浅谈毫米波技术与应用

浅谈毫米波之技术篇

2020年10月GSMA发布的《5G毫米波技术白皮书》预计，在2022年北京冬奥会上，5G毫米波有望大放异彩，为观众、媒体转播者、赛事组织和参与者等提供优质的观赛体验、完备的服务保障，将可提供全景VR、新型信息交互、智能安防、新闻媒体服务等，满足冬奥组委关于网络新技术方面的要求。本期和下期专题洞察，将围绕毫米波的技术优势和挑战、关键技术、应用情况、标准化、产业链现状以及未来前景展开讨论。

按照ITU-R WP5D M.2083报告定义的系统需求，5G将支持至少100 Mbit/s～1 Gbit/s的边缘用户体验速率，10 Gbit/s～20 Gbit/s的系统峰值速率。但是，6 GHz以下频率资源匮乏，很难找到连续的大带宽满足5G系统需求，毫米波开始成为移动通信发展的重要研究方向，第三代合作伙伴计划（3GPP）已经将毫米波作为3GPP 5G移动通信系统的必要组成部分，国内IMT-2020已经成立毫米波工作组并已经开展毫米波相关研究和行业标准的制定工作。

1. 毫米波的概念

毫米波概念是波长1毫米到10毫米的电磁波（频段30GHz~300GHz），处于微波的高频段，与远红外相邻。当前5G使用的毫米波是指100GHz以下相对低频部分（具体频段见附录一），高频部分被归为太赫兹（100~1000GHz）。5G的频段分三部分，首选是SUB-6G（厘米波），扩展频段是毫米波，应用于广电网是SUB-1G（分米波），之前的1G~4G使用的也是分米波。

图1-1 5G频谱分布

2. 毫米波技术的优势和挑战

毫米波技术优势突出，但是劣势也很明显。5G毫米波拥有频率资源丰富/带宽极大、易与波束赋形技术结合、可实现极低时延、可进行高精度定位、可支持密集化部署、集成度高等技术优势。同时，毫米波波束窄，传输距离短，易被遮挡，存在覆盖难、移动性管理难、手机集成难等问题。

技术优势

频率资源丰富，带宽大：5G 毫米波技术第一个优势，同时也是最重要的优势。5G毫米波5G Sub-6 GHz 频段具有更丰富的频谱资源，如图1-1所示。毫米波段可以分配连续大带宽，比如，连续800M频谱，采用四个单载波200MHz（4*200MHz）或者八个单载波100MHz（8*100MHz）实现载波聚合传输。基于3GPP 标准可用的信道宽度和调制方式，结合先进的天线设计和射频处理技术，5G 毫米波网络可轻易实现Gbps级别的峰值数据吞吐率。

易与波束赋形技术结合：通过大规模天线波束赋形技术，可以提高通信距离、定位精度、安全性，并支持高密度部署。毫米波天线小，基站天线阵列可集成更多阵子（256、512甚至更多），适合应用波束赋形技术增大通信距离，使其能覆盖半径最远可达几千米。波束窄，可以提升位置敏感度从而提高定位精度，且较难被捕获和监听提高安全性。波束赋形的定向性特点还可将信号能量聚焦在特定方向来减小对环境其他方向信号的干扰，保证邻近链路或邻近小区通信质量，与中低频系统相比，更容易实现密集部署。

交互时延低：毫米波新空口技术交互时延低。5G网络以时隙为单位调度数据，空口时隙越短时延相对越小。5G毫米波空口时隙最小0.125ms，相比5G 中低频时延显著降低，是满足工业互联网、远程医疗、自动驾驶等实时交互URLLC业务的需求，时隙对比如下表。

表1-1 5G网络不同频段可配时隙间隔

技术劣势

数据显示，目前全球已开通了 5G网络的共有63家运营商中，只有4家运营商在使用毫米波，其中3家是美国运营商，1家是乌拉圭运营商。毫米波不是多数国家5G部署频段的首要选择是因其技术存在一定劣势。

覆盖难：毫米波信道衰减大以及视距传输导致区域连续覆盖难。由于电磁波频率越高在信道中的衰减越大，因此毫米波路径损耗大于中低频信号，覆盖范围缩小。通过波束赋形可以增加传输距离，但是因为波束窄实际全面覆盖难度大。此外由于波粒二象性，毫米波更接近视距（LOS）传输，可能被手部、身体、墙体、植被、雨滴阻挡，信号覆盖受环境变化影响大。

