5G毫米波技術與應用場景淺析

徐霞艷

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

5G標準在統一的設計框架下支持中低頻段和毫米波頻段，實現了全頻譜接入的關鍵技術創新。近年來，5G毫米波也已在美國、日本等國商用，技術上的優勢與不足在應用中逐漸明晰。依托中低頻段，我國5G網絡建設與應用發展均取得了領先優勢。面向5G中長期發展，毫米波以其大帶寬、高速率、低時延、靈活部署等技術優勢，將有望成為5G發展下半場的關鍵使能技術之一。

1 5G毫米波技術特點

1.1 5G毫米波技術與標準概況

在3GPP R15/R16版本國際標準中，5G毫米波指24.25 GHz至52.6 GHz頻率范圍；3GPP R17版本正在開展更高頻率（52.6 GH至71 GHz）毫米波的標準化。我國重點關注的是頻率較低、產業基礎較好的26 GHz頻段（24.25～27.5 GHz）[1]。在無線傳輸技術上，5G標準采用了多項適合毫米波的系統設計，如更大的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用）子載波間隔（120 kHz）、更大的載波帶寬（200 MHz或400 MHz）、基于波束的信道傳輸等，充分發揮毫米波技術特點并簡化產品實現。隨5G標準版本的演進，毫米波無線傳輸技術也在不斷增強。在組網方式上，5G毫米波支持靈活的部署方式，既可與中低頻基于載波聚合或雙連接技術協同組網，毫米波也可以單獨部署組網。在產業實現上，5G毫米波采用數字模擬混合波束賦形的系統架構，以及天線陣和射頻前端高度集成的硬件方案，首次實現了毫米波技術在蜂窩移動通信領域的應用。

1.2 5G毫米波的技術特點

1.2.1 5G毫米波帶寬大、速率高

從頻譜資源來看，當前5G中低頻段的可用頻譜在幾百兆赫茲左右；而毫米波僅26 GHz頻段即可提供3GHz左右的頻譜。參考國際上毫米波頻率許可情況，一家電信運營商有望獲得600至800 MHz毫米波頻率資源。毫米波帶寬大的特點非常突出。

從用戶峰值速率來看，5G中頻段商用系統采用100 MHz載波帶寬，用戶下行峰值速率在1.5 Gbps左右，上行峰值速率在250 Mbps或380 Mbps左右（取決于幀結構）[2]。面向我國需求，2021年起主要網絡設備、終端芯片廠家的26 GHz頻段毫米波設備已陸續支持200 MHz載波帶寬，其中基站支持800 MHz（4個200 MHz的載波）的載波聚合，終端芯片下行、上行分別支持800 MHz、400 MHz（2個200 MHz的載波）的載波聚合。根據2021年我國IMT—2020（5G）推進組開展的5G毫米波技術試驗實測數據，毫米波用戶下行峰值速率可達6.8 Gbps（采用3D1U幀結構，即DDDSU），上行峰值速率可達2.0 Gbps（采用1D3U幀結構，即DSUUU），相當于5G中頻段用戶峰值速率的4倍以上，毫米波用戶速率高的特點也非常突出。

毫米波基站還可采用大規模天線技術實現多用戶MIMO（Multiple Input Multiple Output，多輸入多輸出），以提高小區容量。如4發4收（4T4R）規格的基站可同時與2個用戶通信，每用戶通過雙流MIMO傳輸均可達到用戶峰值速率。

圖1 5G毫米波的用戶峰值速率

1.2.2 5G毫米波傳輸時延低

目前我國5G中頻段（2.6 GHz/3.5 GHz等頻段）商用網絡采用30 kHz子載波間隔與較長的上/下行時隙轉換周期（5 ms或2.5 ms），決定了空口的傳輸時延較長。即使再采用上行免調度傳輸、短時隙（mini-slot）調度等面向URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，超高可靠低時延通信）場景的低時延增強技術[3]，5G中頻段商用網絡的空口傳輸時延也無法顯著降低。

而5G毫米波采用120 kHz子載波間隔，OFDM符號長度短，一時隙長度只有0.125 ms；如采用3D1U（DDDSU）或1D3U（DSUUU）幀結構，上/下行時隙轉換周期只有0.625 ms，有利于降低空口傳輸時延。經實測，5G毫米波空口單向傳輸時延可低至1～1.5 ms。因此毫米波具有明顯的低時延優勢。

