［李鵬翔 魏垚 黃韜 楊智斌］

1 引言

5G 在4G 的基礎(chǔ)上對峰值速率、移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)延遲等都提出了更高的要求。通常而言，波長介于1～10 mm之間（對應(yīng)頻段為30～300 GHz）的電磁波被稱為毫米波。該頻段擁有豐富的頻率資源，可以實(shí)現(xiàn)極高的帶寬與極低的時(shí)延，從而有效滿足5G 提出的高速率、低時(shí)延、高效率等要求，應(yīng)對2C、2B 不同場景的多樣化需求。

2019 年11 月，世界無線電通信大會(huì)WRC-19 定義了用于國際移動(dòng)通信的毫米波附加頻段，有力地推動(dòng)了毫米波技術(shù)的發(fā)展。目前全球知名的運(yùn)營商都在積極謀劃毫米波的部署工作。數(shù)據(jù)顯示截止到2020 年11 月，全球已經(jīng)有來自20 個(gè)國家和地區(qū)的106 家運(yùn)營商獲得了5G 毫米波頻段的運(yùn)營許可，其中24 家運(yùn)營商已經(jīng)在部署5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)。另外，全球共有95 種已發(fā)布的設(shè)備明確支持一個(gè)或者多個(gè)24 GHz 以上的5G 頻段，其中46 種為商用設(shè)備。美國的幾大主流電信運(yùn)營商都已經(jīng)部署了5G 毫米波商用網(wǎng)絡(luò)。韓國、日本的運(yùn)營商也在加速5G 毫米波的部署。國內(nèi)情況，2017 年7 月，工信部批準(zhǔn)兩個(gè)毫米波頻段（24.75～27.5 GHz、37～42.5 GHz）可用于實(shí)驗(yàn)室和外場5G 試驗(yàn)。2019 年11 月，IMT-2020（5G）推進(jìn)組表示將在2019～2021 年分3 個(gè)階段重點(diǎn)推進(jìn)5G 毫米波的試驗(yàn)工作。2020 年3 月，工信部發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)5G 加快發(fā)展的通知》推動(dòng)5G 毫米波頻段的頻率規(guī)劃和相關(guān)測試，做好毫米波商用的技術(shù)儲(chǔ)備工作。

研究表明到2034 年，使用毫米波頻段帶來的全球GDP 增長保守預(yù)計(jì)將達(dá)到5 650 億美元，并創(chuàng)造1 520億美元的稅收，其中亞太地區(qū)和美洲地區(qū)將分別貢獻(xiàn)2 120 億美元和1 900 億美元的GDP 增長。作為全球5G技術(shù)的先行者之一，到同一時(shí)間，毫米波頻段的使用給中國帶來的GDP 效益將達(dá)到1 040 億美元，其中制造業(yè)與公共事業(yè)占比最大，將達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益總值的62%。

2 3GPP 5G 毫米波標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

目前3GPP已經(jīng)于2019年凍結(jié)了R15的Late Drop（延遲交付）版本，于2020 年凍結(jié)了R16 標(biāo)準(zhǔn)?；?021年下半年能夠恢復(fù)面對面會(huì)議的假設(shè)，2020 年12 月召開的3GPP 全體會(huì)議提出了一個(gè)新的R17 標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間表，預(yù)計(jì)2021 年6 月凍結(jié)R17 Stage 2，2022 年3 月凍結(jié)R17 Stage 3。

3GPP 5G 毫米波標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展如圖1 所示，3GPP 同步開展了毫米波頻段和中低頻段的標(biāo)準(zhǔn)化工作，NR R15 是包含5G 毫米波技術(shù)的第一版5G 標(biāo)準(zhǔn)。R15 中明確了5G 通信系統(tǒng)將主要使用FR1 和FR2 兩個(gè)頻段，其中前者的范圍為410～7 125 MHz，后者的范圍為24.25～52.6 GHz，后者通常也被稱為毫米波頻段。同時(shí)R15 中定義了FR1 和FR2 頻段的物理特性，例如幀結(jié)構(gòu)、子載波間隔、時(shí)隙長度等。另外R15 標(biāo)準(zhǔn)還定義了5G 毫米波系統(tǒng)的基本功能，例如基于多波束的同步與接入、波束失敗恢復(fù)、天線端口QCL（Quasi Co-Location，準(zhǔn)共址）配置、基于層一的RSRP 測量與上報(bào)等。

