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毫米波系統是5G移動通信系統的重要組成部分，是5G滿足大帶寬需求的重要手段。對毫米波標準化進展和毫米波產業發展現狀進行介紹，對5G毫米波系統發展必要性進行分析，給出5G毫米波典型應用場景。
? 引? 言??
毫米波一般指波長1~10 mm、頻率30~300 GHz的電磁波。在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。毫米波已經成為3GPP 5G移動通信系統的必要組成部分[1-4]
國內6 GHz以下5G系統已經在2019年11月1日全面商用，行業目光開展轉向5G后續演進和5G毫米波系統。毫米波產業鏈在高頻器件性能[5]、波束賦形和波束管理算法[6]、鏈路特性等方面[7]均開展了很多研究。運營商也已經開始從系統應用角度考慮5G毫米波部署和應用問題[8-10]。參考文獻[9]分析了毫米波系統關鍵技術，并提出推動毫米波產業發展的工作建議。參考文獻[10]提出毫米波幾種主要的部署場景，進一步提出了設備和終端的發展要求和網絡部署規劃。
但是從多次行業會議的反饋情況來看，通信產業各方對于毫米波產業路線還不明晰，對于毫米波產業信心不足。究其原因，一是目前的5G剛剛部署，未出現殺手級應用，毫米波部署缺少業務需求的推動。二是對于毫米波通信系統在通信系統中的定位和毫米波系統產業發展方面缺乏系統性的分析，導致行業對毫米波產業規模的預期有分歧。三是目前國內毫米波產業鏈比較薄弱，短期內設備和終端無法滿足部署需求，產業鏈還需要一定的發展時間。
本文首先介紹了毫米波標準化進展和毫米波產業發展現狀，從產業發展和5G系統設計角度分析毫米波系統的必要性，最后在分析毫米波關鍵技術和產業鏈的基礎上，提出毫米波典型的應用場景。
01
5G毫米波標準化和頻譜使用情況
1.1? 5G毫米波標準化情況
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）面向2019年世界無線電通信大會（WRC-19）的1.13議題的主要目標是為5G尋求全球或區域協調一致的毫米波頻段，是全球開展5G毫米波研究的重要依托。近期剛剛結束的ITU WRC-19大會對毫米波頻段提出明確的頻段建議，此次共討論24~86 GHz范圍內11個頻段，會議主要結論如表1所示。
表1 ?1.13議題主要結論
1.1.1 ?24.25-27.5GHz頻段
標識24.25-27.5 GHz可在全球用于IMT系統。同時，為保護現有衛星在用系統，5G系統需滿足下述技術要求。
a) 帶外技術指標。
(a) 面向23.6~24 GHz的EESS（無源）業務頻段范圍，IMT基站向其中任意每200 MHz的帶外非期望發射限值為-33 dBW。在2027年9月后，上述限值將調整至-39 dBW，但此前已部署的基站不受影響。
(b) 面向23.6至24GHz的EESS（無源）業務頻段范圍，IMT移動終端向其中任意每200MHz的帶外非期望發射限值為-29 dBW。在2027年9月后，上述限值將調整至-35 dBW，但此前已使用終端不受影響。
b）帶內技術指標。
(a) 室外基站的發射天線通常指向水平線以下，機械指向需在水平線或以下。
(b)?對于每波束等效同向輻射功率（EIRP）值超過30dB(W/200 MHz)的IMT基站，應使其天線最大輻射方向在IMT基站視距內與對地靜止衛星軌道偏離±7.5度。
(c)鼓勵各主管部門使IMT基站的天線方向圖保持在ITU R M.2101建議書規定的近似包絡范圍內。
1.1.2 ?37~43.5GHz頻段
標識37~43.5GHz頻段或其中的一部分可在全球用于IMT系統。同時，為保護現有衛星在用系統，5G系統需滿足下述技術要求。
