本文從業務發展需求角度分析5G毫米波部署的必要性，對5G毫米波現階段的頻譜劃分、標準化、產業鏈發展情況進行分析，結合5G毫米波系統特性，給出了5G毫米波應用主要場景和部署方案建議；并從產業發展角度，給出了下一階段5G毫米波設備、終端的發展建議。
引言
毫米波一般是指波長1~10 ms、頻率30~300 GHz的電磁波。相較于低頻段，毫米波頻段有豐富的帶寬資源，并且由于傳播特性和波束賦形方面的特點，毫米波從50年代開始就被用于雷達等軍事方面[1]，隨著毫米波器件工藝材料進步和技術民用化發展，出現了車載毫米波雷達和毫米波成像技術，被廣泛用于交通、醫療、安檢等領域[2] -[4]。
毫米波在移動通信發展初期并不是通信行業的首選，一方面是由于4G之前的移動通信帶寬要求不高，6 GHz以下的窄帶寬已經足夠滿足需求；另一方面由于蜂窩移動通信有規模連續組網的特點，采用傳播距離較短的毫米波部署將需要投入更多的建站成本。
但是近年來快速發展的移動通信業務對通信帶寬的需求急速提升，按照2015年ITU-R WP5D發布報告M.2083（5G愿景）定義的系統需求，5G將支持至少100 Mbit/s~1 Gbit/s的邊緣用戶體驗速率，10Gbit/s0-20 Gbit/s的系統峰值速率。相對于提高頻譜利用率，增加頻譜帶寬以提高系統峰值速率的方法更簡單直接。但是，6 GHz以下頻率資源匱乏，很難找到連續的大帶寬滿足5G系統需求。移動通信行業的目光開始向高頻段轉移，毫米波開始成為移動通信發展的重要研究方向[5] -[10]。
毫米波頻段可以構建高達800 MHz的超大帶寬通信系統，通信速率高達10 Gbit/s，可以滿足ITU對于5G通信系統的要求。第三代合作伙伴計劃（3GPP）在2016年初公布了毫米波信道模型的技術報告TR38.900，明確了毫米波頻段作為5G戶外通信頻段的可行性。目前，毫米波已經作為3GPP 5G移動通信系統的必要組成部分[11][12]。
相對于6 GHz以下頻段，5G毫米波落地應用還有很多問題有待解決和進一步完善[13]，如高頻器件性能[14]、電磁兼容問題[15]、波束賦形和波束管理算法[16] -[18]、鏈路特性等方面[19][20]。另一方面，運營商和行業也開始從系統應用角度考慮5G毫米波部署和應用問題[21]-[23]。但是部署和應用的相關研究還比較分散，尚未形成明確的5G毫米波移動通信系統應用方向和具體的部署方案。
目前國內 6 GHz以下5G系統已經從試驗網向商用轉變，5G毫米波也需要適時開始進行網絡部署規劃，移動通信行業急需運營商明確5G毫米波NR系統未來的整體需求，明確設備、終端的開發計劃。運營商也需要向行業發布明確的信號，推動毫米波產業鏈成熟，為未來部署做好準備。
本文首先從5G毫米波產業發展現狀著手，從頻譜、標準化、產業鏈、部署情況幾個方面對毫米波產業成熟度進行分析。其次，在對當前毫米波設備進行摸底測試基礎上，明確毫米波設備容量和覆蓋能力，從網絡部署角度提出5G毫米波部署場景和部署方案建議；最后，從網絡部署需求角度，對毫米波產業鏈的發展方向提出建議。
5G毫米波產業發展現狀
2.1 5G毫米波頻譜分配情況
頻譜是移動通信產業最為寶貴的資源，任何一代移動通信技術的正式商用，前提都必須獲取一定的頻譜資源。國際電聯（ITU）在2019年世界無線電大會（WRC-19）研究周期內專門設立了TG 5/1工作組，負責1.13議題的研究工作，即為5G系統在毫米波頻段研究確定可使用的頻譜資源，目前TG 5/1工作組已經完成了2019年世界無線電通信大會準備會會議文件（CPM報告）中關于1.13議題的相關內容。這意味著WRC-19將對毫米波頻段提出明確的頻段建議。
當前，美國，韓國，日本等國家已陸續完成5G高頻頻譜的劃分與拍賣，5G商業部署前景明朗，拍賣情況如表1所示。
