毫米波：频段之战

每个用例在设计之初都希望未来无线标准能够应对现有无线标准无法满足的新应用，每个新应用都需要一组不同的新关键性能指标(KPI)。 正如IMT 2020用例所定义，增强型移动宽带(eMBB)的预想峰值数据速率为10 Gb/s，比4G高100倍[3]。 经实践证明，数据速率与可用频谱直接相关，而根据香农定理，容量是带宽（即频谱）和信道噪声的函数[4]。 低于6 GHz的频谱已经分配殆尽，而6 GHz以上频谱（特别是毫米波频率）已经成为一个非常有前景的替代方案，可实现增强型移动宽带用例。

图1：3GPP与IMT 2020所定义的三种高级5G用例

世界各地的服务运营商为了向客户提供良好的服务，已在频谱上花费了数十亿美元。 频谱的拍卖价格突显了其在市场中的价值以及这种宝贵资源的匮乏。 开辟新频谱可以让服务运营商向更多用户提供服务，还能提供更高性能的移动宽带数据传输体验。 与6GHz以下频率相比，毫米波不仅非常充裕，而且只需进行轻授权，因此世界各地的运营商都可以使用毫米波。 硅芯片制造技术的进步已经大幅降低了毫米波设备的价格，使其成为适用于消费类电子设备的可行方案。 但采用毫米波目前也面临着挑战，主要是此频谱还有许多未知内容，没有经过完整研究，还有尚未解决的技术问题。

服务运营商已经开始研究毫米波技术，评估适用于移动应用的理想候选频率。 国际电信联盟(ITU)和3GPP在关于5G标准的2个研究阶段的计划上已经达成了一致。 第一阶段针对40 GHz以下的频率定义了研究周期，旨在满足一部分较为紧迫的商业需求，此阶段于2018年9月结束。 第二阶段规划于2018年开始并于2019年12月结束，旨在符合IMT 2020概括的KPI。 此阶段侧重于100 GHz及以下的频率。
为了在全球范围内实现一致的毫米波频率标准化，ITU在世界无线电通信大会(WRC)之后发布了一个列表，其中提出了24 GHz和86 GHz之间的全球可行频率[5]：

24.25–27.5GHz                                        31.8–33.4GHz

37–40.5GHz                                             40.5–42.5GHz

45.5–50.2GHz                                           50.4–52.6GHz

66–76GHz                                                      81–86GHz

ITU提议后不久，美国联邦通信委员会(FCC)于2015年10月21日发布了“规则制定建议通知”(NPRM)，提出了28 GHz、37 GHz、39 GHz和64-71 GHz频段中的新灵活服务规则[6]。

图2：FCC为移动应用提议的频段[6]

尽管ITU、3GPP等标准机构已将2020年定为对5G标准进行定义的最后期限，但移动运营商正在加速实现5G服务部署。 在美国，Verizon和AT&T计划于2017年推出早期版本的5G。 韩国计划在2018年举办奥运会时推出5G试用版，而日本希望在2020年举办东京奥运会时展示5G技术。 不同的团队在不同的动机推动下，一些频率应运而生，开始作为5G的候选频率：28 GHz、39 GHz和72 GHz。

这3个频段的兴起有多种原因。 首先，由于氧吸收作用，60 GHz具有大约20 dB/km的损耗[7]。这三个频段与此不同，它们具有低得多的氧吸收率（如下图所示），因此对于远距离通信更切实可行。 这些频率在多径环境下也能可靠运行，可用于非视距通信。 通过将波束形成和波束跟踪与高度定向天线结合，毫米波可以提供可靠且非常安全的链路。 纽约大学工程学院的Ted Rappaport博士和他的学生已经开始了28 GHz、38 GHz和73 GHz信道特性和潜在性能的研究。 他们已经发表了多篇关于传播测量的论文以及这些频率的可能服务中断研究。 通过将这些频率的现有数据和研究与世界各地可用的频谱相结合，这3个频率备受瞩目，并逐步开始用于毫米波原型验证。

