5G毫米波机遇及挑战
【慧聪通信网】5G定义了eMBB、uRLLC和mMTC三大场景，对容量、时延、可靠性和连接数均提出了更高的要求。到目前为止，中国移动已经部署50万座以上的5G中频段基站，到今年底前预计还会新增20万座低频段的共建共享基站，当前5G网络已为部分个人用户带来了较好的网络体验。毫米波相比中低频可提供更大带宽、更高速率、更低时延的网络体验，可以更好支撑个人、家庭、企业、等用户的多样化业务需求，但同时也面临众多挑战，需要产业加强对毫米波技术和应用的研究探索。
5G毫米波的特点和优势
5G毫米波支持400MHz的小区带宽、800MHz的载波聚合，因此具有单用户高速率优势。根据目前实测数据，在考虑载波聚合的情况下，毫米波上下行单用户峰值速率可达1Gbit/s和3.7Gbit/s以上，相比中频段分别提高了2倍和20%。通过算法优化和256QAM高阶调制的标准化完成，单用户速率有望进一步提升。毫米波的子载波间隔为120KHz，即slot时长为0.125ms，是中频段NR的1/4，故具有更低的时延性能。根据实测数据，毫米波的RTT环回时延低于4ms，是2.6GHz NR和FDD系统的一半。由此可见，作为5G的重要组成部分，毫米波将进一步释放5G的潜力。
但毫米波具有易受遮挡、穿透特性差的频率特性，导致覆盖性能相比中低频段有较大差距。根据外场测试，在在室外场景中，EIRP为48dBm情况下LOS覆盖半径为400～500米，NLOS场景则受限于遮挡程度。室内场景中，以LOS覆盖为主，覆盖半径60米左右。在室外覆盖室内场景中，覆盖范围存在较大挑战，主要受限于墙体遮挡。总体而言，毫米波穿墙损耗较高，不适合用于覆盖室内场景。在纯室外覆盖场景下，当处于茂密植被、建筑楼宇遮挡损耗高的场景时，容易出现掉话情况，且连续组网成本高。因此，毫米波更适合部署于LOS或具备良好反射路径的区域性覆盖场景。
毫米波商用及产业进展
目前世界主要经济体已经完成或者正在进行5G毫米波的频谱规划。国际上对毫米波的频谱规划大部分集中在24.25～43.5GHz之间，我国已规划确定的试验频谱为24.75～27.5GHz。其中美、日、韩等国的毫米波应用进程较快，已经进行了部分地区的商用部署，中国在2017年开始了毫米波技术试验。根据GSA最新的数据，目前全球已有28家运营商在毫米波频段进行了商用部署。
具体到毫米波端到端设备，在基站设备领域，主流设备厂商已经陆续推出毫米波商用基站产品，目前普遍支持密集城区覆盖、EIRP大于65dBm的室外覆盖，部分厂商还发布了满足高穹顶室内场馆覆盖及街道覆盖的杆微站产品，该产品的EIRP规格一般在40dBm或50dBm左右。但分布式的皮基站目前尚未有产品推出，毫米波的一些室内场景目前主要借助杆微站解决。在终端及芯片领域，主要的芯片解决方案厂商高通、海思、三星、MTK等也都推出了毫米波芯片方案，目前全球商用的毫米波终端芯片已有约70款，主要还是以手机和CPE为主，数字通道数为2T2R。
中国移动始终致力于新技术的研究，在2017年成立了毫米波项目组，在总体规划、技术标准、产品方案、关键器件、测试验证等几个领域开展毫米波相关工作。总体规划包括毫米波频谱策略、应用场景、系统设计等研究工作。其他的研究点包括多天线、系统参数、组网等技术标准，毫米波基站架构、波束赋形、覆盖增强等产品实现方案。此外中国移动对毫米波关键器件的性能、产业情况等也非常关注，一直致力于上游产业链的推进工作。毫米波与中低频的测试方案有很大不同，为此中国移动研究院与信通院等产合作伙伴共同开展了毫米波测试环境和方法的研究工作。
毫米波应用场景及系统参数探索
毫米波作为sub-6G的补充和增强，首先需要明确毫米波可能的适用场景。毫米波除具有大容量、低时延的优势外，还具有更高距离分辨率、更强定位精度等优势，可探索个人、企业用户及“通感一体”等场景的应用。个人用户场景下，体育场馆、机场等特殊大容量场景，在高清、超高清视频等高速率业务逐渐普及后，可能存在容量需求无法满足的问题，毫米波可用于这些热点作为容量补充。“通感一体”场景下，可探索在自动驾驶、无人机等应用中，提供更高的距离分辨率、角度精度和定位精度以满足行业需求。
毫米波的这些特性还将助力工业智能化革命，在to B场景中发光发热。例如在高铁的车地通信场景中，列车进站后运行产生的视频监控、机器运行状态、传感器等数据需要与车站同步，传统的方式为储存卡拷贝，效率和时效性很低。该场景的传输特点为信息传输距离短，多为LOS环境，传输时间短、数据量相对较大。使用毫米波则能够提供强大的优势，50秒内传输50GB的数据，最大上行传输速率超过1.5Gbit/s，且无需人工操作。在密集部署的工业相机、智慧工厂等to B应用场景下，无论是1.17Gbit/s的上行速率要求，还是低于5ms的时延刚需，亦或“5个9”的可靠性需求，毫米波都可以更好地保障to B行业的应用。
