科技行者 3月20日 北京消息（文/Miss周）：“移動(dòng)通信要發(fā)展，頻譜資源需先行”，這是通信產(chǎn)業(yè)的共識(shí)，畢竟頻譜資源之于移動(dòng)通信，就像土地之于房地產(chǎn)。

而對(duì)于5G時(shí)代，除了目前中國(guó)正在部署的Sub-6GHz頻段，還有一塊“寶地”，能夠給用戶(hù)帶來(lái)區(qū)別于4G的超高速低時(shí)延的體驗(yàn)，那就是毫米波。毫米波到底有多火，我們可以先簡(jiǎn)單梳理一下各國(guó)關(guān)于“毫米波”的最新動(dòng)向：

去年 11 月，美國(guó)率先釋放并完成了三個(gè)高頻頻譜的拍賣(mài)工作，并宣布集中重點(diǎn)發(fā)展 28GHz 毫米波。韓英德等國(guó)也相繼完成了高頻頻段的頻譜拍賣(mài)，日本也將于今年 3 月分配和美韓波段一樣的高頻段毫米波頻譜。而中國(guó)則在去年確定了高中低頻段聯(lián)合組網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，并完成中頻段頻譜的劃撥，關(guān)于毫米波優(yōu)先研究的規(guī)劃意見(jiàn)也已經(jīng)啟動(dòng)；2019 年 2 月，工信部無(wú)線電管理局發(fā)布《2019年全國(guó)無(wú)線電管理工作要點(diǎn)》，其中特別提到要適時(shí)發(fā)布 5G 系統(tǒng)部分毫米波頻段頻率使用規(guī)劃，引導(dǎo) 5G 系統(tǒng)毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展......

不僅各國(guó)政府如此，企業(yè)也非常重視“毫米波”：芯片巨頭高通不止一次對(duì)外談到“毫米波”的重要性；華為任正非接受央視專(zhuān)訪時(shí)也重點(diǎn)提到“微波”（也就是毫米波）；AT&T、Verizon、Sprint、T-Mobile 等運(yùn)營(yíng)商也開(kāi)始大力購(gòu)買(mǎi)高頻頻譜。

5G 的建設(shè)為什么如此重視“毫米波”？一些評(píng)論者用房地產(chǎn)來(lái)類(lèi)比，高呼“毫米波就是還未開(kāi)發(fā)的 5G 黃金地段”，或“毫米波是5G的‘高速公路’”。

集萬(wàn)眾寵愛(ài)于一身，毫米波究竟是何方神圣又有何厲害之處，我們不妨用一篇文章探秘。

遇見(jiàn)毫米波

要想搞清楚毫米波是什么之前，先要了解無(wú)線電頻譜、頻段、頻率、頻道之間的關(guān)系。

頻譜，你可以理解為記錄無(wú)線電的不同振蕩幅度與不同頻率而繪成的圖，就像樂(lè)譜記錄音樂(lè)旋律一樣；頻段，是指一段連續(xù)的頻率范圍（寬度），由于頻率一般從 0MHZ～300GHZ，因此可以被分成若干個(gè)頻段，可大可小（比如 30MHZ～300MHZ 頻段被稱(chēng)為HF頻段，也就是毫米波頻段）；頻率，就是每秒振蕩的次數(shù)（這個(gè)可以從物理學(xué)角度看，反映振動(dòng)現(xiàn)象最基本的物理量就是頻率）；頻道，可以是兩個(gè)頻率組成的一條通道（就像公路上根據(jù)車(chē)寬劃出的4車(chē)道、6車(chē)道一樣），每條通道是雙向的，一條收信息，一條發(fā)信息，典型的頻道是頻率的組合利用。總而言之，頻率是度量尺度，頻譜是信號(hào)，頻段、頻道是信道媒介（相當(dāng)于“路”）。

