5G 毫米波：突破频率瓶颈，开启高速率、大带宽通信新时代
5G 毫米波：突破频率瓶颈，开启高速率、大带宽通信新时代
5G毫米波技术作为5G通信的关键组成部分，以其大带宽、高速率的特点，正在开启移动通信的新篇章。本文将为您详细介绍毫米波频段的界定、历史发展、技术突破及其在5G中的应用，以及未来通信技术的发展方向。
在当下，5G网络已然成为科技领域的热门话题，深刻地改变着我们的生活与工作模式。而5G技术能够实现如此飞跃，离不开其独特的频率资源布局。依据3GPP 38.101协议，5G NR主要启用FR1和FR2两段关键频率。FR1频段，频率范围在450MHz至6GHz，也就是广为人知的sub 6GHz频段；FR2频段，从24.25GHz延伸至52.6GHz，人们习惯称其为毫米波（mmWave）。不过，对于毫米波的界定，业界存在多种观点。部分人认为毫米波仅涵盖EHF频段，即30GHz至300GHz的电磁波，毕竟此频段内电磁波波长处于1至10毫米。像24.25GHz的电磁波，波长为12.37毫米，既有人称其为毫米波，也有人将其视为厘米波。实际上，毫米波只是一个约定俗成的名称，并没有权威组织给出严格定义，也有人主张频率在20GHz（波长15毫米）至300GHz间的电磁波都可算作毫米波。
回溯往昔，毫米波段长期处于被忽视的境地，宛如一片未开发的蛮荒之地。这主要源于两个关键因素。其一，毫米波在过去被认为实用性欠佳。尽管它具备提供更大带宽和更高数据速率的潜力，但当时的移动应用对如此高规格的性能并无迫切需求。而且，毫米波存在显著缺陷，传播损耗极大，覆盖范围极为有限。其二，毫米波的应用成本过高。制造能在毫米波频段正常工作的亚微米尺寸集成电路元件，始终是一项艰巨挑战。同时，克服传播损耗、扩大覆盖范围需要大量资金投入。
然而，近十几年来，移动通信领域发生了翻天覆地的变化。随着4G蜂窝系统的蓬勃发展以及5G时代的悄然临近，30GHz以内的频率资源逐渐枯竭。各国政府与国际标准化组织虽已完成频率分配，但频率短缺和冲突问题依旧突出。此时，毫米波宛如一座亟待发掘的宝藏，为移动用户和运营商提供了海量的频率资源。将现有的sub 30GHz频段全部填入毫米波段的低端区域后，仍有至少240GHz的空闲频率可供探索。
毫米波带来的大带宽和高速率优势极为显著。基于sub6GHz频段的4G LTE蜂窝系统，最大可用带宽仅为100MHz，数据速率上限为1Gbps。而在毫米波频段，移动应用的最大带宽可拓展至400MHz，数据速率更是能飙升至10Gbps甚至更高。市场需求成为推动技术创新的强大动力，曾经困扰业界的毫米波频段集成电路元件成本难题迅速得到解决。借助SiGe、GaAs、InP、GaN等新型材料以及先进生产工艺，毫米波段芯片成功集成了尺寸小至几十甚至几纳米的晶体管，成本大幅降低。
但目前，我们还无法随意使用20GHz至300GHz之间的所有毫米波。常用的毫米波段被划分为四段：Ka波段（26.5GHz至40GHz）、Q波段（33GHz至50GHz）、V波段（50GHz至70GHz）、W波段（75GHz至110GHz）。3GPP协议38.101 - 2 Table 5.2 - 1为5G NR FR2波段明确了三段频率，即n257（26.5GHz至29.5GHz）、n258（24.25GHz至27.5GHz）和n260（37GHz至40GHz），均采用TDD制式。美国FCC也提出5G NR可使用24 - 25 GHz 、32GHz 、42 GHz 、48 GHz 、51 GHz 、70 GHz 、80 GHz等频段，并建议研究将高于95GHz的频率用于5G。之所以不能随意使用毫米波频率，除了规模化经济效益考量，还因为部分毫米波频率受大气影响，传播损耗严重。大气中的氧气和水蒸气会选择性吸收特定频率的电磁波，例如水蒸气在22GHz和183GHz附近、氧气在60GHz和120GHz附近存在共振吸收现象，因此频率分配时都会避开这些频段。此外，高于95GHz的毫米波由于技术难度较大，暂时未纳入实际应用考虑范围。
毫米波面临的最突出限制之一便是传播距离短。依据物理定律，在发射功率恒定的情况下，波长越短，传播距离越短。在众多实际场景中，毫米波的传播距离往往难以超过10米。按照理想化的自由空间传播损耗公式L = 92.4 + 20log (f) + 20log (R)（其中f为频率，单位GHz；R为距离，单位公里；L为损耗，单位dB）计算，一个70GHz的毫米波传播10米后，损耗高达89.3dB，在非理想传播条件下，损耗更为严重。为应对这一挑战，毫米波系统开发者采取了提高发射功率、提升天线增益、增强接收灵敏度等多种措施来补偿传播损耗。
不过，事物都具有两面性。毫米波传播距离短在某些方面反而转化为优势。例如，它能有效减少信号之间的干扰。毫米波系统配备的高增益天线具有良好的方向性，进一步降低了干扰。这种窄波束天线不仅提高了功率，还扩大了覆盖范围，同时增强了通信安全性，降低了信号被截听的风险。另外，高频率特性使得天线尺寸大幅减小。假设天线尺寸与无线波长保持固定比例，如1/2波长或1/4波长，那么载波频率升高意味着天线尺寸不断缩小。以900M GSM天线为例，其长度约为几十厘米，而毫米波天线可能仅有几毫米。这意味着在相同空间内，可以容纳更多高频段天线，为5G毫米波系统应用massive MIMO技术创造了条件。
当克服了这些限制后，基于毫米波的5G系统展现出强大的应用潜力，能够实现诸多4G无法提供的业务。从高清视频、虚拟现实、增强现实等沉浸式体验，到无线基站回程、短距离雷达探测等关键技术应用，再到密集城区信息服务、体育场/音乐会/购物中心等场所的无线通信服务，以及工厂自动化控制、远程医疗、安全监控、智能交通系统、机场安全检查等众多领域，毫米波段的开发利用为5G应用开辟了广阔的空间。
由于3GPP决定5G NR继续沿用OFDM技术，相较于4G，5G在技术层面并未出现颠覆性革新，毫米波成为5G的核心亮点。5G引入的massive MIMO、新的numerology（子载波间隔等）、LDPC / Polar码等新技术，都与毫米波紧密相连，旨在让OFDM技术更好地适配毫米波段。为契合毫米波的大带宽特性，5G定义了多个子载波间隔，其中60KHz和120KHz的较大子载波间隔专为毫米波设计，massive MIMO技术同样是为毫米波量身打造。因此，5G也可被看作是“扩展到毫米波的增强型4G”或“扩展到毫米波的增强型LTE”。
展望未来，如果毫米波频段也出现拥塞，移动通信系统又该如何开拓新的发展空间呢？当波长小于1毫米时，便进入了光的波段范围（红外波段波长范围为0.76微米至1毫米）。目前，实验室已开发出100GHz以上的晶体管，但这类晶体管在300GHz左右性能大幅下降。在红外线（150THz至430THz）、可见光（430THz至750THz）、紫外线（740GHz以上）频段，激光器件、LED和二极管能够实现光的生成与检测，但它们无法在300GHz至100THz频率范围工作，这一频段目前成为技术盲区。不过，随着科技的不断进步和需求的持续推动，相信新的科技和元器件必将填补这一空白。