話說5G在中國已經(jīng)商用了一年有余，用戶發(fā)展迅猛，越來越多的人都已經(jīng)換上了5G手機和5G套餐。 既如此，我們不禁要問一句：網(wǎng)速如何呀？

一、5G的愿景實現(xiàn)了嗎？

據(jù)中國信通院在2020中的統(tǒng)計結果，三大運營商的5G平均下載速率在500到600Mbps之間，是4G的10倍有余。

看起來還挺不錯呀，5G就是牛！

但別忘了，5G的用戶發(fā)展雖然快，但人數(shù)還是遠小于4G的。一旦越來越多的人跟你搶帶寬的時候，這平均速度可就要降下來了。

再說了，難道5G就僅僅是快一些的4G嗎？

經(jīng)歷過無限希冀的降生，砥礪前行的萌芽，以及血脈賁張的疾速發(fā)展，5G，你是否還記得自己最初的夢想？

在夢想中，你的征途是那萬物互聯(lián)的星辰大海。

在你的愿景中，有極致的移動寬帶，海量機器互聯(lián)，以及超高可靠性低時延通信。敢問，都實現(xiàn)了多少？

峰值20Gbps的極致速率，實現(xiàn)了嗎？ 時延小于1ms的行業(yè)應用，實現(xiàn)了嗎？ 海量機器連接的物聯(lián)網(wǎng)，發(fā)展地如何？ 其實大家心里都很清楚，革命尚未成功，同志仍需努力啊！ 因此，無數(shù)希望的目光，都投向了一片尚待開墾的處女地：毫米波。 這片處女地在1G到4G時代一直是一片蠻荒，豐饒的同時卻也荊棘叢生，正是5G要征服的目標。 惟有毫米波，才能引領5G達成既定的峰值速率，同時，在降低時延方面也是無可替代的存在。

二、5G毫米波的優(yōu)點突出

毫米波的頻譜極度豐饒毫米波，一般指頻率在30GHz到300GHz這段范圍內(nèi)的無線電頻譜，跟傳統(tǒng)的無線頻譜相比，頻率要高得多，因此也叫做高頻。 根據(jù)電磁波的 “ 波長=光速÷頻率 ” 這個公式，該段頻譜的波長在1毫米到10毫米之間，這就是“毫米波”的由來。實際5G所用的毫米波在24GHz到100GHz之間。

下圖是5G毫米波的候選頻段，可以看出，相比于擁擠的Sub6G頻譜（頻率低于6GHz的頻譜，2G/3G/4G/WiFi都在這一段狹窄的范圍內(nèi)），毫米波的頻譜資源簡直是太豐富了！

毫米波的5.5GHz-47GHz、47.2GHz-48.2GHz這兩段，僅可用于部分國家，其余頻段可在全球使用。 相比之下，在Sub6G的兩個主流頻段，3.5GHz和2.6GHz上共有約1GHz的頻譜能給5G用，但還要被衛(wèi)星，雷達啥的占上一大塊，剩下的幾個運營商一分，一家能拿到100M就算土豪了。 而毫米波則完全不同，可分的帶寬極大，每個運營商拿上個800MHz，甚至1GHz的帶寬輕輕松松。頻譜資源多了，就好比路寬了，暢通無阻，網(wǎng)速自然就快了啊！ 按毫米波800M帶寬計算，小區(qū)峰值速率就達到13Gbps了，再加上Sub6G上100M帶寬的7Gbps，總速率就到20Gbps了，5G增強型移動寬帶愿景達成！毫米波可支持超低時延5G采用OFDM技術，把會把載波帶寬劃分成一個個的子載波，同時，在時間上也會分成一個個的時隙，用子載波和時隙這兩個維度一起用來傳數(shù)據(jù)。 子載波寬度和時隙長度成反比，毫米波采用的子載波間隔比Sub6G寬得多，一般為120KHz，因此每個時隙的長度就可以很短，為0.125ms，僅為Sub6G（常用30KHz子載波間隔）的四分之一。

5G是以時隙為單位調(diào)度數(shù)據(jù)的，時隙長度越短，意味著5G在物理層的時延越小。這樣一來，毫米波的時延也就僅為Sub6G的四分之一！

嗯，看起來很厲害的樣子，5G的低時延需求，也可以解決了！ 毫米波更易實現(xiàn)波束賦形一般情況下，天線單元的尺寸為半個波長時，效率最高。因此電磁波的波長越短，所需要的天線單元也就越小。