圖1 3GPP 5G 毫米波標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

R16 在降低時(shí)延、優(yōu)化開銷、提高工作效率等方面對5G 毫米波系統(tǒng)進(jìn)行了增強(qiáng)或補(bǔ)充。其中物理層方面的增強(qiáng)包括引入Msg A+Msg B 兩步隨機(jī)接入、支持Multi-TRP（多傳輸點(diǎn)）對單個(gè)UE 的通信、引入IAB（Integrated Access Backhaul，集成無線接入與回傳）等；UE 節(jié)能方面的增強(qiáng)包括引入喚醒信號WakeUpSignal、支持MIMO層數(shù)自適應(yīng)、增強(qiáng)跨時(shí)隙調(diào)度功能等；移動(dòng)性方面的增強(qiáng)包括引入減少切換中斷時(shí)間和提高切換可靠性的機(jī)制，例如DAPS（Dual Active Protocol Handover，雙激活協(xié)議棧切換）、CHO（Conditional Handover，條件切換）等。

R17 的研究內(nèi)容由2019 年12 月召開的TSG#86 會(huì)議確定。R17 標(biāo)準(zhǔn)將引入更多的5G 毫米波增強(qiáng)特性，并適配更多的場景與業(yè)務(wù)，以進(jìn)一步提升5G 毫米波系統(tǒng)性能。例如R17 標(biāo)準(zhǔn)將針對高頻段的高速移動(dòng)場景，研究更加靈活有效的波束管理機(jī)制，以提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋的能力。另外R17還將對FR2 毫米波頻段進(jìn)行擴(kuò)展，重點(diǎn)關(guān)注52.6～71 GHz頻段。

3 5G 毫米波通信系統(tǒng)優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

與中低頻段相比，毫米波具有帶寬大、頻段高的特點(diǎn)，5G 毫米波通信系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢。

①系統(tǒng)峰值吞吐率可大幅提高。毫米波頻段的頻率資源十分豐富，可以配置極大的系統(tǒng)帶寬。目前國內(nèi)主流的基站設(shè)備廠家在毫米波頻段已經(jīng)可以通過載波聚合的方式（4 個(gè)200 MHz 或者8 個(gè)100 MHz）實(shí)現(xiàn)總共800 MHz 的系統(tǒng)帶寬。再配合以先進(jìn)的信號處理技術(shù)，5G毫米波通信系統(tǒng)可以輕松實(shí)現(xiàn)Gbit/s數(shù)量級的峰值吞吐率。2020年8月底，在北京懷柔試驗(yàn)基地進(jìn)行的IMT-2020（5G）毫米波測試中，利用支持800 MHz 總帶寬的毫米波基站和基于商用芯片的終端，成功實(shí)現(xiàn)了下行4 Gbit/s 的超高峰值速率。

② 系統(tǒng)空口時(shí)延可大幅降低。目前國內(nèi)主流的3.5G NR 系統(tǒng)子載波間隔為30 kHz，對應(yīng)的時(shí)隙長度為0.5 ms。而5G 毫米波系統(tǒng)的子載波間隔可以配置為60 kHz或者120 kHz，對應(yīng)的時(shí)隙長度為0.25 ms或者0.125 ms。5G通信網(wǎng)絡(luò)通常以時(shí)隙為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度，可以預(yù)見5G毫米波通信系統(tǒng)的空口時(shí)延將顯著降低，從而滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)交互傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)的極低時(shí)延需求。

③系統(tǒng)設(shè)備更容易實(shí)現(xiàn)輕量化、微型化。5G 毫米波頻段高、波長短，物理空間相同的條件下可以包含數(shù)量更多的天線單元，因此毫米波設(shè)備的設(shè)計(jì)與部署更具優(yōu)勢。配合以先進(jìn)的波束賦形技術(shù)，信號能量可以被集中在更加狹窄的特定方向上，提高毫米波波束的空間分辨能力。這一方面可以有效緩解毫米波傳播損耗高、繞射衍射能力弱的問題，增加毫米波系統(tǒng)的通信距離，另一方面也可以有效降低來自相鄰波束或者相鄰小區(qū)的干擾，進(jìn)行更加密集的毫米波設(shè)備部署，最后還有利于實(shí)現(xiàn)更高精度的定位。