图3：毫米波频率的大气吸收（单位dB/km）[7]

如上所述，服务提供商迫切需要能够使用广泛的未分配毫米波频谱，他们将是决定在毫米波频谱中使用哪些频率的关键影响因素。 2015年2月，三星进行了自己的信道测量，并且已经能够证明28 GHz是蜂窝通信的可行频率。 他们的测量验证了城市环境的预期路径损耗（在非视距(NLoS)链路中，路径损耗指数为3.53），三星声称其数据表明可以在超过200米的距离外支持毫米波通信[8]。 他们的研究还包括相控阵天线方面的工作。 他们已经开始对设计进行特性分析，将复杂的相控阵安装在手机中。 在日本，NTT Docomo与诺基亚、三星、爱立信、华为和富士通合作，成功地对28 GHz（以及其他频率）进行了现场测试。

2015年9月，Verizon宣布他们将与包括三星在内的主要合作伙伴于2016年在美国进行现场试验。 这比拟定的5G标准制定日期2020年提前了4年，Verizon因此成为了5G市场的早期参与者。 2015年11月，高通使用128个天线在28 GHz频率下进行了试验，展示了密集城市环境中的毫米波技术以及如何使用定向波束形成进行非视距通信。 随着FCC宣布28 GHz频谱可用于移动通信，预计美国会继续进行更深入的实验和现场试验。 Verizon还宣布了从XO Communications租用28 GHz频谱的交易，并考虑在2018年底购买该频率。

但应注意，ITU的全球可行频率列表中并未包含28 GHz频段。 该频段是否为5G毫米波应用的长期频率尚待确定。无论全球标准如何制定，美国、韩国、日本的频谱可用性以及美国服务提供商对早期现场试验的承诺都有可能将28 GHz引入到美国移动技术中。 在标准机构最终确定5G标准之前，韩国希望在2018年奥运会上展示5G技术的愿望也推动了28 GHz在消费产品中的应用。 事实上，虽然该频率未出现在国际移动电信(IMT)频谱列表中，但并未被忽视，反而在一定程度上引起了FCC会员的注意。 Jessica Rosenworcel委员于2016年2月在华盛顿进行的一次演讲中说到：

“在某些领域我们处于领先地位，我认为美国需要独自行动。 这包括28GHz频段……遗憾的是，在去年日内瓦世界无线电大会上，此频段却被搁置。而且5G频谱的研究列表中并未添加该频段。但因为该频段具有全球移动分配，我认为美国应继续探索这一频谱前沿。韩国和日本已经对该频段进行测试。我认为现在我们绝不能退缩。我们需要奋勇前进（靠我们自己），并在年底前为28GHz频段制定好框架。”

Michael O’Rielly委员大费周章，甚至针对FCC写了一整篇博客文章，表达了他对2015年世界无线电大会(WRC)结果的不满：

“这让我不得不思考WRC-15结果的实际作用及其对未来ITU盟角色的影响。 这些做法确实有可能破坏未来WRC的价值，并且会增加以下方面的风险：ITU可能会阻止政府和当前频谱用户在频谱效率和技术方面取得进步[9]”

28 GHz是否会成为广泛采用的5G频率有待观察，但有一点非常明确，该频率在当下至关重要。

最近几年，在围绕28 GHz开展工作的同时，人们已经开始关注将E频带用于移动通信。 借助NYU在73 GHz下进行的信道测量，诺基亚开始研究这一频率。 在NI的2014年度大会NI Week上，诺基亚已经能够使用NI的原型验证硬件展示其首款在73 GHz频率下运行的空口演示。 随着研究的继续，该系统不断发展，不谋而合的公众展示彰显了新的技术成果。 在2015年世界移动通信大会上，该原型验证系统使用透镜天线和波束跟踪，实现了超过2 Gbps的数据吞吐量。 2015年布鲁克林5G峰会上展出了该系统以超过10 Gbps吞吐量运行的MIMO版本，在几个月后的全球移动大会(MWC)上，该原型展示了以超过14 Gbps的吞吐量运行的双向空口链路。

