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毫米波的勵志故事:不被看好的技術也能成功

2019年3月25日 15:09  CCTIME飛象網  

飛象網訊(魏德齡/文)5G時代在今年即將來臨,在新的網絡環境下,5G新空口毫米波、Sub-6GHz,以及不斷優化的LTE將會實現對人類從生活到工作的全方位覆蓋,其中對于很多人還感覺有些陌生的毫米波來說,將會擔負起對于室內、人流密集區域的覆蓋任務,已經成為了5G時代的“半邊天”。

然而,對于將在未來解決以往網絡中用戶痛點的毫米波來說,曾經卻被懷疑者質疑為是錯誤的選擇,而毫米波的故事正是一部從把不可能變為可能的科學探索史。

 

險被“打入冷宮”的毫米波

曾經有句話說,是金子總會發光,但是如果沒有慧眼識珠的伯樂,金子也很容易在歷史的長河中黯淡無光下去。實際上,毫米波并不是一項陌生的技術,從定義上看,在高頻段范圍內的頻譜即可稱為毫米波。此前,毫米波頻率也在一些應用中得到了使用,最被大家所經常接觸的無疑是應用在802.11ad的WiFi,可以通過60GHz頻譜進行室內高分辨率視頻傳輸。另外,衛星及廣播領域也早已使用。

不過,毫米波卻差一點與移動通信擦肩而過,在2G、3G、4G普遍采用優質頻譜資源的慣性思維下,由于毫米波頻譜傳播距離有限、穿透力不強、衰減快,很難保證手機等移動設備在復雜信道環境下的不間斷的連接需求,所以也就在一開始被很多人把毫米波“移動化”的課題打入了冷宮。

但是,這世界上總有很多科學家勇于挑戰,知難而上。畢竟在6GHz以下頻譜已經被大量占用的情況下,盡管可以通過載波聚合,在同一時間段內傳輸更多的數據,從而實現更高的速率,但這樣的方法難以提供顯著的用戶速度提升。而利用毫米波內的寬頻譜,可以把無線寬帶的傳輸速率進行翻倍,甚至是10倍,兌現5G超高速率的承諾。

高通在1990年便開始對毫米波、MIMO和先進射頻技術開展多年的基礎技術研究工作。其實,毫米波有著不少先天的優勢,毫米波頻段擁有海量帶寬,比目前正在使用3G/4G帶寬多25倍,大帶寬可以實現數千兆級數據速率,還可以支持密集空間重用,解決重點區域承載問題,同時還具備低時延的特性,可以滿足更多領域的需求。對于毫米波的信號短板,研究人員發現,通過改進射頻,利用多天線技術也許就能讓毫米波從不可能變為可能。

 

打破毫米波“移動化”質疑

時間一晃來到2015年,毫米波“移動化”邁出重要一步,高通率先讓質疑者對于毫米波的否定開始失聲。在2015年10月在5G分析師日活動上展示了波束導向支持的非視距毫米波移動性,隨即又在2016年巴塞羅那的MWC上對外演示這一5G毫米波設計。當時,高通的工程師們展示了以28GHz頻段運行的TDD同步系統,構建的毫米波擁有128個天線陣元,16個可控射頻信道,而設備則包含了4 個可選子陣列,每個子陣列擁有4個可控射頻信道。這也為日后毫米波基站商業化提供了參考思路。

利用該系統,高通展示了智能波束成形和波束跟蹤技術,展示在設備移動、射頻信道條件發送變化的情況下仍然保持相對穩定的信噪比。在其他測量中,通過系統測量的視距覆蓋約為350米,而在曼哈頓進行的戶外密集型城市的模擬測量,得到的結果是約150米的非視距覆蓋。 這為后來實現移動設備在移動過程中獲得無縫的毫米波覆蓋奠定了基礎。