圖：無(wú)線電的波段劃分（來(lái)源/百度百科）

而無(wú)線通信，不管是音頻、語(yǔ)音、視頻、還是文件（統(tǒng)稱(chēng)為“信息數(shù)據(jù)”），要想傳播出去，需要把基帶的數(shù)據(jù)調(diào)制到一個(gè)射頻頻段，才能夠發(fā)射出去，這是無(wú)線通信命名的初衷。

因此，我們需要一個(gè)無(wú)線的頻譜，來(lái)把這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)調(diào)制搬到頻譜上，才能夠從天線發(fā)射出去，之后網(wǎng)絡(luò)才能接收到。反之亦然，網(wǎng)絡(luò)能發(fā)射信號(hào)，手機(jī)才能接收信號(hào)。

所謂毫米波（millimeter wave，簡(jiǎn)稱(chēng)“mmWave”），指的是波長(zhǎng)在 1～10 毫米之間的電磁波，剛才也提到了，通常對(duì)應(yīng)于 30GHz～300GHz 之間的無(wú)線電頻譜，大家可以根據(jù)上邊的表格看一下，它是一種頻率比較高的電波。

據(jù)公開(kāi)資料顯示，人類(lèi)對(duì)毫米波技術(shù)的涉足，可以追溯到19世紀(jì)90年代，但毫米波技術(shù)在最初的約半個(gè)世紀(jì)里僅僅活躍在實(shí)驗(yàn)室里；直到20 世紀(jì)60年代，毫米波才在射電天文學(xué)中開(kāi)始早期應(yīng)用；20世紀(jì)70年代，由于毫米波集成電路和毫米波固體器件成功實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，毫米波通訊隨之發(fā)展；20世紀(jì)90年代，互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線電通信、汽車(chē)?yán)走_(dá)等業(yè)務(wù)量的爆發(fā)，推動(dòng)了毫米波民用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

毫米波的優(yōu)勢(shì)非常明顯。相對(duì)于分米波、厘米波，毫米波的頻率更高，而通常電波的頻率越高，支撐的數(shù)據(jù)傳輸速度就更快，就如同人的語(yǔ)速一樣，在同一時(shí)間內(nèi)，語(yǔ)速越快，信息的傳達(dá)就越多；另外，由于天線長(zhǎng)度與波長(zhǎng)成正比，因此毫米波更短的波長(zhǎng)，也讓天線變得更短，可以更好地應(yīng)用于各種場(chǎng)景；

5G，毫米波的“新大陸”

盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，一直以來(lái)，毫米波的應(yīng)用范圍卻主要集中在雷達(dá)、制導(dǎo)、遙感、輻射測(cè)量等軍事領(lǐng)域，沒(méi)有用于民用的移動(dòng)通信。很長(zhǎng)一段時(shí)期以來(lái)，毫米波頻段對(duì)于電信產(chǎn)業(yè)而言，都是“蠻荒之地”。

當(dāng)中有一些是產(chǎn)業(yè)發(fā)展問(wèn)題：其一，在5G時(shí)代以前，毫米波缺乏市場(chǎng)需求，以前的移動(dòng)應(yīng)用并不需要這么大的帶寬和這么高的數(shù)據(jù)速率；其二，毫米波太貴，要克服傳播損耗、提高覆蓋范圍，需要大量的金錢(qián)投入；其三，毫米波因?yàn)轭l譜高、帶寬大、速率高，技術(shù)相對(duì)不夠成熟。

此外，毫米波本身也有一些天然短板：傳輸過(guò)程中信號(hào)損耗大，易受阻擋，覆蓋距離短——這些固有弱點(diǎn)，讓業(yè)界很多人認(rèn)為，毫米波難以支持終端的移動(dòng)化特性。這里要多解釋一下毫米波的傳播損耗和信號(hào)覆蓋的問(wèn)題，要把毫米波運(yùn)用于 5G ，這是核心難點(diǎn)所在，因?yàn)轭l率越高，能量散發(fā)就越快，傳輸就越困難，信號(hào)越容易衰減。對(duì)應(yīng)到移動(dòng)通信來(lái)說(shuō)，就是信號(hào)越差。

