毫米波的勵(lì)志故事：不被看好的技術(shù)也能成功
飛象網(wǎng)訊（魏德齡/文）5G時(shí)代在今年即將來臨，在新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，5G新空口毫米波、Sub-6GHz，以及不斷優(yōu)化的LTE將會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)人類從生活到工作的全方位覆蓋，其中對(duì)于很多人還感覺有些陌生的毫米波來說，將會(huì)擔(dān)負(fù)起對(duì)于室內(nèi)、人流密集區(qū)域的覆蓋任務(wù)，已經(jīng)成為了5G時(shí)代的“半邊天”。
然而，對(duì)于將在未來解決以往網(wǎng)絡(luò)中用戶痛點(diǎn)的毫米波來說，曾經(jīng)卻被懷疑者質(zhì)疑為是錯(cuò)誤的選擇，而毫米波的故事正是一部從把不可能變?yōu)榭赡艿目茖W(xué)探索史。
險(xiǎn)被“打入冷宮”的毫米波
曾經(jīng)有句話說，是金子總會(huì)發(fā)光，但是如果沒有慧眼識(shí)珠的伯樂，金子也很容易在歷史的長(zhǎng)河中黯淡無光下去。實(shí)際上，毫米波并不是一項(xiàng)陌生的技術(shù)，從定義上看，在高頻段范圍內(nèi)的頻譜即可稱為毫米波。此前，毫米波頻率也在一些應(yīng)用中得到了使用，最被大家所經(jīng)常接觸的無疑是應(yīng)用在802.11ad的WiFi，可以通過60GHz頻譜進(jìn)行室內(nèi)高分辨率視頻傳輸。另外，衛(wèi)星及廣播領(lǐng)域也早已使用。
不過，毫米波卻差一點(diǎn)與移動(dòng)通信擦肩而過，在2G、3G、4G普遍采用優(yōu)質(zhì)頻譜資源的慣性思維下，由于毫米波頻譜傳播距離有限、穿透力不強(qiáng)、衰減快，很難保證手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備在復(fù)雜信道環(huán)境下的不間斷的連接需求，所以也就在一開始被很多人把毫米波“移動(dòng)化”的課題打入了冷宮。
但是，這世界上總有很多科學(xué)家勇于挑戰(zhàn)，知難而上。畢竟在6GHz以下頻譜已經(jīng)被大量占用的情況下，盡管可以通過載波聚合，在同一時(shí)間段內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更高的速率，但這樣的方法難以提供顯著的用戶速度提升。而利用毫米波內(nèi)的寬頻譜，可以把無線寬帶的傳輸速率進(jìn)行翻倍，甚至是10倍，兌現(xiàn)5G超高速率的承諾。
高通在1990年便開始對(duì)毫米波、MIMO和先進(jìn)射頻技術(shù)開展多年的基礎(chǔ)技術(shù)研究工作。其實(shí)，毫米波有著不少先天的優(yōu)勢(shì)，毫米波頻段擁有海量帶寬，比目前正在使用3G/4G帶寬多25倍，大帶寬可以實(shí)現(xiàn)數(shù)千兆級(jí)數(shù)據(jù)速率，還可以支持密集空間重用，解決重點(diǎn)區(qū)域承載問題，同時(shí)還具備低時(shí)延的特性，可以滿足更多領(lǐng)域的需求。對(duì)于毫米波的信號(hào)短板，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過改進(jìn)射頻，利用多天線技術(shù)也許就能讓毫米波從不可能變?yōu)榭赡堋?/p>
打破毫米波“移動(dòng)化”質(zhì)疑
時(shí)間一晃來到2023年，毫米波“移動(dòng)化”邁出重要一步，高通率先讓質(zhì)疑者對(duì)于毫米波的否定開始失聲。在2023年10月在5G分析師日活動(dòng)上展示了波束導(dǎo)向支持的非視距毫米波移動(dòng)性，隨即又在2023年巴塞羅那的MWC上對(duì)外演示這一5G毫米波設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)，高通的工程師們展示了以28GHz頻段運(yùn)行的TDD同步系統(tǒng)，構(gòu)建的毫米波擁有128個(gè)天線陣元，16個(gè)可控射頻信道，而設(shè)備則包含了4 個(gè)可選子陣列，每個(gè)子陣列擁有4個(gè)可控射頻信道。這也為日后毫米波基站商業(yè)化提供了參考思路。