歐盟在2018年7月已經明確24.25~27.5 GHz頻段用于5G，建議歐盟各成員國在2020年底前在26 GHz 頻段至少保障1 GHz頻譜用于移動/固定通信網絡。此外，歐盟將繼續研究32G（31.8-33.4GHz）和40G（40.5-43.5GHz）等其他高頻段。英國、德國等國家已經確認了5G中高頻待分配或待招標的頻段（見表2）。
從上述5G毫米波頻段的規劃和拍賣中可以看出，毫米波部署初期，大多數國家將注意力都集中在26GHz和28GHz這2個頻段上，在這2個頻段上投入的資源也是最多的。
我國工業和信息化部于2017年7月批復24.75~27.5 GHz和37~42.5 GHz頻段用于我國5G技術研發毫米波實驗頻段，試驗地點為中國信息通信研究院MTNet試驗室以及北京懷柔、順義的5G技術試驗外場。但是目前毫米波頻譜的具體規劃仍未正式發布。
2.2 5G毫米波標準化情況
在3GPP中毫米波頻段的射頻標準討論和制定工作由3GPP RAN4牽頭開展，研究分為2個階段：第一階段研究40 GHz 以下的頻率，以滿足較為緊急的商業需求，于2018 年12月完成。第二階段計劃從2018 年開始，到2019 年12 月完成，該階段專注于最高100 GHz 的頻率，以全面實現IMT-2020 的愿景。
5G頻段具有多樣性，一般稱之為低頻（6 GHz以下）和高頻（24.25~52.6 GHz），第一階段頻譜分配定義了52.6 GHz以下的毫米波頻譜（見表3）。
在3GPP中，上述毫米波頻段和3.5 GHz 的NR系統是同步標準化的，目前已經形成2018.12.30的R15版本。R16版本正在討論中，并將在2019年6月固化。
2.3 5G毫米波產業鏈發展情況
總體上看，毫米波產業鏈還處于初級階段，距離成熟商用還有一段距離。
毫米波基帶部分與5G低頻段設備具有相同成熟度，但是射頻相關的功能和性能較5G低頻段設備有較大差距。毫米波頻段通信面臨的挑戰主要在于高頻核心器件，主要包括功率放大器、低噪聲放大器、鎖相環電路、濾波器、高速高精度數模及模數轉換器、陣列天線等。此外，作為5G高頻段通信系統走向實用化的關鍵步驟，低成本、高可靠性的封裝及測試等技術也至關重要。在測試方面，5G毫米波的射頻測試將難以采用傳統的連線測試，只能采用OTA的測試方法。OTA的測試方法和測試技術雖然在快速發展中，但是目前尚未制定完成。
主設備方面，由于目前北美和日韓已經開始部署毫米波系統，所以廠家設備頻段以北美和日韓頻段為主。設備可以支持基本功能，但是部分功能如波束管理、移動性等有待進一步完善。
芯片和終端的進度總體上落后于設備。
英特爾（Intel）于2017年11月發布了XMM 8060 5G多模基帶芯片，該芯片同時支持6 GHz以下頻段和28 GHz毫米波頻段。高通已經能夠提供商用的毫米波終端芯片X50和X55，天線模組QTM525。
高通公司目前已具備測試終端MTP8510-5G，頻點為N257A 或者N261（28 GHz頻段）。在商用終端方面，OPPO/VIVO/ZTE預計2019年底將推出X55芯片樣機終端，商用終端預計2020年出現。
我國在高性能高頻器件、原型系統驗證等方面還存在較大差距，需要進一步開展創新性研究與開發工作。
5G毫米波系統性能測試情況
3.1 5G毫米波峰值速率測試
5G毫米波的峰值速率與帶寬、幀結構、支持的流數、調制階數等因素有關。
在毫米波外場測試中，在近點進行了毫米波小區峰值容量測試。測試結果如圖所示。其中，系統支持4流，采用幀結構DDDS，即3個連續的下行slot、一個特殊slot（配比為0:2:12）。表4給出了不同帶寬的上下行峰值吞吐量。
從外場測試結果可以看到，5G毫米波系統在800 MHz帶寬情況下，小區下行峰值速率可以達到9.31 Gbit/s，上行峰值速率可以達到1.91 Gbit/s。
3.2 5G毫米波拉遠測試
5G毫米波的覆蓋能力與設備的EIRP、系統靈敏度等因素有關。
在毫米波外場測試中，在LOS徑環境下進行視距道路拉遠，SSB_RSRP和下行吞吐率情況如圖1所示。其中，采用幀結構DDDS，EIRP為58 dBm。
