5G網絡商用的王牌兵器：白話講解毫米波意義何在？

筆者曾在不止一篇的文章中提到，5G網絡將於今年正式進入預商用落地階段。關於5G網絡的好處，對於終端用戶而言，你或許只需要知道它是一種相比4G網絡的網速快出數倍、數十倍的全新網絡，就像把你們家原有的4M入戶寬帶直接更換成千兆光纖一般。唯一不同的是，這次更換的網絡你並不能看到實體的網線。

就在前兩天，筆者的一位友人來電諮詢筆者，5G手機什麼時候出來呀？我今年有沒有必要更換5G的電話卡呀？當然，這些都是一些老掉牙的問題了。正在筆者覺得無聊想要掛掉電話的時候，友人的另一個問題引起了筆者的興致——毫米波究竟是什麼呀？它也是5G網絡嗎？

當友人提到了毫米波時，筆者就感到比較的意外了，因爲筆者的友人並非一個從事電信、媒體等相關行業的人士，他真的只是一個再簡單不過的終端用戶。他都開始聽過毫米波了？但他似乎並不理解什麼是毫米波。於是乎，筆者覺得，應該會有好多的終端用戶與這位友人的情況相同，因此就有了產出這篇文章的動機。

如何理解毫米波？

毫米波，這其實是一個非常學術的概念。由於筆者這篇文章是想要儘可能將它解釋給“友人”去聽，所以，筆者也在反覆考慮究竟應該如何來比喻更爲妥當。

或許我們可以這樣的來理解。筆者日常都生活在帝都，帝都的擁堵是全國人民都知曉的。未來，隨着移動終端設備（可簡單理解爲智能手機）每月消耗的數據量（流量）不斷上升，數據顯示，從2013年到2023年，移動數據流量將實現超過60倍的增長。但是，用來傳輸移動數據流量的數據路徑如果沒有得到很好的升級的話。那就會好比當下的帝都一樣，車輛不斷增多，但道路並未拓寬，直接導致的問題就像週五下班時的北京三環、四環路況一般擁堵不堪。

5G 新空口（5G網絡的全球標準）便是第一代使用毫米波的無線通信系統，而這樣的通信系統，可以利用毫米波提供的更大的帶寬來解決數據路徑擁堵的問題。也就是說，毫米波可被簡單理解爲在現有的擁堵道路上架起一座高架橋，橋上便是更加寬闊的高速公路，從而有效的使得原有堵塞的道路（數據路徑）得以緩解。

根據學術數據顯示，如今，諸如24.25-27.5GHz,27.5-29.5GHz頻段的毫米波，其帶寬可以比當前3G/4G網絡帶寬多25倍。

毫米波的優點在於？

那麼毫米波之所以會成爲5G新空口其中的一種應用形式，自然也是與其多種優點不可分割的。那麼毫米波究竟有哪些優點呢？

優點一：極寬的帶寬

通常認爲毫米波頻率範圍爲26.5～300GHz，帶寬高達273.5GHz。超過從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時只能使用四個主要窗口，但這四個窗口的總帶寬也可達135GHz，爲微波以下各波段帶寬之和的5倍。這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。這種吸引力就像，在紅的發紫的地圖導航上，發現一條綠色捷徑般暢快。

優點二：波束窄

在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個12cm的天線，在9.4GHz時波束寬度爲18度，而94GHz時波速寬度僅1.8度。因此能分辨相距更近的小目標或更爲清晰地觀察目標的細節。來自Qualcomm的馬德嘉博士也表示，毫米波的波束很窄，可以讓信號更精準地傳輸給特定的用戶。這就好像手電筒與激光筆的區別，手電筒可以照亮一整個屋子的人，而激光筆可以具有針對性的準確的指向特定方向。

優點三：探測能力強

可以利用寬帶廣譜能力來抑制多徑效應和雜亂回波。有大量頻率可供使用，有效的消除相互干擾。在目標徑向速度下可以獲得較大的多譜勒頻移，從而提高對低速運動物體或振動物體的探測和識別能力。

