丁 海，徐佳琪（.中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京00048；.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京00048）

0 前言

2018年6月15日，全球標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP批準(zhǔn)了5G NR獨立組網(wǎng)（SA）標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)，加上2018年12月完成的非獨立組網(wǎng)（NR）標(biāo)準(zhǔn)，意味著5G已經(jīng)完成第1階段全功能標(biāo)準(zhǔn)化工作，進(jìn)入了全產(chǎn)業(yè)向商用全面沖刺新階段。5G規(guī)范中定義的大流量高寬帶業(yè)務(wù)（eMBB）、大規(guī)模海量連接（mMTC）、低時延、高可靠連接的業(yè)務(wù)（URLLC）三大應(yīng)用場景中，eMBB是所有電信運營商的首選，2018年12月20日，AT&T宣布啟動基于5G毫米波的5G商用業(yè)務(wù)，在北美12個城市為用戶提供高速上網(wǎng)業(yè)務(wù)；同時，Verizon和韓國電信運營商也同步響應(yīng)，表示毫米波應(yīng)用將會納入未來5G商業(yè)化的計劃中。一時之間，國內(nèi)部分用戶也對5G毫米波產(chǎn)生了極大的興趣。

1 5G毫米波技術(shù)分析

毫米波指的是5G技術(shù)使用的空口頻段，在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中定義了5G新空口技術(shù)主要使用的2類段頻：頻率范圍1（FR1）和頻率范圍2（FR2）。FR1頻段的頻率范圍450 MHz～6 GHz，又叫Sub-6 GHz頻段；FR2頻段的頻率范圍為24.25～52.6 GHz，也稱為5G毫米波頻段（mmWave）。其中，6 GHz以下頻段的特點是：低頻段穿透力強(qiáng)，覆蓋范圍廣，產(chǎn)業(yè)鏈相對成熟，是全球主流運營商5G的首發(fā)頻段。5G低端頻譜有2個來源，一是對現(xiàn)有頻譜的重耕，如2G/3G/4G時代正在使用的700、800、900 MHz和1.8、2.1 GHz等原有頻段；二是新增頻譜：如3 300～4 200 MHz以及5 GHz頻段WLAN非授權(quán)頻譜的應(yīng)用（LAA）等。國內(nèi)已將3 400～3 600 MHz頻段分配給了中國聯(lián)通/中國電信作為5G試商用頻段，中國移動獲得了 2 515～2 675 MHz、4 800～4 900 MHz頻段的共260 MHz帶寬的5G試驗頻率資源，其中2 515～2 575、2 635～2 675和 4 800～4 900 MHz頻段為新增頻段，2 575～2 635 MHz頻段為重耕中國移動現(xiàn)有的TD-LTE（4G）頻段。而對于6 GHz以上的頻段，考慮到高頻段的衰減特性，主要是希望能夠滿足熱點區(qū)域極高的用戶體驗速率和系統(tǒng)容量需求，現(xiàn)階段國際產(chǎn)業(yè)鏈及運營商當(dāng)前重點關(guān)注的是24.5～27.5、31.8～33.4及37～43.5 GHz。

圖1示出的是5G毫米波頻段。

為了達(dá)到5G宣傳的百倍4G速率的帶寬能力，考慮到Sub-6 GHz頻段的稀缺性，只有指望毫米波，毫米波頻段資源豐富，是未來通信技術(shù)發(fā)展的重要方向。全球主要國家和地區(qū)均對毫米波頻譜資源做了戰(zhàn)略規(guī)劃，其中美國于2018年11月15日開始進(jìn)行28 GHz的頻譜拍賣，并在2018年底之前進(jìn)行24 GHz的頻譜拍賣。目前對毫米波的規(guī)劃總量達(dá)到13 GHz，包含了27.5～28.35、37～40 GHz的毫米波頻段；韓國于2019年6月完成了5G頻譜拍賣，除了完成3.5 GHz的拍賣外也完成全球首個28 GHz頻段的頻譜拍賣。其中SK電信獲得了 28.1～28.9 GHz頻段，KT 獲得了 26.5～27.3 GHz頻段，LG Uplus獲得了27.3～28.1 GHz頻段。我國工信部批復(fù)了24.75～27.5 GHz及37～42.5 GHz為我國毫米波的主力試驗研發(fā)頻段。我國工信部還在5G第2階段試驗開展了高頻系統(tǒng)測試，各個設(shè)備商都參與其中，主要測試頻段集中在26 GHz頻段。

