5G路上，繞不開的毫米波
- by zenggril
- November 17, 2023
“移動通信要發展，頻譜資源第一”，這是通信行業的共識，畢竟，頻譜資源用於移動通信，作為土地用於房地產。
對於5G時代，除了國內目前正在部署的6GHz以下頻段，還有一塊“寶地”，可以給用戶帶來不同於4G的超高速低時延體驗，那就是毫米波。
不僅政府，企業也非常重視“毫米波”，芯片巨頭高通不止一次談到“毫米波”的重要性，在接受中央電視台采訪時，華為的任正非也強調了“微波”，即毫米，運營商開始收購高頻頻譜。
為什么5G的建設如此重視"毫米波"?有評論者用房地產做類比，高呼“毫米波是未開發的5G黃金地段”或“毫米波是5G的高速公路”。
遇見毫米波
為了理解毫米波是什么，你必須理解無線電波、頻率、頻率和信道之間的關系。
頻譜，你可能認為它是收音機不同振動和頻率的圖表，就像音樂記錄音樂旋律一樣; 頻譜是一個連續的頻率范圍(寬度) ，因為頻率范圍從0兆赫到300兆赫，它可以分為幾個頻帶，大的和小的(例如，30兆赫到300兆赫的頻帶被稱為高頻頻帶，或毫米波頻帶) ;頻率，是每秒振蕩的次數(從物理角度來看，是頻率) ; 它可以是一個雙通道通道(就像一個四車道，六車道的公路基於汽車的寬度) ，每個通道是雙向的，一個接收信息，一個發送信息，典型的通道是頻率的組合。總之，頻率是度量，頻譜是信號，頻率是信道，信道是介質(相當於“道”)。
無線通信，無論是音頻、語音、視頻還是文件(統稱為“信息數據”)，都需要將基帶數據調制到射頻頻段後才能傳輸。這就是無線通信命名的初衷。
因此，我們國家需要進行一個企業無線的頻譜，來把這些信息數據可以經過調制搬到頻譜上，才能夠從天線發射出去，之後通過網絡發展才能接收到。反之亦然，網絡能發射信號，手機市場才能接收信號。
所謂的毫米波，或“毫米波”，是指波長在1至10毫米之間的電磁波。如前所述，它通常相當於30至300千兆赫之間的無線電波，你可以看看上面的表格，它是一個相對較高的無線電波頻率。
公開資料顯示，人類對毫米波技術的介入可以追溯到19世紀90年代，但毫米波技術只在實驗室活躍了前半個世紀。直到20世紀60年代，毫米波才開始用於射電天文學。20世紀70年代，隨著毫米波集成電路和毫米波固體器件的成功量產，毫米波通信得到了發展。20世紀90年代，互聯網、無線電通信、汽車雷達和其他商業服務的爆發推動了毫米波民用技術的出現。
毫米波的優點是顯而易見的。極高頻的頻率高於分米和厘米波，而且通常無線電波的頻率越高，所支持的數據傳輸的速度就越快，就像人類語言的速度一樣，同時語言的速度也越快。此外，由於天線的長度與波長成正比，毫米波的波長越短，天線就越短，可以用於各種場合
5G，毫米波的“新世界”
盡管有這些技術優點，一直發展以來，毫米波的應用研究范圍卻主要通過集中在雷達、制導、遙感、輻射測量等軍事教育領域，沒有一個用於民用的移動網絡通信。很長一段曆史時期以來，毫米波頻段對於我國電信產業企業而言，都是“蠻荒之地”。
其中一些是行業發展問題: 首先，在5g 時代之前，wcn7851對極高頻的需求不足，移動應用程序不需要如此高的帶寬和數據速率; 其次，極高頻太昂貴，無法克服傳輸損耗和提高覆蓋率，需要大量資金; 第三，毫米波技術因為高頻譜、帶寬和高速而相對不成熟。
此外，毫米波本身也有一些天然的缺點:傳輸過程中信號損耗大、容易被遮擋、覆蓋距離短——這些固有的弱點讓很多業內人士認為毫米波難以支撐終端的移動特性。這裏需要多解釋一下毫米波的傳播損耗和信號覆蓋。毫米波應用到5G是核心難點，因為頻率越高，能量發射越快，傳輸越困難，信號越容易衰減。對於移動通信來說，信號越差。
我們也可以舉例說明。我們知道聲波和光波，它們是低頻波——聲波和高頻波——光波。如果我們透過牆壁和另一個人說話，低頻率的聲波可以繞過牆壁讓另一個人聽到，但是你看不到另一個人，因為另一個人反射的光被牆壁擋住了，無法傳播。毫米波信號衰減的問題是類似的。