5G 毫米波優(yōu)勢眾多，但是想要進(jìn)一步釋放其技術(shù)潛能仍然面臨諸多挑戰(zhàn)：

①毫米波覆蓋相對受限。5G 毫米波頻段高，信號在無線環(huán)境中傳播將面臨更大的路徑損耗，同時(shí)信號的穿透能力、繞射衍射能力也更弱，導(dǎo)致其覆蓋相對受限。根據(jù)3GPP TR 38.901 第7.4 章節(jié)Uma LOS 場景下的路徑損耗計(jì)算模型，當(dāng)其他條件相同時(shí)，26 GHz 載波的路徑損耗比3.5 GHz 載波高約17.4 dB。再例如28 GHz 載波的葉面衰減高達(dá)17 dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3 GHz 載波的8.8 dB。目前解決5G 毫米波衰減與阻擋問題的方案是波束賦形技術(shù)，即通過調(diào)整每個(gè)天線陣子的加權(quán)變量形成針對特定目標(biāo)的波束，利用天線端的陣列增益來擴(kuò)大毫米波系統(tǒng)的覆蓋范圍。在IAB 組網(wǎng)構(gòu)架下，可以將5G 毫米波作為LOS 場景無線回傳鏈路，并配合多跳技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自適應(yīng)技術(shù)，靈活延伸5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。另外在Small Cell 場景下，可以通過部署高密度的5G 毫米波Small Cell 基站來獲得覆蓋效果的提升。

② 毫米波移動(dòng)性管理更加復(fù)雜。由于5G 毫米波在傳播特性上的劣勢，單個(gè)毫米波小區(qū)的覆蓋面積通常小于中低頻段小區(qū)，這將導(dǎo)致終端在移動(dòng)時(shí)面臨尤其嚴(yán)峻的切換和數(shù)據(jù)中斷問題。對此，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)采取由寬到窄的分級掃描策略，可以根據(jù)用戶位置切換最優(yōu)波束；提出靈活高效的小區(qū)切換策略，既支持基站內(nèi)和基站間的切換、也支持基于高層信令和基于低層指示的切換；出現(xiàn)波束跟蹤失敗時(shí)，支持無需核心網(wǎng)參與的快速波束恢復(fù)機(jī)制，主要包括波束失敗檢測、新波束發(fā)現(xiàn)、波束恢復(fù)請求和波束恢復(fù)請求響應(yīng)4 個(gè)流程；另外還支持Multi-TRP 技術(shù)，允許一個(gè)移動(dòng)終端同時(shí)連接到多個(gè)傳輸點(diǎn)，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。

③毫米波與中低頻的共存問題。作為5G 通信系統(tǒng)主要使用的兩個(gè)頻段，毫米波與FR1 中低頻段的共存需要提出能夠整合各自優(yōu)勢的高低頻混合組網(wǎng)策略與相應(yīng)的業(yè)務(wù)負(fù)載分擔(dān)方案、互操作機(jī)制等。目前主要的技術(shù)備選方案有雙連接、載波聚合。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，相對而言，雙連接方式終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)較簡單，而載波聚合方式實(shí)現(xiàn)效率更高。另外載波聚合方式對通信系統(tǒng)的同步性要求較高，尤其是在高低頻不共站場景下，站間不同步將導(dǎo)致載波聚合性能進(jìn)一步惡化。預(yù)計(jì)未來會(huì)有更多的選擇來解決毫米波與中低頻的共存問題，例如NR 高頻與NR 低頻的雙連接、NR 高頻與NR 低頻的載波聚合等。

④ 毫米波空口資源需求多樣化。5G 毫米波使用與Sub-6G 幾乎相同的3GPP 空口標(biāo)準(zhǔn)，無法有效滿足未來毫米波業(yè)務(wù)對空口上下行能力的差異化需求。例如AR/VR沉浸式業(yè)務(wù)、8K 超高清視頻業(yè)務(wù)等以下行為主，視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程手術(shù)業(yè)務(wù)等以上行為主，另外也存在對下行上行需求較均衡的業(yè)務(wù)。5G 毫米波系統(tǒng)需要根據(jù)場景、業(yè)務(wù)需求對空口資源配置進(jìn)行更加靈活、快速的調(diào)整，從而進(jìn)一步挖掘毫米波大帶寬的優(yōu)勢。