這一特性一般會被廣泛應用於軍用雷達等技術領域。

優點四：安全保密好

毫米波通信的這個優點來自兩個方面：

1）由於毫米波在大氣中傳播受氧、水氣和降雨的吸收衰減很大，點對點的直通距離很短，超過這個距離信號就會變得十分微弱，這就增加了敵方進行竊聽和干擾的難度。

2）毫米波的波束很窄，且副瓣低，這又進一步降低了其被截獲的概率。

優點五：傳輸質量高

由於頻段高毫米波通信基本上沒有什麼干擾源，電磁頻譜極爲乾淨，因此，毫米波信道非常穩定可靠，其誤碼率可長時間保持在10-12量級，可與光纜的傳輸質量相媲美。

優點六：全天候通信

毫米波對降雨、沙塵、煙霧和等離子的穿透能力卻要比大氣激光和紅外強得多。這就使得毫米波通信具有較好的全天候通信能力，保證持續可靠工作。

優點七：元件尺寸小

和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統更容易小型化。

如此多的優點，無疑使得毫米波成爲了5G時代的一顆耀眼的明珠。但是，毫米波也並不是那麼的完美無限。

Qualcomm驍龍X55 5G調制解調器

毫米波的缺點是？

凡是有利便有弊，對於毫米波而言，它還是擁有三大天然缺陷的。

缺點一：信號衰耗大

無線信號通過大氣傳播時，由於無線信號的吸收和散射，會產生信號衰減。通常認爲，無線信號頻率越高，傳播損耗越大，覆蓋距離越近。但是，在毫米波這裏有些例外。毫米波在大氣傳播中主要受氧氣、溼度、霧和雨的影響。

1.氧氣

關於氧氣的影響也不是一概而論的，不同毫米波波段受氧氣的影響是不一樣的。

比如，60GHz必須承受約20dB/km的氧氣吸收損耗，而28GHz、38GHz與73GHz情況就好多了，這也正是目前一些運營商將28GHz定爲主要測試對象的原因。

2.溼度

相對於氧氣，溼度對於毫米波的衰減影響較大。在高溫和高溼度環境下，其信號在1公里內可衰減一半（3dB/km）。和溼度同理，毫米波在通過霧和雲層時，也會產生衰減。

3.雨

雨是毫米波最大的敵人。極端情況下，在特大暴雨天氣下（降雨強度爲50毫米/小時），毫米波傳播損耗可達到18.4dB/km。毫米波真正面臨的最大問題是——天氣。雖然暴雨會引起毫米波信號大幅度衰減，但是隻要做好足夠的鏈路預算，並不會導致毫米波數據鏈路中斷。

我們在進行網絡規劃時，可根據不同地區的歷史最大降雨量來預算毫米波無線鏈路損耗，確定毫米波的最大傳輸距離。

缺點二：容易受到阻擋

毫米波除了信號衰耗大外，還有另一大硬傷——阻擋。這硬傷很難克服，毫米波不但容易被建築物阻擋，還會被人體本身阻擋，甚至是在手握手機時，手也能阻擋它。

Qualcomm通過技術解決人手對毫米波的阻擋

缺點三：傳播距離短

這主要是因爲毫米波是一種高頻電磁波，是無法避免的根本缺點。

是否有技術可以解決毫米波的缺陷？

針對三大缺點，目前的工程師早已想出了相應的解決方式，比如針對毫米波傳播距離短、容易受阻擋的問題，工程師們考慮過採用天線陣列進行波束成形，將無線電能量集中起來以增加傳播距離。但這樣的解決方案直接導致天線陣列的體積過大，無法更好的適用於移動終端設備上。這也是導致業界一直不看好將毫米波應用於移動終端通信的原因。

當然，解決的辦法不止這一種。例如Qualcomm便採用尖端的波束成形技術打造了一個解決方案，成功將毫米波應用到移動終端上。例如2018年高通曾推出的QTM052毫米波天線模塊，很好的將天線體積進行了縮小，使其更加方便的應用到移動終端當中。而2019年初，高通再度推出了比QTM052更小的QTM525 5G毫米波天線模塊，使得應用該款天線設計出的移動終端產品基本可以保持機身厚度在8毫米以下。

QTM525 5G毫米波天線模塊

此外，爲了解決毫米波其他的傳播缺點，必須要讓基站更加靠近用戶，也正因爲這樣，業界傳出了很多聲音認爲，毫米波的佈網勢必帶來用戶身邊基站的增加，其實也不盡然。根據高通在2019年MWC上的演示，如今通過技術手段，無論是在室內還是室外場景下采用毫米波進行組網，所用的天線、基站都與Wi-Fi情況下相同甚至更低。根本不存在部署小基站成本過高的問題。

關於用戶擔心的輻射問題，外國專家在研究過程中也確定，用於5G網絡的毫米波均屬於非電離式的，這就意味着，它並沒有足夠的能量來傷害人體，所以用戶大可放心。

毫米波目前有哪些應用場景？

目前，毫米波具體會被應用到哪些場景下呢？經過Qualcomm之類的技術公司的努力，毫米波已經得到了廣泛的應用場景：

場景一：會議中心的網絡覆蓋

相信很多參加過展會的用戶都有這樣的體驗，在參觀大型展會的情況下，現場的網絡覆蓋總是十分的不理想，但毫米波便可很好的解決這一問題。如下圖，面積約爲130萬平方英尺的拉斯維加斯會議中心，現有（X134）LTE/3G DAS安裝在天花板上，通過5G新空口毫米波gNodeB天線與3G/LTE DAS共址，在28GHz頻段下實現了顯著的覆蓋，下行鏈路覆蓋約95% ，MAPL爲115dB；上行鏈路覆蓋約95% ，MAPL爲117dB。