從外場測試結果可以看到，5G毫米波系統在1.1 km距離SSB_RSRP維持在-100dBm以上，速率為200Mbps。
3.3 5G毫米波穿透性能測試
在毫米波外場測試中，對不同遮擋物、不同情況的毫米波穿透損耗進行測試，結果如表5所示。
測試中可以看到，毫米波基本不具備傳統混凝土承重墻的能力。本次外場沒有進行雨雪等惡劣天氣對于毫米波的影響，根據對毫米波雨衰的分析，降雨對毫米波影響很大，毫米波速率有較大下降。通過理論分析和實際測試，毫米波穿透損耗較6 GHz以下頻段更高[20]。
5G毫米波部署場景分析
4.1 5G高低頻混合組網
新一代移動通信的覆蓋部署范圍具有核心城市-主要城市-城市-鄉村逐步覆蓋的規律，在部署初期均是與其他通信系統結合，覆蓋品牌價值區域，或者解決高熱場景的業務需求。5G 通信系統也遵循上述部署規律，部署初期將與LTE系統進行混合組網提供高速率大帶寬服務。
從產業鏈成熟和網絡部署進度角度考慮，國內5G毫米波系統商業部署時間點比6GHz以下頻段5G 系統晚2年左右，屆時5G 6GHz以下頻段系統預計已經完成大部分城市重點區域覆蓋。所以5G毫米波系統部署時，將與6GHz以下頻段的5G系統結合，形成5G系統高低頻混合組網方式，用于重要品牌價值區域的覆蓋，提升品牌價值，或者用于人流密集場所和熱點區域的吸熱，提供進一步的大容量上傳能力。
在具體組網方式方面，5G毫米波系統可以根據需求與5G低頻系統共站址部署或拉遠部署，提供精準覆蓋。需要具備較強的系統間、頻段間的互操作功能和移動性管理功能。根據具體部署場景，需要毫米波宏站、毫米波微站、毫米波微RRU、毫米波分布式微站等多種形態的設備。在終端方面，需要支持3G/4G/5G高低頻的多模多頻終端。
從毫米波傳播特性和覆蓋能力考慮，5G毫米波適合部署在相對空曠無遮擋或少遮擋的室外和室內環境。
典型的部署場景和具體需求如表6所示。
4.2 大帶寬回傳
毫米波頻點較高、波長較短，可以在相同面積實現更多天線陣列布防、波束能量更集中。并且5G毫米波系統可以提供高達800MHz帶寬、10Gbit/s的系統峰值速率，使毫米波可以作為無線回傳鏈路，解決一些場景無法布放光纖或布放光纖代價過高的問題。
在具體組網方式方面，5G毫米波系統采用SA獨立頻點組網，作為其他無線通信系統中的回傳鏈路，采用宏站提供足夠的覆蓋距離，鏈路兩端設備相互精準覆蓋，布放后無需移動，建立鏈路后保持連接狀態。系統需要接入管理功能、需要部分無線資源調度管理功能、無需移動性管理功能，功能實現較高低頻混合組網簡單。
另一種大帶寬回傳方式是毫米波自回傳：一方面基站為終端提供服務，一方面通過站間對打實現無線回傳，這種方式可以作為無法布放光纖回傳時的靈活解決方案。
從毫米波傳播特性和覆蓋能力考慮，需要保證鏈路上無遮擋，并且需要充分考慮惡劣天氣，如雨、雪、霧對毫米波的影響。典型的部署場景和具體需求如表7所示。
4.3 園區專網
5G毫米波系統頻段在采用高低頻混合組網為公眾用戶提供大帶寬服務之外，還可以將頻點單獨規劃，提供面向行業用戶的業務專網服務。
5G毫米波系統具有大帶寬、低時延的特點，如果與MEC相結合，可以更好地釋放MEC技術的特點，同時MEC也可以為毫米波系統疊加豐富多樣的增值服務，為毫米波網絡賦能。在MEC平臺基礎上，引入AI技術，將業務與AI結合，則可以為覆蓋區域提供“大容量高速率+本地化”的智能解決方案，滿足行業客戶低時延、大帶寬、安全隔離的需求。
在具體組網方式方面，5G毫米波系統采用SA獨立頻點組網，對園區提供信號深度覆蓋，系統需要具備較強的移動性管理功能。根據具體部署場景，需要毫米波宏站、毫米波微站、毫米波微RRU、毫米波分布式微站等多種形態的設備。在終端方面，需要根據專網業務需求進行定制，如定制化CPE、功能終端、公網專網混合終端。
專網管理平臺和MEC邊緣計算平臺是園區專網的重要部分，網絡架構和數據流如圖2所示。
從毫米波傳播特性和覆蓋能力考慮，5G毫米波適合部署在相對空曠無遮擋或少遮擋的園區環境。典型的部署場景和具體需求如表8所示。