移动性管理难：毫米波的波束很窄，物体移动很容易就离开了波束区域，对于移动物体的信号提供难度较大，需要有更强的追踪能力和有效的重连机制。

手机集成难：对小尺寸终端（手机）是挑战。一是空间挑战，要和已有的天线共存，部署难；二是信号挑战，毫米波路径损耗大，易被手机壳、手等遮挡。

以上问题通过毫米波关键技术优化可以得到一定的解决。

2. 毫米波关键技术

毫米波关键技术包括芯片、天线、波束管理、部署和测试评估等方面。

芯片技术方面

毫米波芯片和中低频信号芯片相比变化点有两个，一是收发毫米波信号需要支持高频信号的芯片；二是因支持毫米波通信引入的需求，如基站侧需要采用混合波束赋形技术，端侧需要引入AiP集成封装技术等。

基站芯片架构及工艺

基站侧架构变化是，采用了混合模数波束成型框架（Hybrid Analog-Digital Beamforming，HAD-BF）。如下图所示，左侧为中低频的架构，右侧是毫米波采用的架构。变化的原因是如果使用传统架构一方面功耗太高，另一方面电路复杂度太高，因此将部分调幅调相操作改为在模拟域器件完成（混合波束赋形），可以大大降低成本和复杂度，且经测试可以达到接近全数字域控制的效果。

图2-1 中低频-毫米波基站侧架构对比

半导体材料和工艺也有一定变化。基带的材料和工艺变化不大，主要是射频模块变化大。首先材料需要选择功耗、工作温度、噪声等性能更优的第三代半导体氮化镓(第一代是元素半导体如Si，第二代是砷化镓/磷化铟)；此外工艺因高集成度的要求以及成本采用Si基衬底工艺（GaN-on-Si）；此外化合物半导体和传统集成电路的（GaN-SiCMOS）封装集成技术也很关键，当前比较先进的是高密度3D集成技术（此技术目前主要在美国）。

终端芯片架构及工艺

变化点主要有两方面，一方面是因为毫米波采用多天线需要高密度集成和发热等问题需要将射频模块和天线集成封装到芯片里（AiP技术），和之前一般采用封装到一个模组（AiM）的方式不同，见下图黄框1部分电路；另一方面端侧需要用二次变频的技术解决路径损耗的问题（把毫米波转换成中频低传输），见图中黄框2增加的蓝色电路部分。端侧架构变化见下图，左边为SUB-6G，右侧为毫米波。

图2-2 中低频-毫米波端侧架构对比

因多天线波束赋形技术，手机信号不再是向四周发射而是以波束的方式发射，手机需要集成多个天线模块才能实现覆盖，如下图所示。

图2-3 手机波束示意图

大规模天线波束赋形方面

大规模天线（Massive MIMO）和波束赋形（Beamforming）技术是毫米波通信系统的关键技术。

波束赋形概念：什么是波束，不同信号源发出的电磁波会相互叠加发生干涉，见下图左侧示意图为两个天线阵子场景，部分区域信号正向叠加增强，利用此原理天线阵列信号增强的区域在空间上看是一个个波束，中间的一个波束信号最强，距离最远叫“主瓣”，我们在波束赋形中主要就是对这个主波束的控制，见下图右侧示意图。

图2-4 波束赋形物理学原理图

天线阵子越多主波束越窄越长，毫米波基站天线一般是数百个，波束更窄更长，通过这种牺牲宽度的方式提升毫米波的覆盖距离。

图2-5 波束宽度示意图

波束赋形是通过调整信号源振幅、相位等参数来调整波束的角度，使波束可以对准终端设备，达到信号最大增益，如下图所示。

图2-6 波束赋形振幅和相位调整示意图

波束赋形分类：波束赋形的关键在于天线权值的处理。根据处理位置和方式不同分为数字波束赋形，模拟波束赋形，混合波束赋形三种。当前的毫米波解决方案基站侧使用的是混合波束赋形（手机侧天线相对少可以用数字波束赋形）。

