5G要用毫米波，需要解决这两个问题

本月早些时候，工信部、中国IMT-2020（5G）推进组确定了三大运营商的5G商用计划，按照计划中国将于2017年展开5G网络第二阶段测试，2018年进行大规模试验组网，到2019年启动5G网络建设，预计最快2020年正式商用。

5G拥有数千兆的传输速度，这是5G最大的特点之一，但高传输速度并非凭空而来。

在昨天发布的《科普 | 千兆级LTE是如何刷新4G网络速度记录的？》一文中，我们提到要达到千兆级的传输速度，必须有载波聚合、高阶调制和高阶MIMO三项技术的支持，而5G所需的很多技术也正是由4G演进而来。

4G LTE-A的一个载波是20MHz，5G的一个载波为100MHz；4G目前的极限是实现四载波聚合，5G可以做到八载波聚合。

不过，5G和4G最明显的区别是，前者不仅支持6GHz以下低频段，还能延伸到26.5～300GHz的毫米波频段。这一变化的意义是显而易见的，4G之前，带宽资源极其稀缺，增加频谱利用率几乎是提高传输速度的唯一选择，而5G利用毫米波则可以直接解决带宽资源有限的后顾之忧。

毫米波这个频段，我们再谈论的就不是几十兆赫兹的带宽，它将会是几百兆、甚至千兆级的带宽。

高通产品市场高级总监沈磊如此表示。

但不可否认的是，毫米波有两个致命短板：氧分子对它的吸收会比低频谱明显，所以毫米波频谱衰减的比较快；另外，该频段穿透障碍物的能力比较差，无法穿过障碍物。之前业界对毫米波的认知就是更适用于短距传输，因此，5G必须克服这一难题。

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频率高利于波束成形：“曲线救国”补偿衰减

无线通信中，频率越高波长越低，天线就可以做成很小的尺寸。举个例子，现在手机中天线的长度还是几厘米，它需要有一个完整的立体空间；如果用毫米波，它的波长是毫米级别，因此单一天线也将是毫米级别，这样可以在手机有限的空间里同时设计多个天线。

多个天线的优势就是可以形成一个天线阵列，每个天线会发出自己的振幅和相位。沈磊表示，如果能有效地控制这些天线，让它发出的每个电磁波的空间互相抵消或者增强，就可以形成一个波束，而不再是全向发射，这种将无线信号（电磁波）按特定方向传播的技术叫做波束成形(beamforming)。

一两个天线是无法形成波束的，但如果单个终端有很多天线（如8个、16个、32个天线），就不需要再全向发射。每个天线的电磁波空间可以叠加成很窄的波束，再把所有能量聚集在上面，对想发射的那个方向进行传输，这就是波束成形。

形成很窄的波束后，有限的能量都集中在一条线上进行传输，因此能量传输速率就可以得到明显提升，补偿快速衰减的频谱特性。例如，军舰上的雷达早就应用到了微波的波束成形，在这种雷达的天线板上面有数百个天线，能量聚集在一点就可以实现高速远距离传输。

另一方面，波束成形意味着收发两点之间只是一条线，每个终端之间信号传输的波束重合和干扰的机会很小，整个系统的功耗、复杂程度都可以降下来。

反之，如果A手机的信号是全向发射的，附近的B手机就可以接收到A的信号，B手机必须要把这个信号滤掉。要过滤掉这些信号，天线和基带的编码复杂程度都要增加，终端就需要容错的编码，如果处理不了，还要重发发射信号，这样下来编码等的复杂程度都需要增加。

数据来源：高通5G毫米波研发测试平台

除此之外，因为终端是有移动性的，这些终端在移动的过程中，基站还要追踪终端不断变化的位置，每秒钟计算终端在什么地方，波束需要不停地调节，使得两个互相通讯点之间、终端和基站之间维持稳定的自适应波束（如上图），沈磊表示，现在的天线技术已经完全可以达到这个效果。

实际上，2G、3G、4G，包括千兆级LTE，所有的天线发射都是全向发射，5G使用毫米波将颠覆这一设计。

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波束成形后可反射：弥补穿透力差的劣势

仅仅解决衰减问题还不足以让毫米波在复杂的移动通信场景中使用，第二个需要解决的就是穿透力差的短板。

遗憾的是，目前还没有有效的方法来直接改善毫米波的穿透力，但业界正在测试的是通过反射和折射来帮助毫米波实现非视距的通信。沈磊指出，根据目前的实验结果来看，波束的反射和折射效果已经超出了业界的预期。例如，当用户在一个障碍物后面，波束依然可以通过室内的墙、玻璃，在户外有其他的建筑物、树木，它仍然可以找到一个好的方向、一个好的波束，经过几次反射折射之后，波束就能把信号传输到目标位置。

当然，虽然通过波束成形技术、利用反射和折射，毫米波可以穿越障碍物，可以拥有很好的非视距传输效果，但这些场景还只是在实验阶段，要实现商用还有很多技术难点要攻克。高通和Facebook等科技企业是5G毫米波的最大支持者，前者在今年10月发布了业界首款X50 5G调制解调器，该产品就是针对3GPP标准出现之前运营商的前期部署推出的，如采用28GHz的毫米波的Verizon的5G TF和Korea Telecom；而Facebook则希望通过Aquila无人机和毫米波来将网络覆盖至偏远地区，不久前他们还对外宣称其毫米波测试实现了13km距离下达到20Gbps的传输速率。

不过，还有不少业内人士认为毫米波并不适用于移动通信的应用场景，其更多的是可能作为低频的一个补充，即毫米波部署在室内环境，而室外通信以低频为主。至于5G最终会是什么样的形态，我们还无法做出准确的预测。

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