Sub-6GHz网络全面铺开，中国为什么还要发展5G毫米波？
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2021-06-09 14:47
全球5G网络频段主要分为Sub-6GHz频段和毫米波（mmWave）频段。5G毫米波网络与Sub-6GHz网络并不是“二者只能选其一”的对立关系，而是“鱼和熊掌可以得兼”的互补关系，各国选择先走何种技术路线，更多是基于自身的国情来考虑。而中国在5G Sub-6GHz网络建设成熟之后，对于5G毫米波网络的建设也已经被提上了日程。
2020年3月，工信部就发布了“关于推动5G加快发展的通知”，通知明确提到“适时发布部分5G毫米波频段频率使用规划，组织开展毫米波设备和性能测试，为5G毫米波技术商用做好储备”。2021年4月30日，工信部又发布了《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》征求意见稿（以下简称“意见稿”），该意见稿提出，到2023年，我国5G个人用户普及率将超40%，用户数超过5.6亿。同时，意见稿提出，将“适时发布5G毫米波频率规划，探索5G毫米波频率使用许可实行招标制度”。这也意味着继5G Sub-6GHz网络在国内全面铺开之后，5G毫米波在国内的建设也即将起航。此外，工信部总工程师田玉龙在3月国新办新闻发布会上在谈到推动信息通信业高质量发展的时候强调，“将有序推进5G网络建设，加快6G的布局”。
5G毫米波与Sub-6GHz是互补关系
毫米波是指波长为1mm至10mm，频率为30GHz至300GHz的电磁波。而在移动通信领域，通常将24GHz-100GHz的电磁波称为毫米波。
2019年国际电信联盟（ITU）的世界无线电通信大会（WRC-19）已确定24GHz至86GHz之间的毫米波频段将用于国际移动通信（IMT），其中24.25-27.5GHz、37-43.5GHz和66-71GHz频段为全球融合一致的IMT频段。
相对于Sub-6GHz（6GHz以下频段）的5G系统，5G毫米波通信拥有从24GHz到100GHz范围的超大带宽，使得其具有更高速率、更低时延和灵活弹性空口配置等独特的优势，可以有效满足未来无线通信对于系统容量、传输速率和差异化应用等需求。
比如在传输速率上，Ookla基于其旗下Speedtest应用的大量实测数据的最新分析显示，5G毫米波频段可达Sub-6GHz频段的16倍。
其次，5G采用子载波和时隙两个维度一起来传输数据，毫米波具有高带宽的特点，子载波间隔大，对应时隙较小，这也使得5G毫米波时延仅为Sub-6GHz频段的25%左右；同样由于毫米波拥有更大的可利用带宽、更高的传输速率，这也使得其能够提供更大的容量以满足更广泛的终端接入。
此外，5G毫米波的更高下行速率，可以在减少干扰的同时支持密集的空间复用，能够更好的解决同一区域同一时间大量用户上网的拥堵问题，特别适合是在车站、机场、体育场馆等人口密集的场景应用。
在相关行业应用领域，如超高清视频直播、安防监控、远程医疗以及部分工业应用等对上传速率及低时延存在较高要求的场景下，5G毫米波大上行、更低时延的特性则可以更好的满足这些需求。
特别需要指出的是，5G毫米波网络可以实现自回传，无需借助于光纤网络与核心网的连接。基于Sub-6GHz的5G网络，依然是需要依赖于传统的光纤回传方案，即每个5G基站与核心网之间都需要通过光纤连接，而这也增加了部署成本。5G毫米波IAB (Integrated Access and Backhaul，集成接入和回传)技术，可以支持5G毫米波基站借助其他5G毫米波基站作为中继节点，通过多跳功能，最终以无线传输的形式回传到核心网，这将极大节省部署成本。而这也使得5G毫米波基站能够支持更具成本效益的密集部署。
此外，毫米波技术还可被应用于 5G 车联网 (V2X)，提供远超 GPS 和 LTE 精度的定位服务（精度可达亚米级）。