利用該系統(tǒng)，高通展示了智能波束成形和波束跟蹤技術(shù)，展示在設(shè)備移動(dòng)、射頻信道條件發(fā)送變化的情況下仍然保持相對(duì)穩(wěn)定的信噪比。在其他測(cè)量中，通過系統(tǒng)測(cè)量的視距覆蓋約為350米，而在曼哈頓進(jìn)行的戶外密集型城市的模擬測(cè)量，得到的結(jié)果是約150米的非視距覆蓋。 這為后來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備在移動(dòng)過程中獲得無縫的毫米波覆蓋奠定了基礎(chǔ)。
隨即，毫米波的落地進(jìn)程開始全面加速，2023年的演示迅速在2023年10月成為現(xiàn)實(shí)，在高通發(fā)布的全球首款5G調(diào)制解調(diào)器驍龍X50中，對(duì)毫米波和Sub-6GHz全部提供了支持，同時(shí)還配套推出SDR051毫米波射頻收發(fā)器。這也預(yù)示著毫米波將在5G發(fā)展中扮演其重要角色。而也正是因?yàn)轵旪圶50調(diào)制解調(diào)器的發(fā)布，讓OEM廠商開始有機(jī)會(huì)來率先優(yōu)化終端，以應(yīng)對(duì)毫米波的挑戰(zhàn)。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)、終端、傳輸測(cè)量等萬事俱備的情況下，毫米波的開始被業(yè)界所認(rèn)可，毫米波也即將迎來自己在移動(dòng)通信領(lǐng)域的大爆發(fā)。
毫米波“高速公路”撐起“5G半邊天”
2023年3月，3GPP對(duì)外公布了加快5G新空口的eMBB工作計(jì)劃，其中表示除了要發(fā)展6GHz以下頻譜的相關(guān)技術(shù)外，也會(huì)發(fā)展在6GHz以上的頻譜，支持毫米波于2023年實(shí)現(xiàn)部署。全球的5G標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不再像以前一樣僅面向3GHz以下頻段設(shè)計(jì)，而是提供一個(gè)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，讓3.3到5GHz的中頻段與24GHz以上的毫米波都能得到利用。
這也意味著毫米波正式被人們確定為5G時(shí)代的“高速公路”，這條公路避開了原有的已經(jīng)擁擠不堪、被大量占用的6GHz以下頻段，憑借海量的頻譜帶寬，可以實(shí)現(xiàn)10倍于6GHz以下頻段LTE網(wǎng)絡(luò)的速率，可謂另辟蹊徑。
同年6月，在工信部無線電管理局公開征集24.75-27.5GHz、37-42.5GHz或其他毫米波頻段5G系統(tǒng)頻率規(guī)劃的意見。其中明確表示，頻率規(guī)劃對(duì)5G系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用起著重要的導(dǎo)向作用，毫米波頻段將為5G系統(tǒng)重要工作頻段。7月，工信部批復(fù)4.8-5.0GHz、24.75-27.5 GHz和37-42.5GHz頻段用于我國(guó)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)信通院MTNet試驗(yàn)室以及北京懷柔、順義的5G技術(shù)試驗(yàn)外場(chǎng)。毫米波這條5G“高速公路”的構(gòu)建也開始在我國(guó)進(jìn)入試驗(yàn)階段。
