由於我國5G發展策略是首先做6GHz以下的中頻段，所以5G毫米波頻段的產業化，速度沒有中頻段快。按計劃，2020年，中國5G開始商用。中國移動對毫米波的商用設定於2022年。今年，由IMT2020（5G）推進組牽頭的5G技術試驗已經將毫米波納入試驗測試範圍，比商用提前五年展開技術試驗。曾被認為是中國產業短板的5G毫米波頻段，發展現狀又如何，商用挑戰在哪裡？在日前“5G和未來網絡技術論壇”上，東南大學毫米波國家重點實驗室主任洪偉教授做了深度解析。
5G毫米波核心是多波束陣列
“5G毫米波，目標是實現N乘以10個Gbps的傳輸速率。”洪偉說，“美國採用了28GHz，我們國家還在徵求意見。”
5G毫米波中一個重要的技術是窄波束天線的多波束系統，通過這個系統提高基站側的通信網絡增益，網絡的高增益是實現高傳輸速率的基礎。MIMO（多入多出天線陣列）就是一個多波束系統。
洪偉表示，多波束陣有很多種，有純數字多波束，還有無源多波束，目前很多大的廠家在做相控多波束。“我認為，最終不能用這樣的結構，而應用全數字多波束陣。”洪偉說，“相控多波束面臨複雜性、成本和功耗都較高的問題，而且會降低毫米波基站的覆蓋範圍，這個多波束結構可以用來做過渡，但最終肯定要用純的數字多波束系統。”
目前通過洪偉的實驗，在28GHZ基於64通道的多波束陣，已經能夠支持50Gbps的傳輸速率，頻譜利用率超過了100%。洪偉採用的也是混合多波束，但他的混合方案是在水平方向用純數字多波束，在垂直方向用無源多波束。“這有可能會變成多波束陣的替代或者補充方案。”洪偉說。
但這一解決方案目前還處於實驗室階段，推出的是原理樣機。“最終商用的產品，要將實驗室中整個系統壓縮成一個比較薄的板狀，方便集成和安裝，同時也可以讓功耗、體積、重量和成本大幅度大降。在這個過程中，一要解決多通道毫米波的收發芯片，二要實現天線的集成化。”
終端上如何實現毫米波
毫米波波終端如何做？洪偉說，毫米波與光學器件有些類似，例如手機上的攝像頭，一定要露出在外面，毫米波也如此，如果用手機殼擋起來信號衰減就明顯，除非用低損材料做殼。毫米波在終端上實現需要一個多通道的毫米波芯片，將手機的天線在封裝時集成在芯片裡，成為一體化模塊。“對於手機的設計者來說這就像一個電阻或電容一樣的元件，它同時具有一些特定要求，如不能用金屬框阻擋。”
在手機上，毫米波應該放在什麼位置？洪偉說，我們認為最佳的位置應該是在手機的右上角區域，即使有人把手機橫過來看視頻、打遊戲，這個位置一般也不會被手遮擋。“當然其中要解決一些問題，如天線設計、寬角度的多波束覆蓋等。”洪偉說，“這裡還有一個關鍵問題，就是芯片裡面要把多個通道的收發信息全部集成進去。”他還建議手機終端企業開放接口定義，或制訂統一的接口標準。
洪偉說，這種一體化模塊的解決方案看上去很難，但實現多通道的5G毫米波芯片，沒有其他路可選，這是必經之路，必須解決的問題。
無論是5G毫米波基站還是終端，要最終實現小型化、低成本、低功耗，必須突破單芯片集成，要實現量產還要做好封裝環節。洪偉說，對於基站來說，考慮到功率和散熱問題，天線與芯片建議在板級或者系統級集成；對於終端，建議封裝集成或板級集成。
目前汽車雷達已經為毫米波芯片做了開路工作，用比較小的芯片實現了多通道，芯片中三個發射機、四個接收機，頻段工作在71GHz。“我們以前覺得40GHz以上的毫米波芯片，封裝是不能解決的，實際上這個汽車雷達芯片已經走通了，和低頻段一樣可以大批量規模生產。”洪偉說，“如果芯片能夠成功解決好多通道和天線封裝的問題，5G毫米波終端就可以實現。”
5G毫米波可用於低空通信
5G毫米波可能的拓展應用空間是低空通信。洪偉說，我國在建設空天地海一體化的衛星通信網，一個辦法是把中低軌衛星變成像5G毫米波基站一樣，對地用多波束進行覆蓋。這種辦法會帶來一些問題，如基帶處理應該放在地面還是衛星，因為多波束會帶來非常大的處理量，如果放在地面會帶來時延；再如功耗、體積、重量是否要進一步降低，星間的動態跟蹤怎麼實現等。
5G毫米波基站覆蓋距離大約200到300米，從低空角度看，這是一個用頻待規範的空間。快速發展的無人機往往飛在這個高度。 對無人機的組網也是5G毫米波可以拓展的應用空間。“如果我們把毫米波多波束的基站放到無人機上，然後對地覆蓋，多個無人機就可以組網，可以實現無人機間動態跟蹤與毫米波寬帶傳輸。”洪偉說，“無人機上可以搭載高倍攝像機，圖像的回傳需要大帶寬。”
據洪偉介紹，去年成立的5G毫米波工作組確定了幾項研究任務：一是5G毫米波應用場景、系統、架構標準；二是5G毫米波信道特性、頻譜規劃；三是5G毫米波質量方法、性能規範；四是5G毫米波芯片、器件及工藝；五是組織毫米波封裝技術。
“目前第二個研究任務——5G毫米波信道特性和頻譜規劃，已經有初步成果，併發布了第一版白皮書。”洪偉說，“到年底我們希望在包括5G的系統架構、標準、測量、芯片還有封裝等方面，能夠陸續有白皮書發佈，以此推動5G毫米波發展。”
一碼不掃，何以掃天下
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