中国联通科技创新部总经理马红兵介绍：“5G毫米波通过与MEC、AI技术结合，毫米波可以为目标客户提供定制化专网服务，可广泛应用于智慧厂区、智慧园区和智慧码头等场景。”
虽然毫米波相比Sub-6GHz频段在速度和时延等方面更具优势，但也有其局限性，比如信号易衰减，穿透力差，易受阻挡；虽然目前已有波束成形、波束追踪等技术可以很好地解决这些问题。但是Sub-6GHz频段在覆盖范围和部署成本上，还是具有更大的优势。
总而言之，5G毫米波网络与Sub-6GHz网络部署并不是相互竞争和替代的关系，而是相互补充的关系。利用Sub-6GHz实现5G的广覆盖，利用毫米波系统实现室内场馆（体育赛事、演唱会、大型会议）、交通枢纽（地铁站、高铁站）及办公区域覆盖，以及室外热点覆盖、无线宽带接入等。毫米波与Sub-6GHz协同部署，可以实现大容量和广覆盖的有机结合。
中国5G毫米波部署前期准备早已开始，进展顺利
如果说Sub-6GHz网络解决了5G的覆盖问题，那么5G毫米波网络则更能够最大限度地发挥出5G的优势，从而释放更大的价值。
高通中国区董事长孟樸也表示：“要想达到5G最初的设计目标，需要利用所有的频谱资源。Sub-6GHz的中低频段能够实现覆盖范围、容量和性能的平衡，而24GHz以上的高频毫米波，则可支持极致的5G性能和容量，为众多场景和行业带来下一代无线连接体验，为工业互联网等垂直领域带来超可靠低时延的移动通信。”
根据去年9月GSMA发布的《5G毫米波技术白皮书》预测，到2035年之前，5G毫米波将对全球GDP做出5650亿美元的贡献。其中，在2034年之前，在中国使用5G毫米波频段所直接带来的经济受益将达到约1040亿美元。
目前美国、日本、欧洲和东南亚均开展了5G毫米波部署。而根据GSA今年3月公布的数据显示，目前全球已有超过150家运营商正在投资5G毫米波技术。
根据中国IMT-2020（5G）推进组的5G毫米波测试规划，2019年已经开始了对毫米波进行测试，验证5G毫米波关键技术和系统特性；2020年开始，进一步验证毫米波基站和终端的功能、性能和互操作，开展高低频协同组网验证；与此同时，中国IMT-2020（5G）推进组还适时开展了典型场景验证。
2019年10月，在IMT-2020（5G）推进组的组织下，中兴和高通实现了中国首个基于智能手机的5G毫米波互操作性测试（IoDT）。在2020年7月初发布的3GPP Rel-16版本中明确了全新的毫米波MIMO OTA测试方法的两个月后，9月底，在IMT-2020（5G）推进组的组织下，高通在信通院MTNet实验室，率先完成基于3GPP Rel-16 MIMO OTA测试方法的毫米波性能测试。至此，高通也成为在中国首家参与并通过全部十项26GHz 5G毫米波射频测试的芯片厂商。
在毫米波测试工作有序推进的同时，芯片产品的特性也面向中国毫米波部署需求不断优化。2021年5月19日，高通宣布专门针对其2月发布的全球首个10Gbps 5G调制解调器及射频系统——骁龙X65，推出升级特性和功能：支持毫米波200MHz带宽、毫米波SA模式，从而满足中国毫米波网络部署所需的关键需求。
针对毫米波将大展身手的行业应用场景，中国毫米波产业上下游厂商正在发力。2021年5月21日，在IMT-2020（5G）推进组和中国联通的技术指导下，中兴、中国联通、高通与TVU Networks在实验室环境下成功在26GHz(n258) 频段上完成全球首次基于大上行帧结构的5G毫米波8K视频回传业务演示。
在本次演示中，中兴提供了5G毫米波基站，TVU Networks的5G多网聚合路由器通过搭载高通骁龙 X55 5G调制解调器及射频系统和高通QTM527毫米波天线模组的CPE形态的测试终端提供的5G毫米波连接，将实时采集的8K视频内容通过5G毫米波上行链路实现稳定的回传，并最终在接收端成功接收进行回放。
根据IMT-2020（5G）推进组的5G毫米波测试计划，2021年将推动毫米波大上行帧结构，支持差异化应用场景。超高清视频尤其是8K视频的实时回传，对移动网络的上行链路带宽有非常高的要求。此次演示所采用的DSUUU帧结构，通过为上行链路分配更多时隙，将现有毫米波技术的上行链路峰值速率提高到了3倍。演示验证了5G毫米波的超级上行能力，对于满足未来众多5G行业应用的上行大带宽需求具有重要意义。