頻率越高，電磁波的波長越短，所需要的發(fā)射和接收天線單元也就越小 毫米波的特點正是波長短啊！所以天線的尺寸可以很小，在同樣的面積下可以容納更多的天線。 天線一多，密密麻麻地排成一個方陣，就組成了天線陣列。 通過調(diào)整天線陣列上多個天線的權值，就能把信號的能量集中在起來，就像手電筒一樣對準手機精確覆蓋，這就是波束賦形。

頻率越高，天線數(shù)量越多，賦形效果越好 波束賦形能力取決于天線單元的個數(shù)，個數(shù)越多，波束越窄，越能波束集中能量對準用戶，提升覆蓋規(guī)避干擾，賦形效果也就越好。 下圖中的5G毫米波設備含有256個天線單元，每64個為一組，通過波束賦形來生成窄波束，因此該設備一共能提供4個波束來進行高速服務。

真實的5G毫米波設備 目前，主流的毫米波AAU內(nèi)集成的天線單元數(shù)量已經(jīng)達到了512，甚至768個，相信過不了多久，就能塞下1024個天線了。 有了波束賦形的加持，毫米波的一個個窄波束可以集中能量，精確對準并跟蹤用戶移動，帶來更好的用戶體驗并降低干擾。

波束賦形在工作 毫米波可支持高精度定位毫米波有波束賦形的加持，波束窄、方向性好，有極高的空間分辨力，同時由于時延小，可以實現(xiàn)超高精度的定位。 R17版本協(xié)議計劃做到厘米級別的定位，完全可以碾壓GPS，尤其是在室內(nèi)這種衛(wèi)星信號不好的地方。

支持毫米波的5G NR增強特性（圖片來自高通）

三、5G毫米波的致命缺點

欲戴皇冠，必承其重。毫米波有這么多的優(yōu)點，缺點只有一個，但卻是致命的。 那就是，覆蓋差啊！ 可謂天命難違，毫米波頻率高，損耗快，繞射，穿透能力差，覆蓋也就差上加差。 到底有多差呢？下面幾種典型的傳播損耗，可謂刀刀見血，把毫米波虐地泣不成聲。路徑損耗：信號能量在自由空間的擴散，信號必定是越遠越弱，能量損耗和頻率的平方成反比。舉例來說，也就是頻率增大3倍，損耗就會增加9倍！

頻率越高，自由空間損耗越大繞射損耗：電磁波傳播過程中由障礙物引起的附加傳播損耗。頻率越高，繞射能力越差，繞射損耗越高。

頻率越高，繞射損耗越大穿透損耗：電磁波傳播過程中，穿透建筑，花草樹木等障礙物產(chǎn)生的損耗。頻率越高，穿透能力越差，穿透損耗越高。

頻率越高，穿透損耗越大（穿透樹木）

頻率越高，穿透損耗越大（穿透建筑）雨衰損耗：電磁波信號因大氣中的雨、雪、冰的吸收，散射等現(xiàn)象導致信號減弱的現(xiàn)象。通常頻率越高，衰減越大。

5G毫米波受天氣的影響非常嚴重 信號在空間中的傳播是上述幾種衰減方式的總和。如果用低頻2.6GHz和高頻28GHz進行對比，在信號傳播路徑相同的情況下，經(jīng)歷的衰減如下圖所示。

5G毫米波經(jīng)歷的層層損耗 毫米波28GHz由于頻率高，每一步經(jīng)歷的衰減都要比2.6GHz多得多： ①自由空間損耗：多20dB； ②繞射損耗：多10dB； ③樹木穿透損耗：多8dB； ④房屋穿透損耗：多14dB； ⑤室內(nèi)傳播損耗：多5dB。 把這些值加起來，可以得出：同樣的發(fā)射功率，經(jīng)歷同樣的傳播路徑，最終用戶收到28GHz的信號是2.6GHz信號強度的百萬分之一！

毫米波的覆蓋這么差，看來這片看似豐饒的處女地確實不是那么好開發(fā)。 幾乎可任何東西都可以擋住毫米波信號，電話亭、一棵樹、玻璃、雨傘、甚至是...空氣，只要基站和手機之間有遮擋，可能轉個身，網(wǎng)絡會立刻回落到4G。

毫米波被樹木遮擋（圖源：LuxCarta） 甚至旁邊走來個人，就可以讓5G毫米波的信號徹底墜入谷底。

“胖砸，你擋住我的信號啦！” 但是，毫米波大帶寬高速率低時延的誘惑實在是太強烈了，簡直是無法抗拒。 因此，有條件要上，沒有條件創(chuàng)造條件也要上！

四、5G毫米波如何應用？

毫米波有哪些應用場景？尺有所短，寸有所長。要用好毫米波，首先必須要擺正心態(tài)，把它用在對覆蓋要求不是那么高，但是對帶寬和時延的要求極高的場景。 毫米波的超大容量，自然最適合用在人頭攢動的體育場，火車站，或者密集商務區(qū)，大型集會現(xiàn)場這樣的流量爆點了。