图2-7 数字波束赋形、模拟波束赋形、混合波束赋形示意图

数字波束赋形（中低频采用）通过数字信号处理权值的方式，在基带模块就完成了权值的处理，需要基带处理的通道数和天线单元的数量相等，因此需要为每路数据配置一套射频链路。优点是赋形精度高，实现灵活，响应快，支持一天线多波束；缺点是成本高，当前毫米波基站几百个天线阵子的场景不可实现。

模拟波束赋形，在射频模块直接对模拟信号调整信号权值（移相、振幅等），优点是器件成本低、功率低；缺点是精度低且灵活性差，权值可调整范围小且响应慢，不支持一天线多波束。

混合波束赋形是折中的方案，将数字波束赋形和模拟波束赋形结合起来。混合波束赋形融合了数字和模拟两者的优点，基带处理的通道数目明显小于模拟天线单元的数量，复杂度大幅下降，成本降低，系统性能接近全数字波束赋形。

波束赋形优势：其一，支持多流传输，通信容量提升。对多个设备调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源可同时传输多条信号，提升系统频谱效率和功率效率。对于同一个用户在下行和上行可以同时支持多流数据传输，如下图所示为发送4组天线接受两组天线的场景，可以提升单用户数据传输效率。其二，覆盖能力提升。毫米波等高频频电磁波衍射能力下降，穿透损耗大大增加，而可以大大提升电磁波可达距离。其三，抗干扰能力提升。波束较窄，上下行场景都可以降低干扰。

图2-8 单用户多流传输示意图

波束管理方面

毫米波通信系统中，需要选择最优角度的波束进行数据传输，用户端存在移动、旋转、阻塞，还需要对选择的波束对进行实时更新，因而需要对波束进行精细的管理。波束管理包括以下两方面：波束扫描与跟踪、波束失败恢复。

基站波束分类：基站的波束分两大类，广播信道波束（宽）和业务信道波束（窄）。

广播信道主要是用于终端小区选择等控制信号交互。通过空间方向区域对空间做划分，用同步信号块（Synchronization Signal and PBCH block, 简称SSB）管理。根据覆盖区域大小可选水平、垂直8×8=64个SBB或者4×4个=16个SBB不同配置，配置是静态的。3GPP当前最多支持64个SBB。

业务信道，在广播信道确认基础上，基站基于对应的SBBID选择最优的精细化波束和端侧进行数据交互（过程见扫描与跟踪章节）。用户的业务数据是通过业务信道波束传输的。

波束扫描与配对：毫米波的波束窄，直接遍历扫描全部窄波束寻找最佳发射波束效率太低，为提高效率5G标准采用由宽到窄的分级扫描的策略，会根据用户的位置不同不断切换最佳波束。接入及连接过程如下图右侧部分，分三步。

图2-9 波束扫描和波束管理示意

第一步，接入阶段，终端轮扫SSB信号，找到基站侧信号质量最好的SSBID并通过信令上报基站。

第二步，连接阶段，基站在对应的SSB区域内轮发精细化波束和端侧进行通信，端侧选择最优波束并通过信令上报给基站，基站后续使用这个波束和端侧交互。

第三步，端侧自行调整和选择自己的最优波束，完成波束配对，此过程基站侧不感知。

波束失败和恢复：毫米波信号波束窄易被遮挡，信道稳定差。当用户接收质量低于一定阈值，端侧会发起波束失败恢复流程，重新选择SSB，发起接入、连接过程，与基站重新建立新的波束对。此过程目前还在不断优化，如R16的双连接优化，着力于提升重连效率。

图2-10 波束双连接优化示意图

基站部署方面

接入集成回传技术：接入集成回传（IAB）是指在不适用光纤的区域，可以灵活利用毫米波小基站作为接入设备的同时也作为移动回传数据的中继，通过多跳完成数据回传，降低光纤接入成本，示意如下图。

图2-11 IAB集部署示意图

高低频混合组网：随着5G的部署逐步展开，结合已有的中低频基站源，增量部署毫米波基站，可以采用高低频双连接，高低频载波聚合等多种方式，使端侧充分使用多频和多信道技术，以达到更高的速率。