圖2示出的是全球毫米波頻段使用情況。

從技術(shù)角度來看，毫米波使用的頻段比較干凈，能夠同時使用1 GHz以上的頻段作為空口傳輸，傳輸質(zhì)量高，可支持的帶寬容量巨大；同時波束很窄，抗干擾性能強(qiáng)；適合密集部署，頻譜授權(quán)費用極低，部分地區(qū)甚至免費，有利于電信運營商部署商業(yè)化業(yè)務(wù)。但是，由于頻譜太高，路徑損耗大，不適合遠(yuǎn)程通信，受空氣和雨水影響較大，易受阻擋，繞射能力差，非視距（NLOS）受限，因此業(yè)界主要觀點都認(rèn)為5G毫米波將主要應(yīng)用于近距離傳輸，以其大帶寬特性滿足熱點高容量和室內(nèi)覆蓋需求，如固定無線接入（最后1 km）、熱點地區(qū)的擴(kuò)容等場景。

圖1 5G毫米波頻段

圖2 全球毫米波頻段使用情況

從工藝來看，由于頻段高、帶寬大、路損大、器件口徑小等特性，5G毫米波對射頻前端器件的工藝和材料、終端的功耗和散熱、毫米波終端測試、成本都有著相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。在技術(shù)實現(xiàn)上，毫米波對芯片及終端帶來的挑戰(zhàn)主要來自于基帶及射頻（含天線）2部分。

對于基帶來說，其難點主要源于毫米波的超高帶寬設(shè)計需求，其對硬件處理能力、功耗及電源管理提出了更高的要求；同時毫米波更多的難點在于終端的射頻及天線，包括射頻器件工藝的選擇、射頻器件及天線的高度集成化、高頻陣列天線的設(shè)計及功耗提升等；對射頻前端器件的工藝和材料要求較高，成本較高，國內(nèi)高頻器件發(fā)展仍處于初步階段，目前5G毫米波大規(guī)模商用仍需一定時間及技術(shù)積累，用于民用移動通信還需考慮規(guī)模化量產(chǎn)和低成本等問題。

表1示出的是5G器件工藝要求。

表1 5G器件工藝要求

由于工藝、成本和技術(shù)實現(xiàn)上的難點，國內(nèi)的毫米波產(chǎn)業(yè)鏈才剛剛起步，國際上主要是高通和三星正在積極布局，高通于2018年7月23日宣布推出全球首款面向智能手機(jī)和其他移動終端的全集成5G NR毫米波射頻模組，名稱為QTM052毫米波天線模組。高通目前Sub-6 GHz頻段和毫米波射頻模組分為2套系統(tǒng)來做。三星推出了針對5G固定無線接入（FWA）的端到端商用解決方案，并成為了Verizon的FWA設(shè)備提供商。

2 毫米波在國內(nèi)應(yīng)用場景分析

從以上分析可以看出，5G毫米波的主要應(yīng)用場景還是在特定區(qū)域的家庭寬帶補(bǔ)充和熱點區(qū)域容量覆蓋。

a）固定無線接入：家庭寬帶占據(jù)運營商收入體系的重要份額，是全業(yè)務(wù)競爭的重要資源，也是獲取用戶生活場景中大量短距離連接的重要入口。光纖部署的最后1 km是寬帶競爭的主戰(zhàn)場，5G FWA將提供一種新型無線寬帶接入方式。北美的兩大電信運營商AT&T和Verizon都把5G毫米波優(yōu)先用在了家庭寬帶領(lǐng)域。

b）熱點高流量區(qū)域容量覆蓋：在4G時代，隨著視頻直播等業(yè)務(wù)的發(fā)展，移動流量業(yè)務(wù)激增，熱點地區(qū)的擴(kuò)容已經(jīng)成為運營商迫切的需求；5G時代將面臨海量連接和超高速率的需求，毫米波技術(shù)將是熱點地區(qū)擴(kuò)容的重要發(fā)展方向。

雖然北美電信運營商推出了5G home等基于5G毫米波的家庭寬帶業(yè)務(wù)，但是國內(nèi)情況和北美的情況差距較大，首先從居住環(huán)境上，北美絕大多數(shù)家庭住宅區(qū)域是以house為主，人口密度低，可視距離內(nèi)干擾物少，同時管道施工成本高、時間長，最后北美很多區(qū)域還是以cable和銅線接入為主，缺少光纖覆蓋基礎(chǔ)；而國內(nèi)情況確實截然相反，以高人口密度的高塔樓房為主，單位面積內(nèi)的用戶人群是北美的數(shù)十倍，同時鋼筋水泥環(huán)境，3.5 GHz為主的5G Sub-6 GHz頻段的室內(nèi)覆蓋都是一個大問題，更不要提毫米波了；最后，國內(nèi)絕大多數(shù)已經(jīng)步入了光纖時代，預(yù)計2019年6月，寬帶接入端口數(shù)達(dá)到8.3億個，覆蓋全國96%以上的行政村，光纖端口占比提升至86.3%，因此國內(nèi)的5G毫米波家庭寬帶市場面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

a）建設(shè)成本對比：FTTH的建設(shè)成本主要包含了接入網(wǎng)OLT部署、ODN鋪設(shè)和光貓采購成本；而5G毫米波的FWA由于無法和Sub-6 GHz頻段無線網(wǎng)共用，因此需要新加毫米波基站及配套電源、傳輸?shù)仍O(shè)備，以及用戶家中的毫米波CPE，初步估計兩者的建設(shè)成本對比如表2所示。