3GPP定义毫米波可支持50MHz、100MHz、200MHz、400MHz不同的载波带宽。综合考虑端到端性能的情况下有三大优势：第一是小区带宽越大，公共成本越小，邻区关系越简单，切换次数越少，更易达到负载均衡；第二是由于毫米波流数及调制方式低于中低频段，小区带宽支持400MHz才能体现毫米波的优势，是技术演进的必然趋势；第三是基站支持小区带宽400MHz，相对于200MHz无成本、技术复杂度提升，终端侧支持400MHz×1及200MHz×2无本质差别。因此，我们建议基站和终端支持的载波带宽一致，优选400MHz，同时考虑到未来分配的频谱可能不是400MHz的整数倍，也同步建议支持200MHz。目前产业大多数都支持单载波100MHz，少数基站和终端已经支持单载波200MHz带宽，但目前400MHz小区带宽产业还无规划。建议产业界联合推动支持400MHz小区带宽。
5G毫米波帧结构的定义非常灵活，考虑目前的产业、性能和需求，建议网络和终端支持3D1U(DDDSU)、2D2U(DDSUU)和1D3U(DSUUU)等多种帧结构。3D1U适用于补热补容场景业务，如交通枢纽；1D3U仅适合在上行方面有大流量需求，下行无速率要求的场景，如工业视觉；2D2U适用于上下行吞吐量均有较高需求的场景，如园区办公；同时考虑毫米波覆盖范围小、信号强度衰落速率快、交叉时隙干扰相对较小，可根据垂直行业不同业务需求，配置不同的帧结构，以实现灵活的帧结构配置和调整。目前产业主要聚焦在3D1U和1D3U两种帧结构上，建议相关产业也考虑灵活帧结构的配置和调整方式。
目前比较成熟的毫米波架构主要是数模混合的波束赋形架构，在这种架构下，毫米波基站的EIRP由单通道的输出功率以及通道的规模共同决定，而单通道的功率又决定了器件的工艺选择。不同形态规格的基站产品，需要结合使用需求，进行细致的指标分析，制定合适的基站产品参数。目前毫米波基站产品的射频前端大多采用了硅基工艺，但在砷化镓等化合物材料和工艺上，建议产业界继续深入探索。
毫米波的应用挑战及建议
虽然毫米波在全球范围内已经实现部分商用，但我们发现相较于于中低频，毫米波的产业成熟度还比较低，距商用的目标还有一定的差距。其中典型的问题包括：一是基站设备的成本高且性能不足。基站设备目前主要以杆微站为主，站型较单调，EIRP较低，覆盖能力不足，缺乏广覆盖需求的宏基站；由于全球产业规模小，覆盖效能低，因此基站设备的生产成本还比较高，约为同部署场景的sub-6G站型的2倍；基站功率效率低、功耗大，并且无法完全支持网络所需功能。二是终端的能力仍有待加强。目前的商用终端主要以支持28GHz频段为主，对我国的26GHz频段支持力度较弱，同时单载波带宽较窄，产品形态少，中国移动认为未来毫米波的应用将涉及多种需求，例如娱乐、工业等领域，因此终端可能还将出现头盔、机械臂等产品形态。另外，支持毫米波终端型号的产品较少，增加毫米波频段后，成本比单纯使用sub-6G终端高约10%以上。手持终端上行发射能力不足，需要持续优化。三是基站关键器件性能较弱。例如发射功率、噪声系数、效率、集成度等仍有提升空间。四是毫米波测试技术不成熟。毫米波依赖OTA测试技术，但现在毫米波的测试模型不完备，尚无成熟的端到端测试系统，测试效率低、成本高。
对于以上挑战，中国电信提出几点近中期毫米波应用的目标和建议：对于毫米波基站，应进一步丰富站型规格；在高低频协同组网上，目标是既可以与sub6G协同组网，也可以面向局部区域进行毫米波的独立组网，目前在功能实现方面还有待成熟；在帧结构上，希望面向不同的场景支持灵活的帧结构，目前产业还主要支持以下行为主的帧结构。此外，IBW带宽、多用户MIMO、MCS等级、功率、效率等仍有一定的上升空间。对于毫米波终端，建议具备更多的形态，以支持国内规划的n258全频段，单载波支持400MHz带宽；对于毫米波器件，要持续提升性能和集成度；在测试方面，要尽快支持高效、完备的测试方案。
面向毫米波中远期发展，在技术创新领域还有很大发展空间，例如面向架构演进的全数字波束赋形架构及透镜天线架构，提升覆盖的智能超表面赋形技术及超表面覆盖增强技术、与感知结合的毫米波“通感一体化”技术、优化天线设计的稀疏阵方案等，希望业界专家和学者们共同研究和探索，激发出更多的创新思维。
5G技术的高质量发展离不开高、中、低频段的协同发展。其中，高频段是保证网络高速率和大容量的关键频段。在5G未来的发展中，毫米波技术将发挥重要的补充作用。中国移动希望产业伙伴共同探索5G毫米波的适用场景、高性价比的端到端实现方案，打造丰富、完善的产业链，充分挖掘毫米波的技术和商业潜力，共同为毫米波产业的发展“添砖加瓦”。