a)為保護36~37 GHz頻段內的EESS（無源），工作在37~40.5 GHz頻段內的IMT臺站適用的強制無用發射限值為-43 dB(W/MHz)和-23 dB(W/GHz)。為了實現更好的保護，推薦各主管部門考慮-30 dB(W/GHz)。
b)在42.5~43.5 GHz頻段內部署IMT基站時，應采取實際措施以確保室外基站的發射天線通常指向水平線以下。機械指向需要在水平線或水平線以下。
c)在42.5~43.5 GHz頻段內部署IMT基站時，對于每波束等效同向輻射功率（EIRP）值超過30 dB(W/200 MHz)的IMT基站，應使其天線最大輻射方向在IMT基站視距內與對地靜止衛星軌道偏離±7.5度。
d)鼓勵各主管部門使IMT基站的天線方向圖保持在ITU R M.2101建議書規定的近似包絡范圍內。
1.1.3? 66~71 GHz頻段
標識66~71 GHz頻段在1區、3區和2區部分國家可用于IMT系統。同時，為保護現有衛星在用系統，5G系統需滿足一定的兼容共存技術要求。
1.1.4? 45.5~47 GHz頻段
標識45.5~47 GHz頻段在部分國家可用于IMT系統。同時，為保護現有衛星在用系統，5G系統需滿足一定的兼容共存技術要求。
1.1.5? 47.2~48.2 GHz頻段
標識47.2~48.2 GHz頻段在部分國家可用于IMT系統。
a）在47.2~48.2 GHz頻段內部署IMT基站時，應采取實際措施以確保室外基站的發射天線通常指向水平線以下。機械指向需要在水平線或水平線以下。
b）在47.2~48.2 GHz頻段內部署IMT基站時，對于每波束等效同向輻射功率（EIRP）值超過30 dB(W/200 MHz)的IMT基站，應使其天線最大輻射方向在IMT基站視距內與對地靜止衛星軌道偏離±7.5度。
c）鼓勵各主管部門使IMT基站的天線方向圖保持在ITU R M.2101建議書規定的近似包絡范圍內。
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1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2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，一般包括6 GHz以下和24.25~52.6 GHz，第1階段頻譜分配定義了52.6 GHz以下的毫米波頻譜，如表2所示。
表2 ?3GPP 毫米波頻段
在3GPP中，上述毫米波頻段和3.5 GHz 的NR系統是同步標準化， 2020年初完成R16版本的固化。
1.2? 5G毫米波頻譜分配和使用情況
毫米波部署初期，大多數的國家將注意力都集中在26 GHz和28 GHz這2個頻段上，在這2個頻段上投入的資源也是最多的。美國、韓國、日本等國家已陸續完成5G毫米波頻譜的劃分與拍賣，5G商業部署前景明朗。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[10]
目前我國毫米波頻譜的具體規劃未正式發布。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試驗室以及北京懷柔、順義的5G技術試驗外場。國內IMT-2020（5G)推進組成立高頻討論組，制定毫米波關鍵技術要求、毫米波外場性能測試方法等行業標準，目前已經明確射頻測試規范并開始內外場測試。2019年重點驗證5G毫米波關鍵技術和系統特性；2020年重點驗證毫米波基站和終端的功能、性能和互操作；2020年到2021年開展典型場景驗證。
02
5G毫米波產業鏈情況