另外，作為有線光纖的補充，毫米波的大容量還可以用作固定接入（也叫FWA，固移融合）。 其實就是將5G信號通過毫米波傳送給用戶家庭CPE設備，然后轉換為Wi-Fi或有線信號，讓用戶實現(xiàn)寬帶上網(wǎng)。

由于我國的光纖基礎設施比較完善，所以寬帶接入基本以光纖為主。但是國外很多國家并沒有如此豐富的光纖資源，光纖敷設成本也很高，就會考慮CPE等無線寬帶接入方式。 下來就是5G心心念念的行業(yè)應用了。 5G毫米波的大帶寬，低時延，再和邊緣計算、人工智能等技術結合，可以為像園區(qū)、廠區(qū)、碼頭、港口等覆蓋區(qū)域提供各種定制化的企業(yè)級服務。

這就是大家耳熟能詳?shù)闹腔蹐@區(qū)、智慧工廠、智慧醫(yī)院、智慧學校、智慧碼頭等應用。 比如，典型的工業(yè)機器人要求 1 毫秒時延和 99.9999% 的連接可用率；工業(yè)手持設備和監(jiān)控攝像頭等則不僅要求能夠支持更高的清晰度和幀率，連接設備密度非常大。因此在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下，5G毫米波不可或缺。

然后，在毫米波的正確使用場景上，再考慮怎樣盡最大可能去增強覆蓋。

毫米波怎樣增強覆蓋？還記得前面介紹過的波束賦形嗎？

有了波束賦形，相當于燈泡變手電筒，發(fā)射能量集中了，自然覆蓋也就遠了。 再加上波束搜索、波束跟蹤以及波束切換等技術，即使手機在部分方向的直射信號的被遮擋了，也能迅速捕捉到反射路徑，形成新波束并動態(tài)地切換。 這樣一來，毫米波就跳出了只能視距傳播的桎梏，覆蓋再次增強！ 你以為這就完了？下面還有更炫酷的。 R16協(xié)議引入的集成接入及回傳（Integrated Access Backhaul，IAB）技術，可以讓毫米波既做接入，也做回傳，不需要拉光纖，一串基站就能自我級聯(lián)，覆蓋擴展。

圖中的Access就是接入，Backhual就是回傳 最后，由于毫米波的波長小，天線也就小，內(nèi)部其他元器件再緊湊設計一下，5G毫米波基站的體積可以非常小，非常適用于靈活部署，夾縫生存。 由于方便隱藏，因此多來一些小基站也是非常方便的，這也是增強覆蓋和容量的重要途徑。

五、5G毫米波的現(xiàn)狀和未來

由于毫米波大帶寬低時延的優(yōu)點實在太過突出，也有技術能彌補致命的覆蓋問題，應用場景還很廣泛，自然成了5G下一階段的焦點。 截止2020年底，全球已有43個國家的132個運營商都在投資毫米波。美國，日本，韓國等地方是毫米波商用的急先鋒，歐洲的頻譜拍賣也是如火如荼。

來源：GSA 5G毫米波生態(tài)報告（2020年11月） 同時，也已經(jīng)有近100款終端宣稱支持毫米波，其中46款已經(jīng)商用。毫米波從網(wǎng)絡到終端的生態(tài)鏈都已趨于成熟。

來源：GSA 5G毫米波生態(tài)報告（2020年11月） 中國也早在2017年就開始了毫米波的技術研究和實驗。 2020年，工信部明確提出：將結合國家頻率規(guī)劃進度安排，組織開展毫米波設備和性能測試，為 5G 毫米波技術商用做好儲備，適時發(fā)布部分 5G 毫米波頻段頻率使用規(guī)劃。 因此，近兩年毫米波在中國商用落地也基本是板上釘釘。 目前最讓人期待的，莫過于2022年冬奧會的5G毫米波應用了。 冬奧會作為大型賽事，必然面臨大量的上行流量需求，比如超高清視頻的直播，以及現(xiàn)場大量攝像機360°視頻實時回傳，視頻監(jiān)控與安保等等。 同時，現(xiàn)場的大量的觀眾，媒體，運動員及工作人員，也會在較小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生超高的下行流量以及超密集的連接，用于全息訪談、VR/AR觀賽，及其他個人數(shù)據(jù)業(yè)務。

毫米波，作為極致5G體驗的最佳選擇，必將會在北京冬奧會上大放異彩。

而這一切，僅僅只是5G初心的冰山一角。

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