由于我國(guó)5G發(fā)展策略是首先做6GHz以下的中頻段，所以5G毫米波頻段的產(chǎn)業(yè)化，速度沒(méi)有中頻段快。按計(jì)劃，2020年，中國(guó)5G開(kāi)始商用。中國(guó)移動(dòng)對(duì)毫米波的商用設(shè)定于2022年。今年，由IMT2020（5G）推進(jìn)組牽頭的5G技術(shù)試驗(yàn)已經(jīng)將毫米波納入試驗(yàn)測(cè)試范圍，比商用提前五年展開(kāi)技術(shù)試驗(yàn)。曾被認(rèn)為是中國(guó)產(chǎn)業(yè)短板的5G毫米波頻段，發(fā)展現(xiàn)狀又如何，商用挑戰(zhàn)在哪里？在日前“5G和未來(lái)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)論壇”上，東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任洪偉教授做了深度解析。

5G毫米波核心是多波束陣列

“5G毫米波，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)N乘以10個(gè)Gbps的傳輸速率。”洪偉說(shuō)，“美國(guó)采用了28GHz，我們國(guó)家還在征求意見(jiàn)。”

5G毫米波中一個(gè)重要的技術(shù)是窄波束天線的多波束系統(tǒng)，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)提高基站側(cè)的通信網(wǎng)絡(luò)增益，網(wǎng)絡(luò)的高增益是實(shí)現(xiàn)高傳輸速率的基礎(chǔ)。MIMO（多入多出天線陣列）就是一個(gè)多波束系統(tǒng)。

洪偉表示，多波束陣有很多種，有純數(shù)字多波束，還有無(wú)源多波束，目前很多大的廠家在做相控多波束。“我認(rèn)為，最終不能用這樣的結(jié)構(gòu)，而應(yīng)用全數(shù)字多波束陣。”洪偉說(shuō)，“相控多波束面臨復(fù)雜性、成本和功耗都較高的問(wèn)題，而且會(huì)降低毫米波基站的覆蓋范圍，這個(gè)多波束結(jié)構(gòu)可以用來(lái)做過(guò)渡，但最終肯定要用純的數(shù)字多波束系統(tǒng)。”

毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，F(xiàn)uTURE推進(jìn)委員會(huì)5G微波毫米波工作組主席 洪偉

目前通過(guò)洪偉的實(shí)驗(yàn)，在28GHZ基于64通道的多波束陣，已經(jīng)能夠支持50Gbps的傳輸速率，頻譜利用率超過(guò)了100%。洪偉采用的也是混合多波束，但他的混合方案是在水平方向用純數(shù)字多波束，在垂直方向用無(wú)源多波束。“這有可能會(huì)變成多波束陣的替代或者補(bǔ)充方案。”洪偉說(shuō)。

但這一解決方案目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段，推出的是原理樣機(jī)。“最終商用的產(chǎn)品，要將實(shí)驗(yàn)室中整個(gè)系統(tǒng)壓縮成一個(gè)比較薄的板狀，方便集成和安裝，同時(shí)也可以讓功耗、體積、重量和成本大幅度大降。在這個(gè)過(guò)程中，一要解決多通道毫米波的收發(fā)芯片，二要實(shí)現(xiàn)天線的集成化。”

終端上如何實(shí)現(xiàn)毫米波

毫米波終端如何做？洪偉說(shuō)，毫米波與光學(xué)器件有些類似，例如手機(jī)上的攝像頭，一定要露出在外面，毫米波也如此，如果用手機(jī)殼擋起來(lái)信號(hào)衰減就明顯，除非用低損材料做殼。毫米波在終端上實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)多通道的毫米波芯片，將手機(jī)的天線在封裝時(shí)集成在芯片里，成為一體化模塊。“對(duì)于手機(jī)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)這就像一個(gè)電阻或電容一樣的元件，它同時(shí)具有一些特定要求，如不能用金屬框阻擋。”