我們同樣也可以舉例來(lái)說(shuō)明。大家都知道聲波和光波，這兩種波就分別屬于低頻率波——聲波，和高頻率波——光波。我們?nèi)绻糁欢聣?duì)另外一個(gè)人說(shuō)話，頻率更低的聲波是可以繞過(guò)圍墻讓對(duì)方聽(tīng)到的，但是你卻看不見(jiàn)對(duì)方這個(gè)人，因?yàn)閺膶?duì)方反射的光波被墻擋住了，無(wú)法傳輸過(guò)來(lái)。毫米波的信號(hào)衰減問(wèn)題也與此類(lèi)似。

更雪上加霜的是，毫米波內(nèi)有一部分頻譜，已經(jīng)被諸如衛(wèi)星和其他廣播使用，而余下的包括 28GHz、39GHz、75GHz等在內(nèi)的空閑毫米波頻譜，是毫米波中的更高頻段。

所以之前的2G時(shí)代（GSM、CDMA），3G時(shí)代（CDMA 、WCDMA），到4G時(shí)代（FDD-LTE、TD-LTE），使用的頻譜基本都是 6GHz 以下的——這些是當(dāng)時(shí)最優(yōu)的頻譜：首先它們傳輸性能很好（過(guò)去幾十年里，這些頻譜都是緊著無(wú)線通信先用）；其次它們對(duì)器件的要求也較低。一切都按部就班進(jìn)行著。

但是隨著網(wǎng)絡(luò)終端的增長(zhǎng)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及，低頻段日趨飽和，也就是“土地”不夠用了。眼看之前的頻譜資源就像市中心的房子一樣捉襟見(jiàn)肘，這時(shí)候，毫米波無(wú)疑像一塊具有豐富資源的新大陸吸引著人們的目光，盡管毫米波有這樣那樣的問(wèn)題，但其自身無(wú)法忽視的大帶寬高速率的優(yōu)勢(shì)以及Sub-6頻段資源緊缺的現(xiàn)狀讓毫米波成為了5G時(shí)代的新亮點(diǎn)。

圖：為了移動(dòng)寬帶、低時(shí)延、超大規(guī)模組網(wǎng)三大應(yīng)用場(chǎng)景，5G系統(tǒng)在規(guī)劃之初就確定了“全頻段”，需要從高頻、中頻、低頻統(tǒng)籌規(guī)劃?！緛?lái)源/研究機(jī)構(gòu)Yole Developpement公開(kāi)資料（2017年）】

“開(kāi)辟”毫米波

為了掙脫毫米波固有的“枷鎖”，使其能夠滿足用戶(hù)對(duì)移動(dòng)性和穩(wěn)定傳輸?shù)囊?，許多公司都對(duì)毫米波技術(shù)進(jìn)行了大量的研發(fā)和投入。而作為通信行業(yè)一直以來(lái)的引領(lǐng)者——美國(guó)高通公司就是其中的佼佼者。

對(duì)于不少手機(jī)發(fā)燒友來(lái)說(shuō)，高通驍龍的名字肯定不陌生。這家創(chuàng)立于1985年、總部設(shè)于美國(guó)加州圣迭戈的公司是全球移動(dòng)通信技術(shù)的巨頭之一，中國(guó)著名的手機(jī)公司OPPO、vivo、小米、一加等等都是高通的合作伙伴。

為了破解毫米波在傳輸和覆蓋方面的短板，實(shí)現(xiàn)其在移動(dòng)終端中的應(yīng)用，高通在數(shù)年前就積極投入毫米波技術(shù)的研發(fā)，在持續(xù)不斷的努力下，推出了一套完整的解決方案。通過(guò)小基站、大規(guī)模MIMO和波束成形技術(shù)成功的掃除了實(shí)現(xiàn)毫米波移動(dòng)化的障礙，接下來(lái)我們一樣一樣來(lái)談。