毫米波頻段還在這一年成為5G的先行者，基于驍龍X50 5G調(diào)制解調(diào)器芯片組實(shí)現(xiàn)的全球首個(gè)5G數(shù)據(jù)連接，正是使用了28GHz毫米波頻段，并成功實(shí)現(xiàn)了千兆級(jí)速率。同時(shí)，高通還公布了首款5G智能手機(jī)的參考設(shè)計(jì)，其中便搭載了自行開發(fā)的全球毫米波天線。
與此同時(shí)，高通的演示結(jié)果再次讓外界對(duì)戶外毫米波的覆蓋能力吃下了一顆定心丸。在美洲世界移動(dòng)大會(huì)對(duì)外演示的舊金山的仿真結(jié)果顯示，良好的毫米波覆蓋可以釋放出6GHz以下頻段戶外到室內(nèi)的容量，通過與現(xiàn)有的LTE密集部署的共站址部署，覆蓋模擬顯示在市區(qū)1平方公里的區(qū)域內(nèi)擁有超過80%的覆蓋。即便在基站覆蓋邊緣，也能達(dá)到100+Mbps的峰值數(shù)率。
2023年，毫米波無疑已經(jīng)確立起了自己在5G時(shí)代“半邊天”的地位。
讓毫米波2023如約而至
也正是在2023年，高通表示：“將在2023年實(shí)現(xiàn)5G 新空口毫米波在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和包括智能手機(jī)在內(nèi)的移動(dòng)設(shè)備上的商用。”然而，這樣的設(shè)想?yún)s并不是表個(gè)態(tài)，然后把驍龍X50交給OEM就能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)楹撩撞ǖ牟ㄩL(zhǎng)短的缺陷就需要在手機(jī)上設(shè)計(jì)多個(gè)天線并形成陣列，讓信號(hào)互相影響，從而才能形成波束。但是如果需要各個(gè)OEM廠商自己開發(fā)和優(yōu)化各自的天線設(shè)計(jì)方案，做到不同天線之間的協(xié)同工作的話，難度系數(shù)十分之高，并且很多手機(jī)廠商還不具備實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化離散式器件的能力，同時(shí)也影響了在其它方面上的創(chuàng)新工作。
為此高通為OEM廠商提供了一種較為簡(jiǎn)單的方法，那就是把天線以及射頻前端包括收發(fā)器和放大器都整合在一個(gè)模組里，把天線預(yù)先整合好，提前做好調(diào)整工作，形成相互協(xié)同。高通來為OEM廠商解決射頻通訊的難題，讓OEM廠商把主要精力放在自身所擅長(zhǎng)的5G手機(jī)本身的設(shè)計(jì)和5G應(yīng)用、用戶體驗(yàn)的研發(fā)上。
于是，全球首款完全集成的毫米波射頻解決方案高通QTM052毫米波天線模塊在2023年7月正式發(fā)布，該天線模組尺寸小巧，集成了從收發(fā)器到所有射頻前端的器件，還有電源管理IC以及天線本身，支持首批投入商用的毫米波頻段。OEM廠商可以選擇在手機(jī)的邊立面上安裝3-4個(gè)模組，以配合5G調(diào)制解調(diào)器芯片。
隨后，在瑞典希斯塔，愛立信與高通又在實(shí)驗(yàn)室中成功利用智能手機(jī)大小的移動(dòng)測(cè)試終端完成了首個(gè)公開的、符合3GPP R15規(guī)范的5G新空口呼叫。高通總裁克里斯蒂安諾·阿蒙當(dāng)時(shí)表示：“實(shí)現(xiàn)毫米波的移動(dòng)化并將其應(yīng)用于智能手機(jī)之上一直被認(rèn)為是不可能完成的挑戰(zhàn)，但本次演示表明我們正穩(wěn)步推進(jìn)，將為消費(fèi)者帶來突破性的5G毫米波體驗(yàn)?！?/p>
2023年2月份的MWC前后，小米、一加、三星、vivo、OPPO、中興紛紛對(duì)外展示了自家的5G手機(jī)，這些產(chǎn)品也均采用了驍龍X50調(diào)制解調(diào)器及射頻模組，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于目前全球首批上線5G地區(qū)的6GHz以下及毫米波頻段的支持，整合模組的解決方案助力5G手機(jī)在2023年春季集中爆發(fā)。
