浅析5G毫米波频段的发展现状与商用挑战

由于我国5G发展策略是首先做6GHz以下的中频段，所以5G毫米波频段的产业化，速度没有中频段快。按计划，2020年，中国5G开始商用。中国移动对毫米波的商用设定于2022年。今年，由IMT2020（5G）推进组牵头的5G技术试验已经将毫米波纳入试验测试范围，比商用提前五年展开技术试验。曾被认为是中国产业短板的5G毫米波频段，发展现状又如何，商用挑战在哪里？在日前“5G和未来网络技术论坛”上，东南大学毫米波国家重点实验室主任洪伟教授做了深度解析。

5G毫米波核心是多波束阵列

“5G毫米波，目标是实现N乘以10个Gbps的传输速率。”洪伟说，“美国采用了28GHz，我们国家还在征求意见。”

5G毫米波中一个重要的技术是窄波束天线的多波束系统，通过这个系统提高基站侧的通信网络增益，网络的高增益是实现高传输速率的基础。MIMO（多入多出天线阵列）就是一个多波束系统。

洪伟表示，多波束阵有很多种，有纯数字多波束，还有无源多波束，目前很多大的厂家在做相控多波束。“我认为，最终不能用这样的结构，而应用全数字多波束阵。”洪伟说，“相控多波束面临复杂性、成本和功耗都较高的问题，而且会降低毫米波基站的覆盖范围，这个多波束结构可以用来做过渡，但最终肯定要用纯的数字多波束系统。”

毫米波国家重点实验室主任，FuTURE推进委员会5G微波毫米波工作组主席 洪伟

目前通过洪伟的实验，在28GHZ基于64通道的多波束阵，已经能够支持50Gbps的传输速率，频谱利用率超过了100%。洪伟采用的也是混合多波束，但他的混合方案是在水平方向用纯数字多波束，在垂直方向用无源多波束。“这有可能会变成多波束阵的替代或者补充方案。”洪伟说。

但这一解决方案目前还处于实验室阶段，推出的是原理样机。“最终商用的产品，要将实验室中整个系统压缩成一个比较薄的板状，方便集成和安装，同时也可以让功耗、体积、重量和成本大幅度大降。在这个过程中，一要解决多通道毫米波的收发芯片，二要实现天线的集成化。”

终端上如何实现毫米波

毫米波终端如何做？洪伟说，毫米波与光学器件有些类似，例如手机上的摄像头，一定要露出在外面，毫米波也如此，如果用手机壳挡起来信号衰减就明显，除非用低损材料做壳。毫米波在终端上实现需要一个多通道的毫米波芯片，将手机的天线在封装时集成在芯片里，成为一体化模块。“对于手机的设计者来说这就像一个电阻或电容一样的元件，它同时具有一些特定要求，如不能用金属框阻挡。”

在手机上，毫米波应该放在什么位置？洪伟说，我们认为最佳的位置应该是在手机的右上角区域，即使有人把手机横过来看视频、打游戏，这个位置一般也不会被手遮挡。“当然其中要解决一些问题，如天线设计、宽角度的多波束覆盖等。”洪伟说，“这里还有一个关键问题，就是芯片里面要把多个通道的收发信息全部集成进去。”他还建议手机终端企业开放接口定义，或制订统一的接口标准。

洪伟说，这种一体化模块的解决方案看上去很难，但实现多通道的5G毫米波芯片，没有其他路可选，这是必经之路，必须解决的问题。

无论是5G毫米波基站还是终端，要最终实现小型化、低成本、低功耗，必须突破单芯片集成，要实现量产还要做好封装环节。洪伟说，对于基站来说，考虑到功率和散热问题，天线与芯片建议在板级或者系统级集成；对于终端，建议封装集成或板级集成。

目前汽车雷达已经为毫米波芯片做了开路工作，用比较小的芯片实现了多通道，芯片中三个发射机、四个接收机，频段工作在71GHz。“我们以前觉得40GHz以上的毫米波芯片，封装是不能解决的，实际上这个汽车雷达芯片已经走通了，和低频段一样可以大批量规模生产。”洪伟说，“如果芯片能够成功解决好多通道和天线封装的问题，5G毫米波终端就可以实现。”

5G毫米波可用于低空通信

5G毫米波可能的拓展应用空间是低空通信。洪伟说，我国在建设空天地海一体化的卫星通信网，一个办法是把中低轨卫星变成像5G毫米波基站一样，对地用多波束进行覆盖。这种办法会带来一些问题，如基带处理应该放在地面还是卫星，因为多波束会带来非常大的处理量，如果放在地面会带来时延；再如功耗、体积、重量是否要进一步降低，星间的动态跟踪怎么实现等。

5G毫米波基站覆盖距离大约200到300米，从低空角度看，这是一个用频待规范的空间。快速发展的无人机往往飞在这个高度。 对无人机的组网也是5G毫米波可以拓展的应用空间。“如果我们把毫米波多波束的基站放到无人机上，然后对地覆盖，多个无人机就可以组网，可以实现无人机间动态跟踪与毫米波宽带传输。”洪伟说，“无人机上可以搭载高倍摄像机，图像的回传需要大带宽。”

据洪伟介绍，去年成立的5G毫米波工作组确定了几项研究任务：一是5G毫米波应用场景、系统、架构标准；二是5G毫米波信道特性、频谱规划；三是5G毫米波质量方法、性能规范；四是5G毫米波芯片、器件及工艺；五是组织毫米波封装技术。

“目前第二个研究任务——5G毫米波信道特性和频谱规划，已经有初步成果，并发布了第一版白皮书。”洪伟说，“到年底我们希望在包括5G的系统架构、标准、测量、芯片还有封装等方面，能够陆续有白皮书发布，以此推动5G毫米波发展。”