5G毫米波產業鏈發展建議
5.1 盡快出臺5G毫米波頻譜規劃
頻譜是移動通信產業最根本的生命線，推動5G毫米波產業發展，首先需要國內明確毫米波頻譜規劃和劃分。
在工信部無線電管理局《2019年全國無線電管理工作要點》中明確提出“適時發布5G系統部分毫米波頻段頻率使用規劃，引導5G系統毫米波產業發展”。5G毫米波頻譜規劃有望在2019年出臺。
5.2 5G毫米波設備發展建議
5.2.1 設備形態要求
如毫米波部署場景分析所示，豐富的應用場景要求毫米波設備具有豐富的設備形態（見表9）。
5.2.2 設備演進要求
a.多模多頻演進要求
毫米波設備需要滿足運營商多模多頻組網方式需求，能夠與現網LTE系統、5G低頻段系統進行設備形態上的融合。
對于宏站，要求BBU可以同時支持5G低頻段和毫米波頻段AAU和微AAU，滿足高低頻三扇區組網需求。要求射頻單元提供5G低頻與毫米波系統的硬件融合設計方案，有效降低鐵塔租金。
對于分布式微站，要求系統同時支持5G低頻段和毫米波頻段，BBU和匯聚單元支持5G低頻段和毫米波頻段拉遠RRU單元的接入。提供5G低頻與毫米波頻段拉遠RRU的融合設計方案。
b.靈活部署要求
相對于sub6G設備，毫米波元器件的尺寸更小，單位面積可以部署更多的天線陣子或者毫米設備更容易小型化。設備需要進行優化設計，減小微站和微AAU單元設備體積，進行美化設計便于隱蔽部署，提供多種方式的供電方案和回傳方案。
c.白盒化發展要求
采用開源軟件+通用器件來代替傳統專用設備，利用器件的規模效應攤薄研發成本，降低接入網的綜合成本。白盒化將有利于吸引一大批有創新能力的中小企業進入移動通信產業，使移動通信產業鏈由封閉逐步走向開放，是未來微站的發展趨勢。
5.2.3 主要能力要求
a.帶寬和峰值速率
毫米波設備應支持200MHz、400MHz單載波能力，應支持多載波聚合，總帶寬800MHz的能力。毫米波設備應支持64QAM和256QAM調制方式，系統峰值傳輸速率應達到10Gbps以上。
b.波束賦形
受制于毫米波傳播特性，毫米波收發機需要采用大規模天線陣列來彌補嚴重的空中傳播路徑損失。5G毫米波設備需要充分利用大規模天線陣列和波束賦形技術，提高信號覆蓋能力。
c.波束管理
5G毫米波頻段系統需要具備較好的波束管理算法，包括控制信道和數據業務信道設計、波束選擇、波束反饋、波束指示以及波束恢復等，保證UE在移動過程中的波束選擇與波束跟蹤，保證UE在遮擋情況下的波束切換與波束恢復能力。
5.3 5G毫米波終端發展建議
面對豐富多樣的5G毫米波應用場景，特別是園區專網場景，毫米波終端應根據專網業務需求進行定制，如定制化CPE、功能終端、公網專網混合終端。
5.4 5G毫米波產業鏈合作推動
目前美、日、韓等國已經完成5G毫米波頻譜劃分并開始部署，產業鏈較國內成熟。從國際競爭角度考慮，通信行業應該緊抓中國5G快速發展契機，構建5G毫米波合作平臺，凝聚毫米波產業力量，引領毫米波技術發展，打造毫米波生態體系，推動毫米波產業鏈成熟，加速毫米波網絡部署，探索合作共贏的5G毫米波業務模式，賦能5G網絡，互惠共贏。
在毫米波產業鏈合作方面，應由運營商牽頭，聯合設備廠商、終端廠商、芯片廠商、天線廠商、垂直行業、高校等產業鏈上下游，不斷拓展毫米波應用場景，通過5G毫米波業務試點、規模應用和實際部署，帶動產品、平臺、業務的研發和迭代，形成多樣化的產品和解決方案，增強合作伙伴創新能力和競爭力。
結束語
本文從頻譜、標準化、產業鏈、部署情況幾個方面對毫米波產業成熟度進行分析，指出目前國內毫米波產業發展速度較國外緩慢，有待進一步推動。在對毫米波設備進行多廠家測試摸底的基礎上，明確當前毫米波設備容量和覆蓋能力，并根據毫米波系統特性從網絡部署角度提出了高低頻混合組網、大帶寬回傳和園區專網3種可行的5G毫米波部署場景和具體方案建議。最后站在毫米波產業發展的角度，提出了加速出臺頻譜規劃、加速設備和終端成熟、加快整合產業力量的產業發展建議。