4 5G 毫米波應(yīng)用建議

通過對5G 毫米波技術(shù)優(yōu)劣勢的分析，為充分發(fā)揮毫米波大帶寬、低時(shí)延的特點(diǎn)，下面對毫米波在面向2C 和2 B 的應(yīng)用場景提出建議。

2C 場景中，毫米波大帶寬、大容量的優(yōu)勢可以有效應(yīng)對高業(yè)務(wù)密度地區(qū)的速率需求，建議將毫米波應(yīng)用于人流密度大，對數(shù)據(jù)流量需求高，同時(shí)視野比較開闊，沒有復(fù)雜障礙物阻擋的場景，利用5G 毫米波的LOS 傳播，規(guī)避其穿透能力差、繞射衍射能力弱的缺點(diǎn)。毫米波典型的2C 應(yīng)用場景如圖2 所示，包括大型體育場館、交通樞紐、商業(yè)中心等。測試結(jié)果表明，在美國超級碗體育館內(nèi)部署8 個(gè)工作在28 GHz 頻段、帶寬為400 MHz 的5G 毫米波基站，即可實(shí)現(xiàn)對整個(gè)體育場館的良好覆蓋，下載速率達(dá)到了915 Mbit/s，約為4G 的10 倍。2022 年北京冬奧會(huì)也將采用5G 毫米波技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高清賽事直播、實(shí)時(shí)視頻回傳等服務(wù)。

圖2 毫米波典型2C 應(yīng)用場景

2B 場景中，毫米波高速率、低時(shí)延、波束易隔離、定位精度高的優(yōu)勢可以有效滿足不同行業(yè)專網(wǎng)的差異化需求。在制造、物流、能源等諸多行業(yè)中，制造業(yè)對5G 專網(wǎng)的需求最為強(qiáng)烈。而作為新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對系統(tǒng)的容量、響應(yīng)速度、精度、信息處理可靠性等都提出了新的更高需求。在這種情況下，建議可重點(diǎn)考慮5G 毫米波在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。毫米波典型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2B 應(yīng)用場景如圖3 所示，建議利用毫米波高速率的優(yōu)勢，對有高速成像需求的數(shù)據(jù)密集型生產(chǎn)流程進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，及時(shí)解決工業(yè)流程中遇到的問題，保障生產(chǎn)安全；建議利用毫米波低時(shí)延的優(yōu)勢，對機(jī)械手臂、工業(yè)機(jī)器人發(fā)出的請求和指令做出快速的響應(yīng)，滿足實(shí)時(shí)變化的控制需求，提高生產(chǎn)效率；建議利用毫米波波束易隔離、定位精度高的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)更加靈活安全的廠內(nèi)無人物流、貨物自主裝卸，優(yōu)化物流流程、縮短生產(chǎn)時(shí)間。2020 年1 月，瑞典的企業(yè)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成功測試了基于5G 毫米波的URLLC 功能，僅通過5G 毫米波連接就實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人手臂的精準(zhǔn)、快速控制。而日本的公司自建5G 專網(wǎng)，并于2020 年3 月宣布正式商用，該專網(wǎng)采用4G/5G NSA 組網(wǎng)模式，其中5G NR 基站使用的頻段為28 GHz，通過分析5G 專網(wǎng)傳輸多點(diǎn)攝像機(jī)收集到的高清圖像數(shù)據(jù)，達(dá)到檢測可疑行為、預(yù)防違法犯罪的目的。

圖3 毫米波典型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2B 應(yīng)用場景

5 結(jié)束語

本文首先介紹了5G 毫米波的全球部署情況和3GPP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展，接著分析了毫米波技術(shù)的優(yōu)勢與面臨的挑戰(zhàn)，最后從2C 和2B 兩個(gè)方面對毫米波的應(yīng)用提出了建議?？偠灾?，毫米波頻段豐富的頻譜資源可以有效應(yīng)對未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的高標(biāo)準(zhǔn)、差異化需求。隨著產(chǎn)業(yè)鏈的日益成熟，5G 毫米波技術(shù)將加速發(fā)展，并帶動(dòng)更多的經(jīng)濟(jì)增長，相信毫米波技術(shù)能夠?yàn)?G 應(yīng)用提供更加廣闊的發(fā)展空間。