（1）小基站

小基站，顧名思義就是小型基站。在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，小型基站和毫米波可謂優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。一方面，毫米波的5G信號(hào)傳輸不佳，那么布置更多的小型基站，增加網(wǎng)絡(luò)密度可以有效的改善這個(gè)問(wèn)題。因此，5G時(shí)代將會(huì)通過(guò)部署大量小基站的方式，以加強(qiáng)傳統(tǒng)的蜂窩塔，間接彌補(bǔ)了毫米波穿透力差、衰減大的缺陷；另一方面，小基站之所以可以小，也是毫米波的特點(diǎn)所致。由于毫米波的頻率很高，波長(zhǎng)很短，因此其天線尺寸可以做得很小，這是部署小型基站的基礎(chǔ)。

當(dāng)無(wú)數(shù)個(gè)“光源”（小基站）從高空照射下來(lái)，地面自然一片光明，不難預(yù)見(jiàn)，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)將不再依賴(lài)大型基站的布建架構(gòu)，大量的小型基站將成為新趨勢(shì)，以覆蓋大基站無(wú)法觸及的末梢通信。

（2）大規(guī)模 MIMO

小基站解決了網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問(wèn)題，而大規(guī)模MIMO（多輸入多輸出）則解決了毫米波發(fā)射和接收的問(wèn)題。我們手機(jī)的通信頻率越來(lái)越高，波長(zhǎng)越來(lái)越短，天線也越來(lái)越短，到5G時(shí)代已經(jīng)短到不是用“根”來(lái)表述，而是密集的天線陣列。大規(guī)模MIMO就能夠支撐多根天線的發(fā)送和接收，可以將通信信號(hào)成倍的發(fā)射和接收，大幅提高了信號(hào)的傳輸速度，同時(shí)還可以增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度。

（3）波束成形

解決了網(wǎng)絡(luò)覆蓋和發(fā)射接收的問(wèn)題之后，又要怎么改變毫米波難以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)默F(xiàn)狀呢？接下來(lái)就要提到，實(shí)現(xiàn)毫米波移動(dòng)化的第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)——波束成形。目前的基站基本采用全向發(fā)射，這種模式雖然能夠保證最大的輻射范圍，但容易造成耗能大、資源浪費(fèi)等問(wèn)題，所以最好的解決方法就是，讓它聚焦在一個(gè)方向，把發(fā)射出去的毫米波“攏”到一起，這就是波束成形技術(shù)。這種可以實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用的技術(shù)，好比一雙大手，將全向的信號(hào)覆蓋凝聚成一個(gè)精準(zhǔn)指向，且波束之間互不干擾，這就意味著在同一空間提供更多的通信鏈路，服務(wù)更多用戶(hù)。

當(dāng)然，只有波束成形還是不能解決毫米波難以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯?wèn)題。如果只有一個(gè)波束，波束的方向又不變，一旦手機(jī)的位置有變動(dòng)，信號(hào)就無(wú)法傳到基站。因此，波束必須要通過(guò)波束導(dǎo)向技術(shù)不斷調(diào)整，指向傳輸對(duì)象的方向。同時(shí)，手機(jī)持有者的位置不斷移動(dòng)，基站相對(duì)于人的位置也在變，這就需要波束追蹤技術(shù)，時(shí)刻追蹤天線移動(dòng)的位置，并讓波束做出相應(yīng)的調(diào)整，來(lái)保障信號(hào)在收到阻擋的情況下自動(dòng)切換電波，來(lái)保持手機(jī)信號(hào)的連續(xù)使用。

對(duì)創(chuàng)新者來(lái)說(shuō)，問(wèn)題從來(lái)不是問(wèn)題

早在上世紀(jì) 90 年代后期，高通已開(kāi)始對(duì)毫米波、MIMO、射頻等技術(shù)進(jìn)行研究。高通公司總裁克里斯蒂安諾·阿蒙（Cristiano Amon）曾經(jīng)在第三屆驍龍技術(shù)峰會(huì)上，用了很長(zhǎng)一段篇幅，談毫米波之重要，更重要的是，這段話體現(xiàn)了創(chuàng)新者對(duì)于問(wèn)題的態(tài)度，那就是問(wèn)題從來(lái)不是問(wèn)題，只是創(chuàng)新路上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