表2 建設(shè)成本對比

b）帶寬對比：雖然5G號稱是4G速度的百倍，按照FDD LTE平均容量計算，約為300 Mbit/s，基本預(yù)估5G毫米波的單站點速率可能達(dá)到30 Gbit/s，如果按照單小區(qū)的覆蓋用戶為300戶，考慮到并發(fā)效率為20%，基本可保障速率最高可達(dá)500 Mbit/s，但是由于無線干擾、覆蓋等問題，面向用戶的簽約速率可能只以300 Mbit/s為主；但是現(xiàn)階段國內(nèi)三大電信運營商的家庭寬帶基本上以百兆起步，部分一二線城市普遍達(dá)到了200 Mbit/s，按照國家和工信部要求，未來1～2年，部分城市已經(jīng)提出了全面千兆的口號，因此在帶寬上，5G FWA相比FTTH差距巨大。

c）資費對比：眾所周知，由于無線頻譜的稀缺性，無線寬帶的計價模式都是以流量為主，甚至有達(dá)到流量上限后自動降速的策略，雖然現(xiàn)階段還無法得知準(zhǔn)確的5G流量套餐價格，但是以4G時代不限量套餐作為參考，基本上是在100元左右；而查看三大電信運營商的家庭寬帶資費，大多數(shù)ARPU值在45元左右，且基本上是100 Mbit/s不限流量，因此5G FWA的資費相比FTTH也無任何優(yōu)勢。

d）運維難度對比：5G FWA由于沒有ODN資源限制，其業(yè)務(wù)使用體驗可以保障，且后期故障點少、維護(hù)成本非常??；但是，由于中國政府規(guī)定，固定寬帶的簽約速率必須是可以重復(fù)測量并且測速不能小于簽約速率的90%，因此對于無線接入的5G FWA來說，如何保障所有用戶的接入速率將是重大難題之一。

而對于日韓電信運營商推動的5G毫米波的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，在特定場景下提供大容量覆蓋和融合場景應(yīng)用，5G FWA卻有一定的優(yōu)勢。

a）快速部署且成本較低：通過在火車站、體育館等部署多個5G毫米波CPE，將無線信號轉(zhuǎn)化成Wi-Fi信號，為高密度人群提供高速寬帶接入服務(wù)，將可能是未來5G FWA的重要部署場景之一；對于這些高密度人群的特定區(qū)域，考慮到場館已經(jīng)建成，新入和擴(kuò)容成本高，在場館周圍部署5G FWA基站，場館內(nèi)部部署5G FWA CPE，能夠快速實現(xiàn)擴(kuò)容能力。

b）5G特性能夠帶來創(chuàng)新業(yè)務(wù)：雖然5G FWA是以高帶寬為主，但是不可否認(rèn)5G FWA也能夠具備5G的mMTC、uRLLC等特性，可以根據(jù)用戶需要，將其中2點甚至3點組合到一起帶來創(chuàng)新業(yè)務(wù)，如NTT DOCOMO就考慮用5G FWA支持車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，即考慮的是eMBB+uRLLC。

c）特定業(yè)務(wù)分流將是趨勢之一：5G時代8K、VR/AR等新視頻業(yè)務(wù)將是流量大戶，雖然3.5 GHz是后期5G部署重點，但是考慮到只有100 MHz頻寬，其系統(tǒng)總?cè)萘繉o法承擔(dān)特定區(qū)域的熱點事件，如演唱會高清甚至VR直播等，因此使用5G FWA能夠為主系統(tǒng)提升更大的容量。

3 結(jié)束語

隨著5G標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，系統(tǒng)廠商、電信運營商、芯片廠商等產(chǎn)業(yè)鏈所有參與者都在為5G規(guī)模商用努力，5G毫米波作為5G的一部分，自然也是產(chǎn)業(yè)界重點關(guān)注領(lǐng)域之一，國外的部分電信運營商也做了很多的嘗試。本文分析了5G毫米波的技術(shù)背景和前期產(chǎn)業(yè)鏈情況，同時分析了國內(nèi)家庭寬帶領(lǐng)域現(xiàn)狀，對比了傳統(tǒng)的FTTH和FWA的優(yōu)劣勢，最后建議5G FWA初期應(yīng)該重點發(fā)展企業(yè)客戶。