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。由于目前國內尚未明確毫米波頻譜規劃，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。高通已經能夠提供商用的毫米波終端芯片X55，該芯片單載波帶寬為100 MHz，尚未支持單載波400 MHz甚至800 MHz。在商用終端方面，OPPO/VIVO/ZTE預計2020年第1季度將推出基于X55芯片的旗艦終端。
高頻器件與芯片是毫米波通信設備的基礎，為滿足更高階調制方式及多用戶通信等需求，高頻功率放大器、低噪聲放大器需要進一步提升輸出功率、功率效率、及線性度等性能；鎖相環系統需要進一步改善其相位噪聲及調諧范圍等性能；濾波器需要提升其帶寬、插入損耗等性能；數模及模數轉換器件需要滿足至少1 GHz的信道帶寬的采樣需求，提高精度并降低功耗；新型的高頻陣列天線需要滿足高增益波束和大范圍空間掃描等方面需求。在高速高精度的數模及模數轉換芯片、高頻功率放大器、低噪聲放大器、濾波器、集成封裝天線等方面，目前國內研發成果和技術原型方面的技術積累并不少，但是成果應用偏向軍工口，在通信行業產業鏈方面存在原型系統與產業化的脫節，適用于民用通信的器件材料工藝成熟度與全球領先企業存在較大差距。
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。目前我國5G毫米波芯片和終端型號較少，覆蓋種類和形態不夠豐富，產業鏈成熟度落后于5G低頻，也落后于美國、歐洲等國際先進水平，是我國5G毫米波發展與應用的阻礙因素。
03
5G毫米波系統需求明確
3.1 ?移動通信系統向毫米波延伸是面對業務需求的必然選擇
移動通信系統為滿足業務對于通信速率需求，一方面需要進一步提升頻譜效率，通過如高階調制、大規模MIMO等方式提升系統業務承載能力。另一方面需要加大系統帶寬，同時通過載波聚合、雙連接等技術持續增強數據業務容量。然而目前6 GHz以下的頻譜資源已經分配殆盡，很難再找到連續的大帶寬頻譜來支撐移動通信的超高數據傳輸速率。
相較于低頻段，毫米波頻段有豐富的帶寬資源，可以實現800 MHz的大帶寬傳輸，為超高速通信業務提供了可能。同時毫米波波長短，元器件尺寸較小，便于設備的集成和小型化。
隨著高容量、高速率、低時延業務發展，通信頻段必然向毫米波方向延伸，目前已經確定5G移動通信的基本架構將采用中低頻段+毫米波頻段相結合的通信方式。
3.2 ?加速推動毫米波產業鏈發展是參與國際競爭的必然要求
移動通信對經濟具有巨大的促進作用，5G乃至6G移動通信技術和產業是國際競爭的重要領域。毫米波系統是5G通信系統的重要組成部分，同時也是6G更高頻移動通信系統的技術準備。從2019年底ITU WRC大會上關于毫米波頻段分配受到產業界、經濟界廣泛關注上就可以看出，毫米波是通信領域競爭的焦點之一。GSMA發布《毫米波頻段內提供5G服務將帶來的社會經濟效益》分析指出：毫米波在亞太和美洲地區建立的早期領先優勢預計將最先創造最大GDP份額，分別達到2 120億美元和1 900億美元；歐洲由毫米波產生的GDP增長率將高于其他任何地區，達到2.9%。
當前國內毫米波產業鏈整體上落后于美國，特別是高頻器件方面的產業化水平明顯落后。經過廣泛調研，目前國內毫米波產業鏈問題主要集中在原型系統和原型芯片與規模生產的脫節，原型系統和原型芯片的試制和測試需要較長的周期和較大投資，需要進行產業政策的扶持。目前國家工信部、科技部等部委均有重大項目和產業政策方面的傾斜，部分經濟發達省份也將毫米波等高頻產業鏈視為重點發展方向予以扶持。國內產、學、研多方機構也已經在該方面紛紛發力，提高國產毫米波器件與芯片的技術能力與產業水平。
3.3? 毫米波系統應用場景逐漸明確
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。經過多次行業會議和研討會討論，業界已經明確毫米波的典型的部署場景。
a）行業專網場景。5G毫米波系統與MEC、AI技術相結合，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。