更雪上加霜的是，毫米波內有一部分頻譜，已經被諸如衛星和其他廣播使用，而餘下的包括 28GHz、39GHz、75GHz等在內的空閑毫米波頻譜，是毫米波中的更高頻段。
所以我們之前的2G時代(GSM、CDMA)，3G時代(CDMA 、WCDMA)，到4G時代(FDD-LTE、TD-LTE)，使用的頻譜分析基本問題都是 6GHz 以下的——這些是當時社會最優的頻譜：首先通過它們進行傳輸系統性能可以很好(過去中國幾十年裏，這些數據頻譜資源都是緊著無線網絡通信需要先用);其次就是它們對器件的要求也較低。一切都按部就班進行著。
但是隨著網絡終端的增長和網絡應用的普及，低頻帶正在趨於飽和，也就是說，“陸地”是不夠的。隨著頻譜稀缺的城市中心的房子，作為一個資源豐富的新大陸，極高頻正在吸引人們的注意力，盡管這樣或那樣的問題，但自己不能忽視的優勢，大帶寬和高速 Sub-6波段資源短缺的現狀，使毫米波5g 時代已成為一個新的亮點。
“開辟”毫米波
為了擺脫毫米波固有的束縛，使其滿足用戶對移動性和穩定傳輸的要求，許多公司對毫米波技術進行了大量的研發和投資。作為通信行業的領導者，高通是其中的佼佼者。
為了突破毫米波短板在傳輸和覆蓋上的局限，實現其在移動終端上的應用，高通公司多年來一直積極從事毫米波技術的研究和開發，推出了一整套解決方案。通過小基站、大規模 MIMO 和波束形成技術成功地消除了實現毫米波移動性的障礙，然後我們將討論同樣的問題。
(1)小基站
小基站，顧名思義就是小基站。在5G 網絡建設中，小基站和毫米波是互補的優勢。一方面，5G 信號傳輸較差，因此基站較小，增加網絡密度可以有效地改善這一問題。因此，5G 時代將通過部署大量小基站來加強傳統蜂窩基站，間接彌補毫米波穿透能力差、衰減大的缺陷; 另一方面，小基站可以小，也是由毫米波的特點造成的。由於毫米波頻率高，波長短，其天線尺寸可以做得很小，這是部署小型基站的基礎。
當無數個“光源”(小基站)從高空照射時間下來，地面以及自然環境一片光明，不難可以預見，未來5G網絡技術將不再依賴一個大型基站的布建架構，大量的小型基站將成為發展新趨勢，以覆蓋大基站之間無法直接觸及的末梢通信。
(2)大規模 MIMO
小型基站解決了網絡覆蓋問題，而大型 MIMO 多輸入多輸出(mIMO)解決了毫米波的傳輸和接收問題。隨著我們的手機變得越來越頻繁，波長越來越短，天線也越來越短，5G 時代已經變得如此短暫，以至於它不再是一個“根”，而是一個密集的天線陣列。大規模的 MIMO 可以支持多天線的傳輸和接收，可以將通信信號的傳輸和接收提高一倍，大大提高了信號的傳輸速度，同時也可以增強信號的強度。
(3)波束成形
解決了網絡進行覆蓋和發射接收的問題分析之後，又要怎么通過改變毫米波難以遠距離傳輸的現狀呢?接下來我們就要提到，實現毫米波移動化的第三個關鍵數據技術——波束成形。目前的基站基本情況采用全向發射，這種教學模式研究雖然企業能夠有效保證自己最大的輻射影響范圍，但容易造成耗能大、資源管理浪費等問題，所以他們最好的解決這些方法主要就是，讓它聚焦在一個重要方向，把發射出去的毫米波“攏”到一起，這就是波束成形技術。這種方式可以得到實現社會空間複用的技術，好比一雙大手，將全向的信號覆蓋凝聚成一個更加精准指向，且波束之間互不幹擾，這就意味著在同一空間環境提供學生更多的通信鏈路，服務需要更多不同用戶。
當然，單純的波束形成並不能解決毫米波的遠距離傳輸問題。如果只有一個波束，波束方向不變，一旦移動電話的位置發生變化，信號就無法傳輸到基站。因此，必須利用光束定向技術對光束進行連續調整，指向傳輸對象的方向。同時，手機座的位置在不斷移動，基站相對於人的位置也在不斷變化。這就需要波束跟蹤技術，它不斷跟蹤天線的位置移動，並讓波束相應調整，以確保信號在自動切換無線電波的情況下被阻塞，保持移動信號的連續使用。
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