“2015年，有人說(shuō)毫米波技術(shù)行不通，那時(shí)我們向大家展示了通過(guò)波束控制毫米波是可用的。接著，又有人提出來(lái)說(shuō)（毫米波）雖然可用，但也只能適用于視距情況下，于是高通又通過(guò)一個(gè)大篷車(chē)向大家展示了非視距移動(dòng)毫米波。到了10月份，又有人質(zhì)疑說(shuō)，雖然實(shí)現(xiàn)了毫米波的移動(dòng)化，但是使用環(huán)境有限，毫米波仍然無(wú)法為智能手機(jī)所用，而高通又向大家展示了智能手機(jī)參考設(shè)計(jì)，包含天線模組，能夠滿足智能手機(jī)的大小及其散熱條件；這時(shí)候，質(zhì)疑又出現(xiàn)了，說(shuō)如果要做到這一點(diǎn)，那么手機(jī)的體積將會(huì)很大，而高通又通過(guò)移動(dòng)測(cè)試平臺(tái)MTP向業(yè)界展示，毫米波手機(jī)體積也可以接近正常手機(jī)體積。”這個(gè)過(guò)程對(duì)于高通而言，都意味著機(jī)遇，高通反之也因此變得越來(lái)越強(qiáng)大。

高通不止這樣講，也在身體力行的做?？缭郊夹g(shù)門(mén)檻只是創(chuàng)新的第一步，如果終端用不上，一切都是空談。所以高通在解決了毫米波的自有缺陷以后，又推出了整套的射頻模組，將天線、射頻前端、收發(fā)器和放大器等都整合到一個(gè)模組里面，通過(guò)提前做好這些元器件的調(diào)整工作讓它們相互協(xié)同并將尺寸壓縮來(lái)解決將毫米波運(yùn)用于手機(jī)的問(wèn)題。

2018年7月，高通推出了與其第一代 5G 調(diào)制解調(diào)器驍龍X50配套的毫米波天線模組QTM052；今年2月，高通又推出了與驍龍X55相配套的第二代毫米波天線模組QTM525。與 QTM052 相比，QTM525在多個(gè)方面都實(shí)現(xiàn)了提升：增加了對(duì)更多毫米波頻段的支持，尺寸更?。ㄓ纱?，手機(jī)廠商可以將毫米波手機(jī)的厚度做到 8 毫米以下）等等。

除了城市熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋，高通也在不斷探索將5G毫米波技術(shù)應(yīng)用在更多場(chǎng)景當(dāng)中。在2019MWC期間，高通進(jìn)行了“企業(yè)私有網(wǎng)絡(luò)”和“高密度的場(chǎng)館”兩個(gè)場(chǎng)景的演示，以展示5G NR毫米波用于室內(nèi)覆蓋的優(yōu)勢(shì)。這一系統(tǒng)模擬，是對(duì)室內(nèi)毫米波OTA測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，可以為智能手機(jī)、筆記本電腦和其他聯(lián)網(wǎng)終端帶來(lái)高容量、數(shù)千兆比特傳輸速率和低時(shí)延的連接，展示了真切的室內(nèi)毫米波通信體驗(yàn)。諸如此類(lèi)測(cè)試數(shù)不勝數(shù)，不可否認(rèn)，要想 5G 實(shí)現(xiàn)“改變社會(huì)”的使命，毫米波將會(huì)是非常重要的技術(shù)。

放眼整個(gè)產(chǎn)業(yè)，毫米波已經(jīng)逐漸枝繁葉茂，甚至業(yè)界已經(jīng)在研究頻率更高的 6G 了，困難真的不能阻礙創(chuàng)新者，只會(huì)激發(fā)創(chuàng)新者的動(dòng)力。