图2-12 混合组网逻辑架构图

测试和评估方面

5G 毫米波因设备的射频收发信机阵列与天线阵列整合成了一个整体，导致无法兼容中低频场景的测试方法和标准。3GPP R16补充了毫米波基站、终端的测试方法和相关指标，但是仍有很多不足，尚未形成最终的技术规范。

当前经达成共识 OTA（Over the Air，空口）测试将成为5G 毫米波系统的主要测试形态。OTA 指标可以根据测试方法分三种。方向性指标（Directional）主要是指影响组网和覆盖能力的关键指标和下行波束赋形与上行接收合并分集有关的指标。非方向性指标（TRP）主要指影响整体系统的指标，例如无用发射和带外辐射等。共址指标指由于天线耦合因素存在，造成测试有难度的指标，如共址辐射要求、发射互调和关断功率等。测试系统主要包括微波毫米波暗室、测试仪器、相关配件以及主控单元。

毫米波暗室是一个空间结构，内部表面布满吸波材料，制造出一个纯净的电磁环境，提高测试设备的测试精度和效率。

图2-13 远场、近场、紧缩场暗室示意图

3. 小结

本期主要介绍了毫米波的技术优劣势，以及可以应对毫米波技术挑战的各项关键技术。高频核心器件是毫米波通信面临的一个重要挑战，低成本、高可靠性的封装及测试等技术也至关重要。我国在高性能高频器件、原型系统验证等方面与全球领先企业仍存在较大差距，需要进一步开展创新性研究与开发工作。

浅谈毫米波之应用篇

上期周刊主要介绍了毫米波的概念及关键技术，本期会在标准化、应用情况、产业链现状以及未来前景等方面继续讨论5G毫米波的最新进展。实际上先吃螃蟹的人在两年前已经尝到了5G毫米波的味道，越来越多国家开始投入。

1、标准化进展

5G毫米波的标准已经日趋成熟。在3GPP 5G标准制定之初，5G毫米波就是重要组成部分之一，其标准化工作与中低频是同步展开的，目前3GPP已经完成了Rel-15、Rel-16两个版本的5G标准。下图是3GPP标准时间表。

图1 3GPP标准时间表

Rel-15是第一版5G标准，重点满足增强移动宽带（eMBB）和部分低时延高可靠（URLLC）应用需求，已于2019年冻结。

Rel-16是第二版5G标准，全面满足eMBB、URLLC、大连接低功耗场景mMTC等各种场景的需求，重点增强垂直行业应用及提升整体系统性能。很多特性对毫米波场景做了优化，如波束管理功能的优化、增加集成接入与回传（IAB）功能、节电特性、双链接优化、增加定位功能（室内3米、室外10米）。规范已于2020年7月冻结。

Rel-17是第三版5G标准，将进一步增强5G毫米波功能。IAB的增强，引入全双工和移动中继，提升容量和服务质量；提供更简洁的波束管理机制，减少系统开销提高网络覆盖质量；拓展频谱，支持52.6-71GHz及免许可频道；增加直连通信、URLLC和工业物联网用例（例如NR-Light，简化的5G NR技术）；增强定位技术，实现厘米级精度等，相应规范计划于2022年6月冻结。

随着规范的完善技术也会更成熟，可以加速推进5G毫米波更广泛的应用。

2、毫米波的应用

SUB-6G频段比较拥挤，除了中国外很少有国家能为运营商分配100M以上的连续频谱，毫米波频段虽然覆盖能力相对弱，中频资源相对紧张的美国从2019年4月开始逐步商用毫米波网络，到现在已经半年多，积累了一定的经验。下面将从部署情况、应用场景、以及国内进展等方面加以说明。

2.1 部署情况

毫米波频段虽然覆盖能力相对弱，但凭借丰富的频谱资源和容量优势最开始在美国应用，当前已经有越来越多的国家开始部署。GSA在2020年10月发布数据称，目前全球有130家运营商正在投资24250 MHz-29500 MHz频段的5G网络，已有20多家运营商部署了毫米波5G系统，部署情况见下图。

图2 GSA 2020年10月发布的5G毫米波部署情况

其中日本每个运营商可获得400M频谱，韩国的运营商可以得到800M频谱，欧盟德国、英国、意大利也在积极推进，意大利有5家运营商各自分配到200M频谱。具体频段选择情况见下图。除了普遍看好的28GHz频段外，美国还在积极推进24GHz/37GHz/39GHz/47GHz的商业网络部署，分布在纽约、洛杉矶、芝加哥等多个城市，美三大移动通信运营商都已经提供了毫米波5G商用服务。

