無(wú)線設(shè)備和其處理的數(shù)據(jù)量每年都呈指數(shù)遞增(53% 復(fù)合年增長(zhǎng)率[1])。隨著這些設(shè)備產(chǎn)生并處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越多，連接這些設(shè)備的無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施也必須持續(xù)發(fā)展才能滿足需求。如圖 1 所示，4G 網(wǎng)絡(luò)頻譜效率的提高已經(jīng)不足以提供 3GPP[2] 定義的三大高級(jí) 5G 用例所需數(shù)據(jù)速率的階梯函數(shù)了，這些用例旨在提供無(wú)處不在的即時(shí)移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)后，研究人員開(kāi)始尋找更高的頻率作為可能的解決方案。早期信道聲探工作帶來(lái)的積極成果使全球無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)化組織把重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到下一代 5G 無(wú)線系統(tǒng)該怎樣整合，以及如何從新的頻率和更廣的帶寬中受益。

1. 定義5G的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)

所有用例的設(shè)計(jì)都旨在使未來(lái)的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)能夠處理現(xiàn)有無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)不足以應(yīng)對(duì)的新應(yīng)用，每一個(gè)都需要一整套全新的關(guān)鍵績(jī)效（KPI）。IMT 2020 用例定義的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）預(yù)計(jì)最大數(shù)據(jù)速率可達(dá) 10 Gb/s，是 4G 的 100 倍[3]。根據(jù)香農(nóng)定理總結(jié)的信道容量與帶寬（頻譜）和信道噪聲的關(guān)系[4]，數(shù)據(jù)速率與可用頻譜息息相關(guān)。鑒于小于 6 Ghz 的頻譜已經(jīng)全部分配，所以超過(guò) 6 Ghz 的頻譜，特別是在毫米波范圍中的頻譜就成為應(yīng)對(duì) eMBB 用例的絕佳選擇。

Figure 1: Three high level 5G use cases as defined by 3GPP and IMT 2020

2. 毫米波：三個(gè)頻率的故事

為服務(wù)客戶，全球的服務(wù)運(yùn)營(yíng)商在頻譜上花費(fèi)了幾十億美元。頻譜高昂的拍賣價(jià)格也突顯了其市場(chǎng)價(jià)值以及這種珍貴資源的稀缺性。開(kāi)發(fā)新的頻譜能夠讓服務(wù)運(yùn)營(yíng)商容納更多用戶，并提供更高性能的移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)體驗(yàn)。與小于 6Ghz 的頻譜相比，毫米波更加豐富，需要的許可也更少，也就是說(shuō)全球的服務(wù)運(yùn)營(yíng)商都能用上。先進(jìn)的硅制造工藝大幅降低了毫米波設(shè)備的價(jià)格，完全可用于消費(fèi)電子產(chǎn)品。目前影響毫米波應(yīng)用的主要問(wèn)題在于這個(gè)頻譜的很多方面都沒(méi)經(jīng)過(guò)研究，需要解答技術(shù)問(wèn)題。

服務(wù)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開(kāi)始研究毫米波技術(shù)，以評(píng)估適用于移動(dòng)應(yīng)用的最佳候選頻率。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）和 3GPP 就 5G 標(biāo)準(zhǔn)研究的 2 個(gè)階段規(guī)劃達(dá)成了共識(shí)。第一個(gè)階段研究 40 GHz 以下的頻率，以滿足較為緊急的商業(yè)需求，將于 2018 年 9 月完成。第二個(gè)階段計(jì)劃從 2018 年開(kāi)始，到 2019 年 9 月完成，以解決 IMT 2020 概述的 KPPI，該階段專注于最高 100 Ghz 的頻率。

為使毫米波頻率實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，在最近的世界無(wú)線電通信大會(huì) (WRC)[5] 結(jié)束后，ITU 發(fā)布了從 24 Ghz 到 86 Ghz 的全球可用頻率建議列表：

在 ITU 發(fā)布建議后不久，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）于 2015 年 10 月 21 日發(fā)布了規(guī)則制定建議通知（NPRM），建議采用 28 GHz、37 GHz、39 Ghz 和 64-71 Ghz 頻段[6]靈活的新服務(wù)規(guī)則。

圖 2：適合移動(dòng)應(yīng)用的 FCC 建議頻段[6]

雖然 ITU、3GPP 和其他標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)決定將 2020 年作為規(guī)定 5G 標(biāo)準(zhǔn)的最后時(shí)限，但手機(jī)供應(yīng)商正努力加快提供 5G 服務(wù)的步伐。美國(guó)的 Verizon 和 AT&T 計(jì)劃在 2017 年就推出 5G 的早期版本。韓國(guó)計(jì)劃在 2018 年奧運(yùn)會(huì)推出 5G 試用，而日本希望在 2020 年的東京奧運(yùn)會(huì)上展示 5G 技術(shù)。通過(guò)各群體在各種因素推動(dòng)下的不斷努力，一些頻率已經(jīng)開(kāi)始成為 5G 的候選項(xiàng)：28 GHz、39 Ghz 和 72 GHz。

這 3 個(gè)頻段脫穎而出是有原因的。首先，與 60 Ghz 會(huì)因氧吸收[7]產(chǎn)生約 20 dB/km 損耗不同，如下圖所示，這些頻段的氧吸收率要低得多，更適用于長(zhǎng)距離通信。這些頻率在多通道環(huán)境中也表現(xiàn)良好，可用于非視距通信。毫米波將高度定向天線與波束成形和波束追蹤相結(jié)合，可提供極為安全可靠的鏈路。紐約大學(xué)理工學(xué)院的 Ted Rappaport 博士和他的學(xué)生已經(jīng)開(kāi)始研究 28GHz、38GHz 和 73Ghz 的通道特性與潛在效能。他們發(fā)表了數(shù)篇論文，探討這些頻率的傳播測(cè)量以及潛在服務(wù)中斷研究。通過(guò)這些頻率的現(xiàn)有數(shù)據(jù)和研究加上全球可用頻譜，就能從這 3 種頻率開(kāi)始制作毫米波的原型。

圖3：毫米波頻率的大氣吸收率（dB/km）[7]