5G 毫米波技術與應用探討

［李鵬翔 魏垚 黃韜 楊智斌］

1 引言

5G 在4G 的基礎上對峰值速率、移動性、網絡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，可以實現極高的帶寬與極低的時延，從而有效滿足5G 提出的高速率、低時延、高效率等要求，應對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WRC-19 定義了用于國際移動通信的毫米波附加頻段，有力地推動了毫米波技術的發展。目前全球知名的運營商都在積極謀劃毫米波的部署工作。數據顯示截止到2020 年11 月，全球已經有來自20 個國家和地區的106 家運營商獲得了5G 毫米波頻段的運營許可，其中24 家運營商已經在部署5G 毫米波網絡。另外，全球共有95 種已發布的設備明確支持一個或者多個24 GHz 以上的5G 頻段，其中46 種為商用設備。美國的幾大主流電信運營商都已經部署了5G 毫米波商用網絡。韓國、日本的運營商也在加速5G 毫米波的部署。國內情況，2017 年7 月，工信部批準兩個毫米波頻段（24.75～27.5 GHz、37～42.5 GHz）可用于實驗室和外場5G 試驗。2019 年11 月，IMT-2020（5G）推進組表示將在2019～2021 年分3 個階段重點推進5G 毫米波的試驗工作。2020 年3 月，工信部發布《關于推動5G 加快發展的通知》推動5G 毫米波頻段的頻率規劃和相關測試，做好毫米波商用的技術儲備工作。

研究表明到2034 年，使用毫米波頻段帶來的全球GDP 增長保守預計將達到5 650 億美元，并創造1 520億美元的稅收，其中亞太地區和美洲地區將分別貢獻2 120 億美元和1 900 億美元的GDP 增長。作為全球5G技術的先行者之一，到同一時間，毫米波頻段的使用給中國帶來的GDP 效益將達到1 040 億美元，其中制造業與公共事業占比最大，將達到經濟效益總值的62%。

2 3GPP 5G 毫米波標準進展

目前3GPP已經于2019年凍結了R15的Late Drop（延遲交付）版本，于2020 年凍結了R16 標準。基于2021年下半年能夠恢復面對面會議的假設，2020 年12 月召開的3GPP 全體會議提出了一個新的R17 標準工作時間表，預計2021 年6 月凍結R17 Stage 2，2022 年3 月凍結R17 Stage 3。

3GPP 5G 毫米波標準進展如圖1 所示，3GPP 同步開展了毫米波頻段和中低頻段的標準化工作，NR R15 是包含5G 毫米波技術的第一版5G 標準。R15 中明確了5G 通信系統將主要使用FR1 和FR2 兩個頻段，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R15 中定義了FR1 和FR2 頻段的物理特性，例如幀結構、子載波間隔、時隙長度等。另外R15 標準還定義了5G 毫米波系統的基本功能，例如基于多波束的同步與接入、波束失敗恢復、天線端口QCL（Quasi Co-Location，準共址）配置、基于層一的RSRP 測量與上報等。

圖1 3GPP 5G 毫米波標準進展

R16 在降低時延、優化開銷、提高工作效率等方面對5G 毫米波系統進行了增強或補充。其中物理層方面的增強包括引入Msg A+Msg B 兩步隨機接入、支持Multi-TRP（多傳輸點）對單個UE 的通信、引入IAB（Integrated Access Backhaul，集成無線接入與回傳）等；UE 節能方面的增強包括引入喚醒信號WakeUpSignal、支持MIMO層數自適應、增強跨時隙調度功能等；移動性方面的增強包括引入減少切換中斷時間和提高切換可靠性的機制，例如DAPS（Dual Active Protocol Handover，雙激活協議棧切換）、CHO（Conditional Handover，條件切換）等。

R17 的研究內容由2019 年12 月召開的TSG#86 會議確定。R17 標準將引入更多的5G 毫米波增強特性，并適配更多的場景與業務，以進一步提升5G 毫米波系統性能。例如R17 標準將針對高頻段的高速移動場景，研究更加靈活有效的波束管理機制，以提高網絡覆蓋的能力。另外R17還將對FR2 毫米波頻段進行擴展，重點關注52.6～71 GHz頻段。

3 5G 毫米波通信系統優勢與挑戰

與中低頻段相比，毫米波具有帶寬大、頻段高的特點，5G 毫米波通信系統具有如下優勢。

①系統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帶寬。目前國內主流的基站設備廠家在毫米波頻段已經可以通過載波聚合的方式（4 個200 MHz 或者8 個100 MHz）實現總共800 MHz 的系統帶寬。再配合以先進的信號處理技術，5G毫米波通信系統可以輕松實現Gbit/s數量級的峰值吞吐率。2020年8月底，在北京懷柔試驗基地進行的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，成功實現了下行4 Gbit/s 的超高峰值速率。

② 系統空口時延可大幅降低。目前國內主流的3.5G NR 系統子載波間隔為30 kHz，對應的時隙長度為0.5 ms。而5G 毫米波系統的子載波間隔可以配置為60 kHz或者120 kHz，對應的時隙長度為0.25 ms或者0.125 ms。5G通信網絡通常以時隙為單位進行數據調度，可以預見5G毫米波通信系統的空口時延將顯著降低，從而滿足工業互聯網、實時交互傳輸等業務的極低時延需求。

③系統設備更容易實現輕量化、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量更多的天線單元，因此毫米波設備的設計與部署更具優勢。配合以先進的波束賦形技術，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的干擾，進行更加密集的毫米波設備部署，最后還有利于實現更高精度的定位。