值得一提的是，在2021年MWC上海展期间，由中国联通和GSMA主办、高通支持的5G毫米波展区，全面展示了由39家业界领先企业支持的5G毫米波应用及终端，展出的多厂商5G毫米波终端覆盖模组、手机、CPE、PC、AR（增强现实）和XR（扩展现实）设备、直播背包、机器人等丰富品类。
其中展出的5G毫米波支持的多样化应用场景包括：运动员竞技体验、5G混合现实智慧雪场、8K视频传输、5G全视角赛事服务和自由视角赛事直播、5G毫米波全景体验等。基于毫米波的5G多视角赛场直播方案，直接取景张家口国际越野滑雪中心外场，将无人机、头戴摄像机、专业摄影相机通过无线网络与基站通信，多角度实时回传运动员在国家越野滑雪中心赛场上的飒爽英姿，实现多角度赛场直播，为实际观赛者提供多样化的观赛体验。目前中国联通是2022年北京冬奥会唯一官方通信服务合作伙伴。5G毫米波相关终端及应用的成熟，有助于在2022年北京冬奥会利用毫米波技术提供更好的5G服务。
5G毫米波技术仍在持续演进，或成6G重要组成
目前毫米波技术仍在持续演进当中。比如前面提到的集成接入及回传（IAB）技术；还有可支持精确终端定位的宽带定位技术；扩展频谱支持：支持52.6GHz以上频段及面向许可辅助和独立运行的免许可频谱；增强型波束管理：通过全波束优化和多天线面板波束支持，改善时延、稳健性和性能；双连接优化：降低终端初始接入时延，并在连接多个节点时改善覆盖；节电特性：通过最大化终端休眠期，以改善功耗井支持更快的链路反馈。
而通过对于5G毫米波相关技术的持续演进，将可带来功能、效率、频谱和部署方面的全新机遇。此外，5G毫米波技术也有望成为下一代的6G技术的重要组成。
根据去年三星发布的6G白皮书《下一代超连接体验》，6G峰值速率将达到1000Gbps，延迟低至100us。最早可能在2028年完成并实现商业化，而大规模商业化则可能在2030年左右实现。对于这几个关键指标和时间节点，其他通信厂商的看法也是基本一致的。
三星还提出了6G标准可能用到的候选技术，比如THz太赫兹频段，增强高频信号覆盖的新型天线技术，先进的双工技术，发展网络拓扑、频谱共享以提高网络利用率、提升AI的应用等。
而紫光展锐发布的《6G：无界，有AI》白皮书中则认为，6G核心技术将呈现多元化，太赫兹通信、可见光通信、先进调制解码、星地协同传输或将成为6G核心技术。
而高通则强调了相关技术的创新，比如AI/ML数据驱动型设计、全双工、更高频段的毫米波、增强定位、太赫兹频段、智能界面、绿色网络、射频传感、全新拓扑、极致解耦、云端神经网络结构搜索、超安全通信、全新共享范式等。
可以看到，不少厂商都认为太赫兹通信技术将是6G通信的关键技术之一。太赫兹频段通常是指300GHz～10000GHz频段，而300GHz左右的电磁波也可以看做的是更高频段的毫米波。也只有掌握了毫米波通信技术，才能够有机会在太赫兹通信技术上突破。
2020年中，华为中国运营商业务部副总裁杨涛也曾公开透露，华为已经在参与6G相关预研工作，已预研的6G是以用毫米波段为主，正处于场景挖掘和技术寻找阶段。
值得一提的是，在2019年底之时，日本 NTT 集团旗下设备技术实验室就有研发了磷化铟(InP)化合物半导体制造的 6G 超高速芯片，并在300GHz频段进行了高速无线传输实验，当采用16QAM 调制时可达到高达100Gbps的无线传输速率。如果使用 MIMO 和 OAM 等空间复用技术组合，有望实现超过400Gpbs大容量无线传输，这已经接近了6G峰值速率要求。
另外，6G要实现空天地海的一体化高速通信网，毫米波频段也将是星间链路、卫星向下覆盖的用户链路、卫星到地面站的馈电链路的首选。
编辑：芯智讯-浪客剑
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