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面向即将到来的5G，各行各业的用户，从企业级的数据中心到捧着手机聊天打游戏刷剧的青少年，都对新通信制式下数据带宽的大幅度提升充满了期许。就目前我们数据通信大带宽的传输介质来讲，光纤电缆首当其冲，一直被行业专家认为是最终的带宽传送介质。 然而，5G时代毫米波技术的应用将有可能改变这一传统观念，特别是当我们考虑经济因素时。毫米波无线技术提供了与光纤相当的带宽传输的潜力，同时避免了部署光纤的成本和后期维护挑战。下面就让我们花些时间，一步步揭开毫米波的神秘面纱。 （图：波段图谱） 1 毫米波的定义及频段 毫米波，波长在1到10毫米之间的电磁波，通常对应于30GHz至300GHz之间的无线电频谱。 然而，在无线通信的背景下，该术语通常对应于38、60以及94GHz附近的几个频带，并且美国联邦通信委员会早在2015年就已经率先规划了28 GHz、37 GHz、39 Ghz 和 64-71 Ghz四个频段为美国5G毫米波推荐频段，其中28GHz频段即将在今年11月正式开启拍卖。这四个频带之所以能脱颖而出，有许多原因。 首先，这四个频带适合长距离通讯，不像60GHz必须承受约20dB/km的氧气吸收损耗，信号损耗较大（大气传播损失通常以每公里传播的分贝（dB）损失来进行定义）。这些频率也能在多路径环境中顺利运作，并且能用于非可视距离(NLoS)通讯。透过高定向天线搭配波束成形与波束追踪功能，毫米波便能提供稳定且高度安全的连结。 2 毫米波发展史 虽然在无线通信领域这个概念相对较新，但毫米波技术的历史可以追溯到19世纪90年代，当时有个叫Bose的帅哥就已经在试验毫米波信号了，就像他同时代的马可尼发明无线电通信一样。在Bose的研究之后，毫米波技术在大约半个世纪的时间里仍然在大学和政府实验室的范围内。 这项技术开始于20世纪60年代在射电天文学中的早期应用，其次是70年代的军事应用。在80年代，毫米波集成电路的发展为大规模制造商业应用的毫米波产品创造了机会。在20世纪90年代，77 GHz汽车防撞雷达的出现标志着消费者首次使用40 GHz以上的毫米波频率。 1995年，美国联邦通信委员会（美国联邦通信委员会）为未经许可的无线通信开放了59至64 GHz的频谱，从而开发了大量用于商业应用的宽带通信和雷达设备。 2003年，FCC授权使用71-76 GHz和81-86 GHz进行许可的点对点通信，为在该频段开发产品和服务的新兴行业创造了肥沃的土壤。 在很长一段历史时期，毫米波一直处于无人问津的状态，一方面是出于没有商业需求，另一方面也是因为相关技术的发展不足，导致相关设备成本过高。 随着移动通信的飞速发展，30GHz之内的频率资源几乎被用完了。各国政府和国际标准化组织已经把所有的“好”频率都分配完毕，但还是存在频率短缺和频率冲突。 5G将至，频谱资源就像市中心的房子一样捉襟见肘，毫米波就像一块新大陆一样，给移动用户和移动运营商提供了“无穷无尽”的频率资源。 与此同时，生产出价廉物美的毫米波频段集成电路元件的技术难题也迅速被攻克。通过一些列新材料的使用以及新的生产工艺，工作于毫米波段的芯片上已经集成了小至几十甚至几纳米的晶体管，大大降低了成本。 3 毫米波的重要优势 首当其冲，毫米波通信技术的关键优势之一是可用的大量频谱带宽。以往，基于sub 6GHz频段的4G LTE蜂窝系统可以使用的最大带宽是100MHz，数据速率不超过1Gbps。而在毫米波频段，移动应用可以使用的最大带宽是400MHz，数据速率高达10Gbps甚至更多。 其次，毫米波波束窄，方向性好，有极高的空间分辨力。大家都知道微波链路投射波束较宽，因此在传播区域内会影响相当的区域，减少了特定地理区域内相同频谱的可重复使用量。对比之下毫米波链路投射非常窄的波束，如下图所示，这一特性使得运营商可以部署紧邻的多个独立链接而不会互相干扰。例如，使用等效天线，70 GHz链路的波束宽度是18 GHz链路的四倍，在指定区域内的E波段毫米波链路密度是微波的16倍。当然，这一特性的优势也体现在毫米波链路的可扩展性上，毫米波非常适用于网络拓扑，例如点对点网格，密集的轮辐和环形。在可以实现这种网络拓扑的全部潜力之前，其他无线技术通常由于交叉干扰而达到其可扩展性限制。 最后，毫米波频段的许可证价格低廉。在美国、欧洲及日韩，与频段拍卖需要大量投资的微波频段不同，毫米波频段许可的获取成本是相当低廉的。回顾4G时期，以英国拍卖的700MHz~800MHz的4G黄金频段为例，运营商中标的价格高达每MHz平均2250万英镑~2750万英镑，相比之下，今年韩国政府给出的5G毫米波频段28GHz拍卖底价仅为每MHz平均24.1万美元，频谱许可证成本的降低可以说是指数级的。 人们常说，频谱使用许可的传统形式对于拥有许可证的人以及那些没有许可证的人来说好似一个围城，对于许可证的所有者而言，它通常代表一项重要的前期投资，收回成本的任务像一座大山一样压在经营者的肩上，在某些情况下许可证与某些特定用途的法律义务相结合，对于那些没有这个许可证的人来说，它是竞争进入这个特定市场难以逾越的障碍。因此，价格低廉的毫米波波段许可方案在一定程度上具有消除这个挑战的显着优点。 根据笔者的观察，由于3GPP决定5G NR继续使用OFDM技术（正交频分复用），因此相比4G而言，5G并没有颠覆性的技术革新，而毫米波差不多就成了5G最大的“新意”。 而5G其它新技术的引入，比如massive MIMO、新的numerology（子载波间隔等）、LDPC/Polar码等等，都与毫米波密切相关，都是为了让OFDM技术能更好地扩展到毫米波段。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。前面提到过的massive MIMO技术也是为毫米波而量身定制。因此，5G 也可以被称为“扩展到毫米波的增强型4G”或者“扩展到毫米波的增强型LTE”。毫米波，5G的新武器！
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