面向工業機器人控制等應用極低時延、超高可靠性的通信需求，5G毫米波還可以采用面向URLLC的低時延、高可靠增強技術。為進一步降低時延，可考慮采用上/下行時隙轉換周期更短的幀結構（如DS幀結構，周期僅為0.25 ms），再結合上行免調度傳輸等增強技術。為進一步提高傳輸可靠性，可考慮采用低碼率CQI/MCS表格、高聚合等級PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）等增強技術，保障低信噪比條件下的高可靠傳輸[3]。利用這些增強技術，5G毫米波有望在高可靠傳輸的前提下實現毫秒級的空口時延。根據實測數據，采用上/下行時隙轉換周期為0.25 ms的幀結構，并結合部分URLLC增強技術，5G毫米波可在滿足99.999%的傳輸可靠性下，實現1.5 ms以內的雙向端到端時延。

1.2.3 5G毫米波信號傳播路徑損耗與穿透損耗大

根據無線電波傳播規律，與中低頻相比，5G毫米波信號傳播路徑損耗大、穿透損耗大、衍射繞射困難，在信號覆蓋能力上存在不足。基于5G毫米波的傳播特性，5G毫米波較適合于終端靜止或中低速移動的區域性覆蓋，不適合于大規模連續覆蓋和高速移動場景；并且5G毫米波較適合于視距無遮擋場景（如室外或室內視距、室外富反射場景）和近似視距低穿透場景（如室外淺層植被穿透、室內普通玻璃穿透），難以覆蓋室外建筑物阻擋、室內高穿透損耗等場景。在具體環境上，5G毫米波適合于城區干道、大型交通樞紐和機場、體育場館、展覽館、開闊辦公區等較空曠或反射徑豐富的場景。

1.2.4 5G毫米波部署靈活

正由于具有上述無線信號傳播特性，5G毫米波特別適合于體育場館、展覽館、廠房等較封閉的單點場景，可根據具體業務需求靈活進行部署和配置。

一是可以靈活選擇5G毫米波組網方式，包括毫米波單獨部署組網或毫米波與中低頻協同組網。毫米波單獨部署組網指毫米波完全獨立運行，其部署較簡單，但由于沒有中低頻提供基礎覆蓋，比較適合于無線環境較簡單、終端基本靜止或小區域內移動的部分行業應用場景。而毫米波與中低頻協同組網可以發揮中低頻連續覆蓋和毫米波大帶寬、低時延特點，實現優勢互補。

二是可以靈活選擇5G毫米波的頻率帶寬、幀結構等系統配置。根據可用頻率資源和具體場景的業務量需求，以基本的載波帶寬（200 MHz）為基礎，可靈活選擇1個、2個或4個等載波數目，通過載波聚合技術實現200 MHz、400 MHz或800 MHz等不同的系統帶寬。5G毫米波采用時分雙工（TDD）方式，上行、下行時隙的配置比例直接影響上行、下行的用戶峰值速率和容量，可根據具體場景對上行、下行速率與容量的需求靈活配置幀結構。如面向公眾用戶的室內外熱點場景中，以移動視頻等下行業務為主，可采用下行資源為主的3D1U（DDDSU）幀結構；而面向垂直行業的工業視覺、8K視頻回傳等超大上行業務場景中，可選擇上行資源為主的1D3U（DSUUU）幀結構。從實現上看，毫米波單站覆蓋距離較小、穿透損耗大，具備根據局部區域業務特點靈活設置幀結構的技術可行性。

三是可以靈活選擇不同類型、不同規格的毫米波基站，適配不同場景的部署需求。如室外熱點以提供大容量為主要目標，可選擇數字通道多（4T4R甚至8T8R）、天線陣列規模大、發射功率高的宏站；而廠房等室內場景需考慮部署空間等條件限制，可選擇通道較少（如2T2R）、天線陣列規模較小、發射功率也較低的微站或分布式皮站，以降低設備的體積、質量，提高部署的便利性。