在2016年MWC上展示73 GHz演示的不只是诺基亚。 华为也向德国电信展示了一款以73GHz频率运行的原型。 该演示采用多用户(MU) MIMO机制，展示了高频谱利用率以及可为个人用户提供超过20 Gbps吞吐率的潜力。

针对73 GHz的一些研究已经崭露头角，未来3年预期会有更多研究纷沓而至。 与28 GHz和39 GHz不同的是，73 GHz的定义性特征之一是可用连续带宽。 在73 GHz频率下，有2 GHz的连续带宽可用于移动通信，这是提议的频谱中最宽的带宽。 相比之下，28 GHz提供850 MHz的带宽，39 GHz左右有2个频段，在美国分别提供1.6 GHz和1.4 GHz带宽。 如前文所述，根据香农定理，更大的带宽等同于更大的数据吞吐量，这使得73 GHz具有巨大优势，与所述的其他频率区分开来。

由于目前正在进行的公开研究数量最少，38 GHz仍然有可能成为5G标准的一部分。 ITU将其列为全球可行频率。 现有信道数据证明，这是纽约大学测试的可行频率。 与28 GHz或73 GHz频率相比，该频率的挑战之一是现有用户更多。 FCC提出了具有移动应用潜力的频谱，帮助促进了该频段在美国的未来研究。

Verizon虽然在2016年的初始现场试验中侧重于28 GHz，但已经制定了对39 GHz进行测试的计划。 XO Communications除了对28 GHz拥有许可证外，还对39 GHz拥有大量许可证。 此频谱吸引服务提供商进行了如此大的投资，加上它在IMT列表中的位置，此频率一定是2020年5G标准的有力争夺者。

为了利用毫米波来实现5G网络，研究人员必须开发新的技术、算法和通信协议，因为毫米波信道的基本性质与当前的蜂窝模型截然不同，并且是相对未知的。 建立毫米波原型的重要性不言而喻，尤其是在时间如此紧迫的情况下。 建立毫米波系统原型可通过某种方式展示某个技术或概念的可行性，这是通过仿真无法实现的。毫米波原型可在各种场景下通过无线方式进行实时通信，这揭开了毫米波信道的神秘面纱，为技术的采用和普及提供了可能性。

在创建完整的毫米波通信原型时，通常会面临多种挑战。 假设有一个可处理GHz级信号的基带子系统。 目前多数LTE实现通常都使用10 MHz通道（最高20 MHz），而计算负荷会随着带宽线性增加。 换句话说，运算处理能力必须以100倍甚至更多的倍数增加，才能满足5G数据速率需求。 对于毫米波系统物理层计算来说，FPGA对原型验证至关重要。

构建能够对毫米波应用进行原型验证的自定义硬件是一项令人生畏的任务。 毫米波频率对于通信行业如此具有吸引力，其原因之一是它有大量的连续带宽。 根据所需的频率，寻找具有5G应用所需的1至2 GHz带宽的现成硬件发射器或接收器代价昂贵，甚至难以实现。 即使能够找到这样的硬件，在原始数据完全可用的情况下，其配置和处理这些原始数据的能力也会受到限制。 因此，设计自定义FPGA处理板卡成为了一种富有吸引力的选择。 为FPGA板卡设计硬件所需的工程时间看起来并不多，但如果与开发软件通信接口所需的时间相结合，即使是技能最熟练的工程师在这一设计过程上花费的时间也会轻易达到一年或以上。 而这只是原型验证系统的一个部分。