隨即,毫米波的落地進程開始全面加速,2015年的演示迅速在2016年10月成為現實,在高通發布的全球首款5G調制解調器驍龍X50中,對毫米波和Sub-6GHz全部提供了支持,同時還配套推出SDR051毫米波射頻收發器。這也預示著毫米波將在5G發展中扮演其重要角色。而也正是因為驍龍X50調制解調器的發布,讓OEM廠商開始有機會來率先優化終端,以應對毫米波的挑戰。

當網絡、終端、傳輸測量等萬事俱備的情況下,毫米波的開始被業界所認可,毫米波也即將迎來自己在移動通信領域的大爆發。

 

毫米波“高速公路”撐起“5G半邊天”

2017年3月,3GPP對外公布了加快5G新空口的eMBB工作計劃,其中表示除了要發展6GHz以下頻譜的相關技術外,也會發展在6GHz以上的頻譜,支持毫米波于2019年實現部署。全球的5G標準已經不再像以前一樣僅面向3GHz以下頻段設計,而是提供一個統一設計,讓3.3到5GHz的中頻段與24GHz以上的毫米波都能得到利用。

這也意味著毫米波正式被人們確定為5G時代的“高速公路”,這條公路避開了原有的已經擁擠不堪、被大量占用的6GHz以下頻段,憑借海量的頻譜帶寬,可以實現10倍于6GHz以下頻段LTE網絡的速率,可謂另辟蹊徑。

同年6月,在工信部無線電管理局公開征集24.75-27.5GHz、37-42.5GHz或其他毫米波頻段5G系統頻率規劃的意見。其中明確表示,頻率規劃對5G系統技術研發和應用起著重要的導向作用,毫米波頻段將為5G系統重要工作頻段。7月,工信部批復4.8-5.0GHz、24.75-27.5 GHz和37-42.5GHz頻段用于我國5G技術研發試驗,試驗地點為中國信通院MTNet試驗室以及北京懷柔、順義的5G技術試驗外場。毫米波這條5G“高速公路”的構建也開始在我國進入試驗階段。

毫米波頻段還在這一年成為5G的先行者,基于驍龍X50 5G調制解調器芯片組實現的全球首個5G數據連接,正是使用了28GHz毫米波頻段,并成功實現了千兆級速率。同時,高通還公布了首款5G智能手機的參考設計,其中便搭載了自行開發的全球毫米波天線。

與此同時,高通的演示結果再次讓外界對戶外毫米波的覆蓋能力吃下了一顆定心丸。在美洲世界移動大會對外演示的舊金山的仿真結果顯示,良好的毫米波覆蓋可以釋放出6GHz以下頻段戶外到室內的容量,通過與現有的LTE密集部署的共站址部署,覆蓋模擬顯示在市區1平方公里的區域內擁有超過80%的覆蓋。即便在基站覆蓋邊緣,也能達到100+Mbps的峰值數率。

2017年,毫米波無疑已經確立起了自己在5G時代“半邊天”的地位。

 

讓毫米波2019如約而至

也正是在2017年,高通表示:“將在2019年實現5G 新空口毫米波在移動網絡和包括智能手機在內的移動設備上的商用。”然而,這樣的設想卻并不是表個態,然后把驍龍X50交給OEM就能實現的。因為毫米波的波長短的缺陷就需要在手機上設計多個天線并形成陣列,讓信號互相影響,從而才能形成波束。但是如果需要各個OEM廠商自己開發和優化各自的天線設計方案,做到不同天線之間的協同工作的話,難度系數十分之高,并且很多手機廠商還不具備實現和優化離散式器件的能力,同時也影響了在其它方面上的創新工作。

為此高通為OEM廠商提供了一種較為簡單的方法,那就是把天線以及射頻前端包括收發器和放大器都整合在一個模組里,把天線預先整合好,提前做好調整工作,形成相互協同。高通來為OEM廠商解決射頻通訊的難題,讓OEM廠商把主要精力放在自身所擅長的5G手機本身的設計和5G應用、用戶體驗的研發上。

