制的方法

由于毫米波具有上述缺点，因此在过去很长一段时间内难以商用。 但是，随着通信技术的迅速发展，目前领域有控制毫米波的比较成熟的做法。 这里主要有波束成形技术、大规模MIMO(massiveMIMO )技术等。

本节介绍克服毫米波缺点，并将其应用于高成本场景的技术。

首先是大规模的天线技术。 之前说明毫米波的波束宽度时，说的是毫米波的波长窄，但实际上毫米波的波长短会影响天线增益，也间接影响接收功率。

上述公式是空间自由传输模型(理想传输模型)的接收天线功率计算公式。 结合上述天线增益计算式，可知在发送侧的发送功率和天线增益一定的情况下，接收侧的接收功率与天线的相对有效数值孔径成比例，与发送天线和接收天线之间的距离的平方成反比。

因此，波长对天线孔径尺寸的影响也间接影响功率。 与以往运用的厘米波或更高的波长频带相比，毫米波的波长短、信号衰减大、接收天线接收的信号功率减小。 接收端的功率减少，显然不行。

在这种情况下，我们不能随便增加电力。 由于国家对天线的功率有限制，因此即使减少发射天线和接收天线之间的距离也不会显示。 本来，人拿起手机就是处于不断移动的状态。 因此，正在考虑增加发送天线和接收天线的数量的应对方法。

大规模的mimo技术就是基于这种想法而诞生的，也有多进多出( multiple-input multiple-output )、多个天线发送、多个天线接收的名字。

其实多输入多输出mimo技术不是新技术，以前流传下来的tdd互联网可以实现双天线、四天线甚至八天线的多输入多输出，但是在5g的大规模mimo理念下，理论上天线数量可以是成百上千个，价格等等。

在大规模的mimo技术中，第一个优点是即使在单个天线的功率较低的情况下也仍然能够得到良好的信号质量。 有很多天线，为了发挥力量，可以通过波束成形技术(后述)的支持将增益叠加在信号上，来满足系统的功率需求，也不需要采用宽动态范围功率放大器带来的硬件价格。

另一个重要特征是增加通信容量。 大型mimo具备波束空之间的复用的特征，完全利用空之间的传输中的多径分量，通过使用多个数据信道[MIMO子信道]在同一频带发送信号，从而实现天线

在大规模mimo系统中，基站的天线数量变多，形成阵列，除了水平方向以外，在垂直方向上也可以进行行波束形成和波束引导，空间的复盖提高，且利用波束成形技术传输的信号被发送到/ [

在大规模mimo技术中，反复提到了波束成形这一技术，可以说该技术是大规模mimo的基础技术。 如上所述，毫米波的波束很窄，而且在全方向发射的情况下，会发生达到数十db的信号衰减损失，传输距离有限。

波束成形技术的第一想法是，用一只手收集离散的波束，不扩散不浪费，形成定向发射。 具体地说，通过调节各个天线的相位来有效地叠加信号，产生更强的信号增益，从而克服损失，将发送能量集中到客户的位置上。

这样，如果有波束成形技术，指向哪里不是很美吗？

不，其实这也有缺点。 那不像向所有方向发射，如果波束的方向偏离客户，客户反而无法接收到优质的无线信号。 面对这样的问题，不仅需要大规模的mimo，还需要与波束管理技术配合应对。

波束管理技术的具体实现方法多而复杂，但简单来说，就是在大规模mimo的众多波束中，通过高速找到基站与目标组之间的发送波束和接收波束，从而大幅提高波束定位的精度。

在此举一个例子，高通去年发售的qtm052毫米波天线模块支持大规模的mimo和波束成形技术。 在该模块中，高通使用多个天线来形成相控天线阵列，天线之间的信号受到相互干扰的影响，可以将信号能量集中在一个方向上发射； 它们不采用全向发射，而是选择定向发射，可以将能量传递得更远，从而提高覆盖面。

在此基础上，高通采用波束制导技术和波束跟踪技术，可以更智能地跟踪传输对象，控制波束的方向。

三、毫米波、应用场景比想象中要广阔

虽然叙述了很多毫米波的特征和将其商用化的技术，但是实际上最终的目的是用两个文字来使用它。

事实上，毫米波未来的应用场景可能会超出想象。 首先，毫米波的特征决定了其主要适用于大带宽、高容量的场景，面向高带宽的embb场景可以用于人口密度大、互联网容量诉求大的热点区域。

首先，毫米波适合部署在音乐会、体育馆等大型会场的人口密集地区，能够带来数千兆位的速度、低延迟和无限容量的体验。 过去，在万人体育场观看公演时，手机信号几乎为零，不再无法上网，能给观众带来独特的个性化体验。

这里有几个需要补充的小编。 因为毫米波的波长很小，所以天线也可以变小。 这样，将来在部署5g毫米波时，在普通的宏基站上一定会部署很多微型基站(小基站)，在城市的街头、室内角落都有可能看到。

这样，毫米波就能更好地在室内场景中引入APP，这是其优势。 可以使用1:1或部分相同的地址，实现几乎相同的wifi上行链路和下行链路覆盖，满足利用更大带宽实现数千兆位中指突发率的诉求。 总之，就是要让互联网体验更高质量。

此外，毫米波还可用于固定无线宽带接入服务，典型的是满足4k、8k电视这样的传输诉求，满足郊区居住区的视频诉求。 一个典型的场景是，在家购买cpe设备导入无线互联网，通过电视网络观看最多8k的超高清视频。 当然，前提是有足够的流量。

未来，毫米波可以在汽车联网行业有非常重要的APP，为互联网汽车通信提供更高的数据传输速度和精度，提高雷达工作的分辨率，实现更准确的驾驶安全辅助。

毫米波也有一个重要的应用行业——军事。 其实毫米波在军事行业已经得到应用，其丰富的频率资源不仅是宽带通信的重要手段，还提供了另一种抗干扰、抗截获的比较有效的方法。 但这几个离我们普通客户很远。

四、毫米波，已经在路上

说了这么多，不是越来越期待毫米波在未来的应用吗？ 还是对未来5g的时代越来越期待？

其实没有必要着急。 从今年开始，最初的5g智能手机将陆续发售。 例如在安卓阵营，他们大部分使用高通量855+高通量x50 5g调制解调器的方案。 如上所述，高吞吐量x50是支持28ghz毫米波段中的数据连接的5g调制解调器芯片组。 也就是说，在毫米波的应用中，高通量已经给出了成熟的可商用的处理方案。 当然，在今年的mwc2019年间，高通还推出了包括新一代毫米波天线模块qtm525在内的、支持更薄、更高效的5g多模移动终端的第二代5g射频前端处理方案。

随着5g商用部署流程的不断推进，5g终端的未来推出，毫米波将稳步服务于我们日常在网络上的诉求，进而，毫米波的超高性能将产生新鲜的终端设备，给我们以往的生活娱乐和工作方法带来翻天覆地的变化 它在骨干连接技术提供商、运营商和终端制造商的协助下，一步步走过来。