2 5G毫米波典型應用場景

由于具備上述技術特性，5G毫米波的典型應用場景將主要包括室內外熱點區域覆蓋、大上行應用和以工業互聯網為代表的行業應用等幾類。不同場景在組網方式、設備形態與技術等方面的要求也有區別。

2.1 室內外熱點區域覆蓋

面向ToC市場，室內外熱點將是毫米波主要應用場景，包括購物街區、室外廣場等室外高業務量區域，以及大型體育館、機場、交通樞紐等室內高業務量區域。這些場景中人群密集、高峰時段對業務量需求極大。從無線信號傳播看，這些區域環境比較空曠，遮擋較少，有利于規避毫米波信號傳播路徑損耗與穿透損耗大的劣勢。充分發揮毫米波帶寬大、速率高的優勢，將可以實現360°觀賽、4K超高清互動點播、云AR/VR等極致帶寬業務。

面向室內外熱點區域覆蓋，適宜采用5G毫米波與中低頻協同組網方式。在毫米波基站方面，可采用宏站、微站、分布式皮站等多種形態的設備以適應不同部署場景需求，對室內部署場景基站設備應實現小型化。在終端方面，支持4G/5G高低頻的多模多頻智能手機將是主要形態，未來還會出現AR/VR頭盔等形態。在當前5G毫米波產業實現基礎上，應進一步豐富基站的設備形態實現系列化，在技術發展方向上應加強多用戶MIMO、多用戶調度等特性的研發，進一步提升毫米波的帶寬與容量優勢。

2.2 大上行應用

部分5G行業應用的特點是以上行業務為主。如在8K超高清視頻直播無線回傳中，8K攝像機拍攝的視頻信號經編碼器壓縮后，仍高達數百兆比特每秒。在工業視覺應用中每臺設備需要100～400 Mbps上行速率，一個小區內多臺設備則可能需要超過2 Gbps的上行速率。5G中頻段（2.6/3.5 GHz頻段）主要面向增強移動寬帶場景，以滿足下行業務為主，上行能力相對不足，無法滿足這類上行超大帶寬業務的需求。而毫米波如用戶上行采用400 MHz帶寬，再結合上行資源為主的1D3U（DSUUU）幀結構，即可提供2 Gbps左右的用戶上行峰值速率，可以滿足這類應用的上行超大帶寬需求。

面向大上行應用，可根據部署場景靈活選擇5G毫米波單獨部署組網或5G毫米波與中低頻協同組網方式。在終端方面，考慮滿足大上行速率要求并提供足夠的覆蓋距離，應重點發展CPE、行業模組等形態，建議終端支持較高的發射功率。在技術發展方向上，應加強對終端上行支持更大帶寬（400 MHz以上）、更高速率等特性的研發工作。

2.3 以工業互聯網為代表的行業應用

發揮大帶寬、低時延、高可靠特性，5G毫米波可使能以工業互聯網為代表的行業應用，典型應用如移動視頻監控、AGV（Automated Guided Vehicle，自動導引運輸車）、協作機器人生產線控制、移動機器人、實時人機協作等。

5G毫米波適合部署在相對空曠、無遮擋或少遮擋的廠房或園區環境。毫米波可以單獨部署組網，必要時也可與中低頻協同組網。5G毫米波基站應小巧易部署，適應行業應用場景中對設備體積、質量和功耗等指標的嚴格要求，在特定行業應用場景下基站還應滿足高溫高濕等特殊工作環境要求。終端可采用定制化CPE（用戶終端設備）、行業定制終端或模組等不同形態。在技術發展方向上，為滿足部分行業場景極低時延、超高可靠性的通信需求，5G毫米波在大帶寬基礎上，應考慮結合URLLC增強技術，必要時還可采用基于多點協助傳輸的URLLC增強方案，通過信息的冗余傳輸來提升傳輸可靠性[3]。

3 結束語

展望未來，5G毫米波技術與標準將不斷增強演進，基站與終端等產品的功能將不斷完善、性能將不斷提升。為實現5G毫米波的成功商用，業界還需持續推動大帶寬、靈活幀結構、多用戶調度與多用戶MIMO等關鍵技術研發，豐富毫米波基站、終端的產品系列，積極探索毫米波與URLLC等增強技術的結合，拓展毫米波的應用場景，為5G毫米波的廣泛應用打下堅實基礎。