图3 部分国家毫米波频段选择

2.2 应用场景

综合 5G 毫米波的优势和不足，当前其应用场景主要可以分为热点区域的扩容场景、行业低时延高可靠应用场景和解决美国“最后一公里”问题的固定无线接入场景三类。

热点区域场景：可以作为容量补充，在人员密集高或者流动性大的区域做扩容。典型区域有广场、体育场馆、音乐厅、剧场、地铁、商业中心等。这些区域会有大量人群聚集活动，存在大量通信行为并发操作，需要网络有较大上行、下行带宽和连接接入能力。

图4 热点区域场景示意图

行业应用场景：在工业互联网场景5G毫米波是不可或缺的。首先，超大带宽可以满足大量数据（如产线视频监控）传输的需要；其次，极低空口时延，满足工业级应用（如机械臂控制）的极低延迟要求；第三，波束高度定向的特点适合提供高密集部署，提升频谱空间复用率，满足工业互联网要求的高连接密度；第四，能够满足对部署环境的严格限制，并提高通信过程的安全性、减小监听可能，强化数据安全；第五，超高时间分辨率和空间分辨率能够实现高精度（有望达到厘米级）实时定位，从而适应工业互联网多样化的需求。

图5 5G毫米波在工业互联网中的应用

如上图所示是爱立信与奥迪合作的应用场景，通过毫米波的低时延可靠性充分保障了生产效率的提升，保护了协同工作的工人的安全。

家庭和写字楼的固定无线接入：可以应用于固定无线接入（fixed wireless access，FWA）场景。5G毫米波可以作为无线回传链路，解决一些场景无法布放光纤或布放光纤代价过高的问题，作为最后一公里常规接入手段的补充。5G毫米波可作为LTE\5G中低频基站的回传，或者通过5G毫米波CPE为家庭或企业提供宽带服务，提供家庭和写字楼的无线宽带接入，在美国乡村和企业都有应用。

图6 某企业应用案例

2.3 国内进展

当前国内尚无5G毫米波商用网络，IMT-2020正积极组织测试验证，2022年北京冬奥会场馆也将部署毫米波环境。

IMT-2020测试：IMT-2020成立高频讨论组，2019年11月完成毫米波一阶段测试，2020年7月开始组织运营商、设备商、终端厂商等在怀柔开展毫米波设备和组网测试，为5G毫米波技术商用做好准备，后续会发布部分5G 毫米波频段频率使用规划。当前毫米波设备和组网测试也已经接近尾声，按计划在2021年将开始典型场景验证测试，工作计划见下图。

图7 IMT2020测试计划

当前已完成关键技术测试，毫米波设备和组网测试也已经接近尾声，按计划在2021年将开始典型场景验证测试。

截止2020年10月，华为、中兴、诺基亚、爱立信等都完成了基站功能测试，测试情况如下图。持最大带宽800MHz的测试场景，从测试结果看，华为单载波可达200M，基站通道规格可以支持4T4R，所有厂商中表现最强。

截止2020年10月，华为、中兴、诺基亚、爱立信等都完成了基站功能测试，测试情况如下图。支持最大带宽800MHz的测试场景，从测试结果看，华为单载波可达200M）（仅华为支持），基站通道规格可以支持4T4R，所有厂商中表现最强。

终端测试情况见下图，多家芯片、终端厂商可以提供支持毫米波的芯片及样机，其中国内厂商表现也很优秀。

图8 终端测试情况

冬奥会场馆：2022年北京冬奥会中国联通将运用5G毫米波打造超大带宽的智慧无线场馆，属于热点区域应用类型。以下为联通规划的冬奥会毫米波具体应用场景，提出了观众观赛体验提升、赛场馆的智慧化运营、合作伙伴的服务与保障3大智慧场景、服务观众、参赛者、组织者、工作人员、媒体、合作伙伴6类人群的智慧冬奥方案。

