由于我國5G發(fā)展策略是首先做6GHz以下的中頻段，所以5G毫米波頻段的產(chǎn)業(yè)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(shè)定于2022年。今年，由IMT2020（5G）推進(jìn)組牽頭的5G技術(shù)試驗已經(jīng)將毫米波納入試驗測試范圍，比商用提前五年展開技術(shù)試驗。曾被認(rèn)為是中國產(chǎn)業(yè)短板的5G毫米波頻段，發(fā)展現(xiàn)狀又如何，商用挑戰(zhàn)在哪里？在日前“5G和未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)論壇”上，東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)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(biāo)是實(shí)現(xiàn)N乘以10個Gbps的傳輸速率。”洪偉說，“美國采用了28GHz，我們國家還在征求意見。”

5G毫米波中一個重要的技術(shù)是窄波束天線的多波束系統(tǒng)，通過這個系統(tǒng)提高基站側(cè)的通信網(wǎng)絡(luò)增益，網(wǎng)絡(luò)的高增益是實(shí)現(xiàn)高傳輸速率的基礎(chǔ)。MIMO（多入多出天線陣列）就是一個多波束系統(tǒng)。

洪偉表示，多波束陣有很多種，有純數(shù)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(rèn)為，最終不能用這樣的結(jié)構(gòu)，而應(yīng)用全數(shù)字多波束陣。”洪偉說，“相控多波束面臨復(fù)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范圍，這個多波束結(jié)構(gòu)可以用來做過渡，但最終肯定要用純的數(shù)字多波束系統(tǒng)。”

目前通過洪偉的實(shí)驗，在28GHZ基于64通道的多波束陣，已經(jīng)能夠支持50Gbps的傳輸速率，頻譜利用率超過了100%。洪偉采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(shù)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(bǔ)充方案。”洪偉說。

但這一解決方案目前還處于實(shí)驗室階段，推出的是原理樣機(jī)。“最終商用的產(chǎn)品，要將實(shí)驗室中整個系統(tǒng)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(fā)芯片，二要實(shí)現(xiàn)天線的集成化。”

終端上如何實(shí)現(xiàn)毫米波

毫米波波終端如何做？洪偉說，毫米波與光學(xué)器件有些類似，例如手機(jī)上的攝像頭，一定要露出在外面，毫米波也如此，如果用手機(jī)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(shí)現(xiàn)需要一個多通道的毫米波芯片，將手機(jī)的天線在封裝時集成在芯片里，成為一體化模塊。“對于手機(jī)的設(shè)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(jī)上，毫米波應(yīng)該放在什么位置？洪偉說，我們認(rèn)為最佳的位置應(yīng)該是在手機(jī)的右上角區(qū)域，即使有人把手機(jī)橫過來看視頻、打游戲，這個位置一般也不會被手遮擋。“當(dāng)然其中要解決一些問題，如天線設(shè)計、寬角度的多波束覆蓋等。”洪偉說，“這里還有一個關(guān)鍵問題，就是芯片里面要把多個通道的收發(fā)信息全部集成進(jìn)去。”他還建議手機(jī)終端企業(yè)開放接口定義，或制訂統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)。

洪偉說，這種一體化模塊的解決方案看上去很難，但實(shí)現(xiàn)多通道的5G毫米波芯片，沒有其他路可選，這是必經(jīng)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(shí)現(xiàn)小型化、低成本、低功耗，必須突破單芯片集成，要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還要做好封裝環(huán)節(jié)。洪偉說，對于基站來說，考慮到功率和散熱問題，天線與芯片建議在板級或者系統(tǒng)級集成；對于終端，建議封裝集成或板級集成。

目前汽車?yán)走_(dá)已經(jīng)為毫米波芯片做了開路工作，用比較小的芯片實(shí)現(xiàn)了多通道，芯片中三個發(fā)射機(jī)、四個接收機(jī)，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(shí)際上這個汽車?yán)走_(dá)芯片已經(jīng)走通了，和低頻段一樣可以大批量規(guī)模生產(chǎn)。”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(shí)現(xiàn)。”

5G毫米波可用于低空通信

5G毫米波可能的拓展應(yīng)用空間是低空通信。洪偉說，我國在建設(shè)空天地海一體化的衛(wèi)星通信網(wǎng)，一個辦法是把中低軌衛(wèi)星變成像5G毫米波基站一樣，對地用多波束進(jìn)行覆蓋。這種辦法會帶來一些問題，如基帶處理應(yīng)該放在地面還是衛(wèi)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(jìn)一步降低，星間的動態(tài)跟蹤怎么實(shí)現(xiàn)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(guī)范的空間。快速發(fā)展的無人機(jī)往往飛在這個高度。 對無人機(jī)的組網(wǎng)也是5G毫米波可以拓展的應(yīng)用空間。“如果我們把毫米波多波束的基站放到無人機(jī)上，然后對地覆蓋，多個無人機(jī)就可以組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)間動態(tài)跟蹤與毫米波寬帶傳輸。”洪偉說，“無人機(jī)上可以搭載高倍攝像機(jī)，圖像的回傳需要大帶寬。”

據(jù)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(wù)：一是5G毫米波應(yīng)用場景、系統(tǒng)、架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)；二是5G毫米波信道特性、頻譜規(guī)劃；三是5G毫米波質(zhì)量方法、性能規(guī)范；四是5G毫米波芯片、器件及工藝；五是組織毫米波封裝技術(shù)。

“目前第二個研究任務(wù)——5G毫米波信道特性和頻譜規(guī)劃，已經(jīng)有初步成果，并發(fā)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(tǒng)架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、測量、芯片還有封裝等方面，能夠陸續(xù)有白皮書發(fā)布，以此推動5G毫米波發(fā)展。”