5G 毫米波優勢眾多，但是想要進一步釋放其技術潛能仍然面臨諸多挑戰：

①毫米波覆蓋相對受限。5G 毫米波頻段高，信號在無線環境中傳播將面臨更大的路徑損耗，同時信號的穿透能力、繞射衍射能力也更弱，導致其覆蓋相對受限。根據3GPP TR 38.901 第7.4 章節Uma LOS 場景下的路徑損耗計算模型，當其他條件相同時，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17 dB，遠遠高于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，即通過調整每個天線陣子的加權變量形成針對特定目標的波束，利用天線端的陣列增益來擴大毫米波系統的覆蓋范圍。在IAB 組網構架下，可以將5G 毫米波作為LOS 場景無線回傳鏈路，并配合多跳技術與網絡拓撲結構自適應技術，靈活延伸5G 毫米波網絡覆蓋范圍。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 毫米波移動性管理更加復雜。由于5G 毫米波在傳播特性上的劣勢，單個毫米波小區的覆蓋面積通常小于中低頻段小區，這將導致終端在移動時面臨尤其嚴峻的切換和數據中斷問題。對此，3GPP 標準采取由寬到窄的分級掃描策略，可以根據用戶位置切換最優波束；提出靈活高效的小區切換策略，既支持基站內和基站間的切換、也支持基于高層信令和基于低層指示的切換；出現波束跟蹤失敗時，支持無需核心網參與的快速波束恢復機制，主要包括波束失敗檢測、新波束發現、波束恢復請求和波束恢復請求響應4 個流程；另外還支持Multi-TRP 技術，允許一個移動終端同時連接到多個傳輸點，從而增強系統的魯棒性。

③毫米波與中低頻的共存問題。作為5G 通信系統主要使用的兩個頻段，毫米波與FR1 中低頻段的共存需要提出能夠整合各自優勢的高低頻混合組網策略與相應的業務負載分擔方案、互操作機制等。目前主要的技術備選方案有雙連接、載波聚合。兩者各有優缺點，相對而言，雙連接方式終端設備實現較簡單，而載波聚合方式實現效率更高。另外載波聚合方式對通信系統的同步性要求較高，尤其是在高低頻不共站場景下，站間不同步將導致載波聚合性能進一步惡化。預計未來會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 空口標準，無法有效滿足未來毫米波業務對空口上下行能力的差異化需求。例如AR/VR沉浸式業務、8K 超高清視頻業務等以下行為主，視頻監控業務、遠程手術業務等以上行為主，另外也存在對下行上行需求較均衡的業務。5G 毫米波系統需要根據場景、業務需求對空口資源配置進行更加靈活、快速的調整，從而進一步挖掘毫米波大帶寬的優勢。

4 5G 毫米波應用建議

通過對5G 毫米波技術優劣勢的分析，為充分發揮毫米波大帶寬、低時延的特點，下面對毫米波在面向2C 和2 B 的應用場景提出建議。

2C 場景中，毫米波大帶寬、大容量的優勢可以有效應對高業務密度地區的速率需求，建議將毫米波應用于人流密度大，對數據流量需求高，同時視野比較開闊，沒有復雜障礙物阻擋的場景，利用5G 毫米波的LOS 傳播，規避其穿透能力差、繞射衍射能力弱的缺點。毫米波典型的2C 應用場景如圖2 所示，包括大型體育場館、交通樞紐、商業中心等。測試結果表明，在美國超級碗體育館內部署8 個工作在28 GHz 頻段、帶寬為400 MHz 的5G 毫米波基站，即可實現對整個體育場館的良好覆蓋，下載速率達到了915 Mbit/s，約為4G 的10 倍。2022 年北京冬奧會也將采用5G 毫米波技術實現超高清賽事直播、實時視頻回傳等服務。

圖2 毫米波典型2C 應用場景

2B 場景中，毫米波高速率、低時延、波束易隔離、定位精度高的優勢可以有效滿足不同行業專網的差異化需求。在制造、物流、能源等諸多行業中，制造業對5G 專網的需求最為強烈。而作為新一代信息技術與制造業深度融合的產物，工業互聯網對系統的容量、響應速度、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，建議可重點考慮5G 毫米波在工業互聯網中的應用。毫米波典型的工業互聯網2B 應用場景如圖3 所示，建議利用毫米波高速率的優勢，對有高速成像需求的數據密集型生產流程進行遠程視頻監控，及時解決工業流程中遇到的問題，保障生產安全；建議利用毫米波低時延的優勢，對機械手臂、工業機器人發出的請求和指令做出快速的響應，滿足實時變化的控制需求，提高生產效率；建議利用毫米波波束易隔離、定位精度高的優勢，實現更加靈活安全的廠內無人物流、貨物自主裝卸，優化物流流程、縮短生產時間。2020 年1 月，瑞典的企業在實驗室內成功測試了基于5G 毫米波的URLLC 功能，僅通過5G 毫米波連接就實現了對機器人手臂的精準、快速控制。而日本的公司自建5G 專網，并于2020 年3 月宣布正式商用，該專網采用4G/5G NSA 組網模式，其中5G NR 基站使用的頻段為28 GHz，通過分析5G 專網傳輸多點攝像機收集到的高清圖像數據，達到檢測可疑行為、預防違法犯罪的目的。

圖3 毫米波典型工業互聯網2B 應用場景

5 結束語

本文首先介紹了5G 毫米波的全球部署情況和3GPP標準進展，接著分析了毫米波技術的優勢與面臨的挑戰，最后從2C 和2B 兩個方面對毫米波的應用提出了建議。總而言之，毫米波頻段豐富的頻譜資源可以有效應對未來移動通信系統的高標準、差異化需求。隨著產業鏈的日益成熟，5G 毫米波技術將加速發展，并帶動更多的經濟增長，相信毫米波技術能夠為5G 應用提供更加廣闊的發展空間。