于是,全球首款完全集成的毫米波射頻解決方案高通QTM052毫米波天線模塊在2018年7月正式發布,該天線模組尺寸小巧,集成了從收發器到所有射頻前端的器件,還有電源管理IC以及天線本身,支持首批投入商用的毫米波頻段。OEM廠商可以選擇在手機的邊立面上安裝3-4個模組,以配合5G調制解調器芯片。

隨后,在瑞典希斯塔,愛立信與高通又在實驗室中成功利用智能手機大小的移動測試終端完成了首個公開的、符合3GPP R15規范的5G新空口呼叫。高通總裁克里斯蒂安諾·阿蒙當時表示:“實現毫米波的移動化并將其應用于智能手機之上一直被認為是不可能完成的挑戰,但本次演示表明我們正穩步推進,將為消費者帶來突破性的5G毫米波體驗。”

2019年2月份的MWC前后,小米、一加、三星、vivo、OPPO、中興紛紛對外展示了自家的5G手機,這些產品也均采用了驍龍X50調制解調器及射頻模組,從而實現對于目前全球首批上線5G地區的6GHz以下及毫米波頻段的支持,整合模組的解決方案助力5G手機在2019年春季集中爆發。

而高通也沒有停止在毫米波模組上的創新步伐,同樣在此期間發布了X55調制解調器及配套的QTM525毫米波天線模塊。新的模塊更小巧,可以讓5G智能手機的厚度達到8mm以下,達到目前纖薄型4G手機的水平。同時支持的頻段更多,在前代支持的n257 (28GHz)、n260(39GHz)與n261(美國28GHz)頻段的基礎之上,還新增了對n258(26GHz) 頻段的支持。讓5G智能手機可以支持全世界的毫米波頻段。

今年巴展同期,工信部無線電管理局也發布《2019年全國無線電管理工作要點》,在這份明確2019年工作重點的文件中特別強調,將會適時發布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。

也就是說,在2019年隨著5G手機的發布,以及全球運營商試驗網絡及試商用的展開,作為5G“高速公路”的毫米波在產業鏈的推動下已經如約而至。

 

毫米波未來可期

回到文章開頭所談到的,毫米波將會在未來的5G網絡環境中擔負起重要任務。目前,高通就正針對未來的商用場景進行著5G毫米波的室內外測試工作,并通過對于5G毫米波用例的拓展,解決目前網絡環境下的痛點,其中在對于室內、人流密集區域中所產生的改變將十分顯著。

拓展5G新空口毫米波至室內后,與Wi-Fi部署互補,可以為虛擬現實設備提供更好的體驗,利用毫米波本身的高帶寬、低時延特性,可以讓XR設備獲得更流暢、更高清的使用體驗。對于平板電腦、PC也能獲得更好的聯網體驗,例如在一些“吃雞”類游戲中,也能實現真正的公平競爭。

在如體育場、音樂會、大型會議場所等人流密集場館,5G新空口毫米波可以通過數千兆比特速度和無限容量,讓用戶不會再出現網速過慢甚至斷網的問題,場館也能提供獨有的個性化體驗,出現更多在活動中和活動后的全新變現機會。

借助毫米波的覆蓋和性能還可以解決企業、私有網絡的帶寬需求,通過5G毫米波與Wi-Fi的結合,在具有蜂窩級安全性的情況下,還能讓筆記本電腦和平板設備始終連接,提升企業的云化程度,讓云應用、云存儲可以即時接入,還可以將沉浸式內容連接至多個投影儀或顯示屏。

顯然,在3GPP R16標準將在2020年3月出臺之際,隨著5G網絡的越發成熟,用例在eMBB、mMTC、URLLC新場景上的不斷拓展,毫米波基于本身的優勢,以及業界系統級創新的不斷涌現,作為“5G半邊天”的毫米波在未來有著更多用武之地。

編 輯:章芳
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