在手機(jī)上，毫米波應(yīng)該放在什么位置？洪偉說(shuō)，我們認(rèn)為最佳的位置應(yīng)該是在手機(jī)的右上角區(qū)域，即使有人把手機(jī)橫過(guò)來(lái)看視頻、打游戲，這個(gè)位置一般也不會(huì)被手遮擋。“當(dāng)然其中要解決一些問(wèn)題，如天線設(shè)計(jì)、寬角度的多波束覆蓋等。”洪偉說(shuō)，“這里還有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，就是芯片里面要把多個(gè)通道的收發(fā)信息全部集成進(jìn)去。”他還建議手機(jī)終端企業(yè)開(kāi)放接口定義，或制訂統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)。

洪偉說(shuō)，這種一體化模塊的解決方案看上去很難，但實(shí)現(xiàn)多通道的5G毫米波芯片，沒(méi)有其他路可選，這是必經(jīng)之路，必須解決的問(wèn)題。

無(wú)論是5G毫米波基站還是終端，要最終實(shí)現(xiàn)小型化、低成本、低功耗，必須突破單芯片集成，要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還要做好封裝環(huán)節(jié)。洪偉說(shuō)，對(duì)于基站來(lái)說(shuō)，考慮到功率和散熱問(wèn)題，天線與芯片建議在板級(jí)或者系統(tǒng)級(jí)集成；對(duì)于終端，建議封裝集成或板級(jí)集成。

目前汽車?yán)走_(dá)已經(jīng)為毫米波芯片做了開(kāi)路工作，用比較小的芯片實(shí)現(xiàn)了多通道，芯片中三個(gè)發(fā)射機(jī)、四個(gè)接收機(jī)，頻段工作在71GHz。“我們以前覺(jué)得40GHz以上的毫米波芯片，封裝是不能解決的，實(shí)際上這個(gè)汽車?yán)走_(dá)芯片已經(jīng)走通了，和低頻段一樣可以大批量規(guī)模生產(chǎn)。”洪偉說(shuō)，“如果芯片能夠成功解決好多通道和天線封裝的問(wèn)題，5G毫米波終端就可以實(shí)現(xiàn)。”

5G毫米波可用于低空通信

5G毫米波可能的拓展應(yīng)用空間是低空通信。洪偉說(shuō)，我國(guó)在建設(shè)空天地海一體化的衛(wèi)星通信網(wǎng)，一個(gè)辦法是把中低軌衛(wèi)星變成像5G毫米波基站一樣，對(duì)地用多波束進(jìn)行覆蓋。這種辦法會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如基帶處理應(yīng)該放在地面還是衛(wèi)星，因?yàn)槎嗖ㄊ鴷?huì)帶來(lái)非常大的處理量，如果放在地面會(huì)帶來(lái)時(shí)延；再如功耗、體積、重量是否要進(jìn)一步降低，星間的動(dòng)態(tài)跟蹤怎么實(shí)現(xiàn)等。

5G毫米波基站覆蓋距離大約200到300米，從低空角度看，這是一個(gè)用頻待規(guī)范的空間。快速發(fā)展的無(wú)人機(jī)往往飛在這個(gè)高度。 對(duì)無(wú)人機(jī)的組網(wǎng)也是5G毫米波可以拓展的應(yīng)用空間。“如果我們把毫米波多波束的基站放到無(wú)人機(jī)上，然后對(duì)地覆蓋，多個(gè)無(wú)人機(jī)就可以組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)間動(dòng)態(tài)跟蹤與毫米波寬帶傳輸。”洪偉說(shuō)，“無(wú)人機(jī)上可以搭載高倍攝像機(jī)，圖像的回傳需要大帶寬。”

據(jù)洪偉介紹，去年成立的5G毫米波工作組確定了幾項(xiàng)研究任務(wù)：一是5G毫米波應(yīng)用場(chǎng)景、系統(tǒng)、架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)；二是5G毫米波信道特性、頻譜規(guī)劃；三是5G毫米波質(zhì)量方法、性能規(guī)范；四是5G毫米波芯片、器件及工藝；五是組織毫米波封裝技術(shù)。

“目前第二個(gè)研究任務(wù)——5G毫米波信道特性和頻譜規(guī)劃，已經(jīng)有初步成果，并發(fā)布了第一版白皮書(shū)。”洪偉說(shuō)，“到年底我們希望在包括5G的系統(tǒng)架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量、芯片還有封裝等方面，能夠陸續(xù)有白皮書(shū)發(fā)布，以此推動(dòng)5G毫米波發(fā)展。”