观赛体验提升场景见下图，包括沉浸式观赛、VR体验看台等。

图9 观众观赛体验提升场景

智慧化运营和管理的内容包括道路监控、车牌识别、电子围栏、人脸识别等，详见下图。

图 10 智慧监控管理

合作伙伴的服务与保障具体服务场景有多机位多视角打造全景体验、运动员便携摄像机画面实时回传等，详情如下图。

图11 新型信息服务

服务场景多，面向的人群面面俱到，期待其能在冬奥会上有不俗的表现。

3、产业链情况

5G毫米波涉及的产业链主要包括芯片/模组厂商、设备厂商、终端厂商、测试仪表厂商、运营商。整体看，国外的产业链已经初步形成，国内当前刚起步，但是潜力很大，发展迅速。

3.1 芯片厂商

分别就基站芯片和手机芯片两方面介绍。

基站芯片

2020年1月中国紫金山实验室宣称成功研制出了自主可控、成本超低的毫米波相控阵芯片，但是商用量产芯片主要还是以美国厂商为主。国内企业MISIC（南京无线谷）也已经有毫米波产品，和东南大学毫米波实验室有较多合作。

图12 MISIC芯片制作的DEMO样例

终端芯片

芯片设计厂商现在最主流是高通、联发科、华为（三星主要自用）。2016高通率先发布了全球第一款5G基带芯片X50，当前芯片已经到第三代，目前商用量产芯片只有高通支持毫米波（三星支持但主要是自用，华为第一代支持后来版本不支持，联发科声称不早于2021量产）。高通目前在毫米波段暂时处于垄断地位，苹果在2020年12月投入巨资开始做射频相关的芯片以解决信号问题，说明当前芯片仍有不足，未来可能情况可能会发生变化。

图13 高通三代5G芯片

3.2 设备供应商

支持毫米波基站的设备主流供应商有爱立信、诺基亚、三星、华为、中兴等，当前国内厂商方案能力和经验储备相对不足，如支持的站点类型国内厂商主要支持宏站，而毫米波更重要的是可以密集部署的微小站。爱立信、诺基亚在5G毫米波领域相对更成熟，经验更多。

爱立信：根据其在曝光的信息看综合实力最强，支持高、中、低全频段，在芯片性能、降低能耗、智能连接、波束管理等多方面都有优秀的表现，微小街站轻便易用。

爱立信一直致力于毫米波的应用及扩展，证明毫米波远距离传输的商用可行性。2020年9月在美国成功实现商用网络超过5千米的数据呼叫；2020年12月又将距离突破到6.5千米，且速率高达1 Gbps（下行）和700 Mbps（上行）。对于拓宽5G应用边界起到了积极作用。

图14 爱立信和合作伙伴携手刷新毫米波传输新纪录

诺基亚：诺基亚2018年在韩国冬奥会完成5G毫米波演示，2019和美国三大运营商合作部署商用站点，已经两年迭代期，当前已经是第四代产品，可以支持多种功率组合多种覆盖场景，宏站、街道站、微站，在北美、日本、韩国有数万个站在现网运营，积累了较丰富的经验，包括覆盖规划、功率的规划、天线挂高、反射波的利用等。

3.3 终端厂商

2018年8月，联想旗下的摩托罗拉发布全球首款支持毫米波段（28GHz）的手机。根据GSA的最新报告（2021-1）越来越多的在售设备支持5G频谱，其中有79.5％支持6GHz以下的频段，19.3％支持毫米波频谱，14.8％两个频谱都支持。

图15 已发布设备频谱支持情况

当前国内还没有在售商用手机支持毫米波，OPPO旗下的“一加”海外版有支持毫米波的机型，Vivo和联通、中兴合作在5G产业大会做过毫米波手机的演示，部分厂商积极参加了IMT2020的测试。终端准备已经日趋成熟，部分细节待优化，如功耗问题、集成问题、信号问题等。

3.4 测试厂商

已有场景的测试方案已经日趋成熟，当前的头部测试厂商有是德科技，罗德与施瓦茨科技。是德科技已经有相应成熟的测试方案和测试经验，产业合作情况遍布全球，和高通等多家企业有深入合作。各个场景和环节都有测试解决方案，和产业链各个环节、各个层次有较深的合作，如从研发阶段就开始深入合作。罗德与施瓦茨科技声称5G产业链各个环节都有打包好的测试解决方案，对波束赋形及移动性管理等有详至的测试方案，如下图。