除了FPGA板卡，毫米波原型验证系统还需要利用先进的数模转换器和模数转换器来捕获1-2 GHz的带宽。 目前市场上的一些射频集成电路(RFIC)包含了可将基带​​和毫米波频率相互转换的芯片，但选择非常有限，而且大部分覆盖60 GHz频段。 IF和RF级可用于替代RFIC。 工程师获得了基带和IF解决方案后，毫米波无线电头端供应商能够提供的选择会比基带RFIC更多，但仍然没有形成规模。 开发毫米波无线电头端需要RF和微波设计专业知识，这与开发FPGA板卡所需的技能完全不同，同时这意味着团队成员需要具备各种不同的技能才能开发所有必要硬件。 工程师必须将FPGA视为毫米波基带原型验证系统的核心元件，而设计出能处理GHz级通道的多FPGA系统使得系统更加复杂。 为了应对服务提供商和通信研究人员面临的系统复杂性与软件挑战，NI提供了一套可配置的毫米波原型验证硬件以及毫米波物理层的源代码，涵盖了毫米波系统基带的基本原理，并且对在多个FPGA之间移动和处理数据的过程进行了抽象处理，从而简化了工作难度。 这些工具的设计初衷是将新原型转变为对5G技术开发至关重要系统和产品。

虽然未来的5G部署情况尚不清楚，但有一点很明确，毫米波技术将会大展拳脚。 我们需要24 GHz以上的大量连续带宽才能满足数据吞吐量要求，研究人员已经能够通过原型验证来展示毫米波技术可以提供超过14 Gbps的数据速率。 尚未解决的最大问题是，为移动通信使用哪个毫米波频段。 在为5G使用的某个频率方面，ITU可以发挥一定的作用。 这降低了开发成本，在如今的手机中只需要使用一组硅芯片（而非多个芯片）即可实现全球覆盖，手机制造商和消费者将会因此而受益良多。 但迁移现有频率成本高昂。 找到全球适用的单一频段是一个令人钦佩的奋斗目标，但最终可能无法实现。 由于时间紧迫，不同地区的服务提供商将会选择忽略ITU的建议并使用现成的频谱，即使并不能在全球范围内扩展。在对于5G开发至关重要的现场测试和试验中，他们还需要对双向通信链路进行准确的原型验证，从而使研究人员能够展示这一新技术，并加快实现标准化。

虽然还有许多未知数，但有一点是明确的：毫米波技术将会得以部署，并且会快速得到部署。 下一代无线通信指日可待，全世界都在观望并等待了解该技术究竟会如何实现。

下一步

详细了解NI毫米波收发仪系统

了解诺基亚如何快速对毫米波系统进行原型验证

[1] CISCO VNI 2016: http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/mobile-white-paper-c11-520862.html

[2] RAN 5G Workshop, Sep 19, 2015   http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1734-ran_5g

[3] IMT 2020 https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/m/R-REC-M.2083-0-201509-I!!PDF-E.pdf

[4] Taub, H., & Schilling, D. L.(1986).Principles of Communication Systems.McGraw-Hill.

[5] Resolution Com6/20, Provisional Final Acts WRC-15.WRC-15 (pp. 424-426).Geneva:ITU. http://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/act/R-ACT-WRC.11-2015-PDF-E.pdf

[6] Use of Spectrum Bands Above 24 GHz for Mobile Radio Services, GN Docket No. 14-177, Notice of Proposed Rulemaking, 15 FCC Record 138A1 (rel.Oct. 23, 2015)

[7] T. S.Rappaport, J. N.Murdock, and F. Gutierrez, ‘‘State of the art in 60 GHz integrated circuits & systems for wireless communications,’’ Proc.IEEE, vol. 99, no. 8, pp. 1390–1436, Aug. 2011.

[8] Samsung “5G Vision”, p. 7, http://www.samsung.com/global/business-images/insights/2015/Samsung-5G-Vision-0.pdf page 7

[9] O’Rielly, M.(2016, January 15). 2015 World Radiocommunication Conference:A Troubling Direction https://www.fcc.gov/news-events/blog/2016/01/15/2015-world-radiocommunication-conference-troubling-direction