b）品牌價值區。毫米波在部署初期將與6 GHz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。
c）大帶寬回傳場景。毫米波可以作為無線回傳鏈路，利用高達800 MHz帶寬、10 Gbit/s的系統峰值速率，解決一些場景無法布放光纖或布放光纖代價過高的固定無線寬帶場景，或者毫米波自回傳組網場景。
3.4 ?毫米波系統是運營商服務能力的競爭高地
毫米波技術相對于5G低頻具有帶寬、時延和靈活彈性空口配置等獨特的優勢，可以有效滿足未來無線通信系統容量、傳輸速率和差異化應用等需求，是運營商滿足大帶寬上行業務的必要手段。盡早的開展毫米波方面的研究、試點應用，有利于運營商引導毫米波標準制定和設備研發方向，盡早的做好毫米波網絡和設備方面的準備，進而搶占萬兆大帶寬網絡能力的高地。
04
5G毫米波典型應用場景分析
智慧冬奧場館是毫米波應用的典型場景。在大型場館內的進行室內高低頻混合組網，打造純無線場館，滿足場館內電視臺媒體的4K、8K攝像轉播，滿足實時VR影像、運動員視角影像等多角度實時體驗，滿足公眾自拍直播和場館安保等業務服務。在冬奧會室外場館沿賽道部署毫米波自回傳系統，賽道旁架設的攝像機借助高帶寬和高速率的毫米波回傳視頻信息，能夠避免復雜的布線工作，同時也避免了惡劣環境下線纜的安全隱患。
a)轉播和攝像。冬奧會比賽場館眾多，比賽場地頻繁更換，運動員和觀眾等的人員位置也隨時移動更換。攝像機借助高帶寬和高速率的毫米波進行轉播和攝像，能夠避免重復布線工作，更加靈活快捷。
b)360度全景攝像。冬奧會場館部署360度攝像頭+5G毫米波網絡進行比賽直播，電視觀眾不再只能固定欣賞平臺拍攝的畫面，可以隨意選擇鏡頭和角度，改變觀賽視角。
c)運動員頭戴式AR/VR。為運動員佩戴便捷小巧的可穿戴設備，比如頭戴式AR/VR，可以利用增強現實和虛擬現實技術，以運動員視角，對比賽的精彩過程進行全方位多角度的展示和拆解，輔助疊加以相應的圖像、講解和3D模型等內容，讓競技體育不再單一枯燥，變的更形象，生動和豐富，滿足觀眾多角度、多視覺、身臨其境的觀賽體驗。
d)網紅的自拍和直播。冬奧會場還可能存在很多網紅自拍和直播業務。自拍回傳對網絡上行提出很高的要求，毫米波可以有效的提供目前sub6 GHz系統無法滿足的大帶寬上行需求。
e)場館AI視頻監控和人臉識別。移動機器人、巡檢無人機和移動人臉識別等創新監控技術與傳統方式結合，可以提升冬奧會安防等級。5G毫米波+MEC+AI的園區專網可以把移動端采集的視頻圖像快速上傳并進行邊緣智能識別，實現場館態勢實時分析和人臉快速智能識別，保障場館安全。
05
結束語
本文介紹了毫米波標準化進展情況和毫米波產業發展現狀，從產業發展、競爭需求、應用場景等角度分析毫米波系統的必要性，最后提出以智慧冬奧場館為代表的毫米波應用場景，并對可能的典型業務進行了介紹。
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作者簡介：
張忠皓，教授級高級工程師，北京郵電大學兼職教授，博士，主要從事移動網無線新技術相關課題研究、標準制定、設備驗證和新業務研究工作；
周瑤：高級工程師，碩士，主要研究方向為頻譜研究；
李福昌，教授級高級工程師，國家知識產權局中國專利審查技術專家，博士，主要從事移動通信及固網移動融合等專業的標準制定、測試驗證、課題研究等工作；
馬靜艷，工程師，博士，主要研究方向為太赫茲、毫米波、5G通信等；
高帥，工程師，碩士，主要研究方向為毫米波、MEC、5G通信等。
編輯：黃飛
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工商網監
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