而高通也沒有停止在毫米波模組上的創(chuàng)新步伐，同樣在此期間發(fā)布了X55調(diào)制解調(diào)器及配套的QTM525毫米波天線模塊。新的模塊更小巧，可以讓5G智能手機(jī)的厚度達(dá)到8mm以下，達(dá)到目前纖薄型4G手機(jī)的水平。同時(shí)支持的頻段更多，在前代支持的n257 (28GHz)、n260(39GHz)與n261(美國(guó)28GHz)頻段的基礎(chǔ)之上，還新增了對(duì)n258(26GHz) 頻段的支持。讓5G智能手機(jī)可以支持全世界的毫米波頻段。
今年巴展同期，工信部無線電管理局也發(fā)布《2023年全國(guó)無線電管理工作要點(diǎn)》，在這份明確2023年工作重點(diǎn)的文件中特別強(qiáng)調(diào)，將會(huì)適時(shí)發(fā)布5G系統(tǒng)部分毫米波頻段頻率使用規(guī)劃，引導(dǎo)5G系統(tǒng)毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
也就是說，在2023年隨著5G手機(jī)的發(fā)布，以及全球運(yùn)營(yíng)商試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)及試商用的展開，作為5G“高速公路”的毫米波在產(chǎn)業(yè)鏈的推動(dòng)下已經(jīng)如約而至。
毫米波未來可期
回到文章開頭所談到的，毫米波將會(huì)在未來的5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中擔(dān)負(fù)起重要任務(wù)。目前，高通就正針對(duì)未來的商用場(chǎng)景進(jìn)行著5G毫米波的室內(nèi)外測(cè)試工作，并通過對(duì)于5G毫米波用例的拓展，解決目前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的痛點(diǎn)，其中在對(duì)于室內(nèi)、人流密集區(qū)域中所產(chǎn)生的改變將十分顯著。
拓展5G新空口毫米波至室內(nèi)后，與Wi-Fi部署互補(bǔ)，可以為虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備提供更好的體驗(yàn)，利用毫米波本身的高帶寬、低時(shí)延特性，可以讓XR設(shè)備獲得更流暢、更高清的使用體驗(yàn)。對(duì)于平板電腦、PC也能獲得更好的聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)，例如在一些“吃雞”類游戲中，也能實(shí)現(xiàn)真正的公平競(jìng)爭(zhēng)。
在如體育場(chǎng)、音樂會(huì)、大型會(huì)議場(chǎng)所等人流密集場(chǎng)館，5G新空口毫米波可以通過數(shù)千兆比特速度和無限容量，讓用戶不會(huì)再出現(xiàn)網(wǎng)速過慢甚至斷網(wǎng)的問題，場(chǎng)館也能提供獨(dú)有的個(gè)性化體驗(yàn)，出現(xiàn)更多在活動(dòng)中和活動(dòng)后的全新變現(xiàn)機(jī)會(huì)。
借助毫米波的覆蓋和性能還可以解決企業(yè)、私有網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求，通過5G毫米波與Wi-Fi的結(jié)合，在具有蜂窩級(jí)安全性的情況下，還能讓筆記本電腦和平板設(shè)備始終連接，提升企業(yè)的云化程度，讓云應(yīng)用、云存儲(chǔ)可以即時(shí)接入，還可以將沉浸式內(nèi)容連接至多個(gè)投影儀或顯示屏。
顯然，在3GPP R16標(biāo)準(zhǔn)將在2023年3月出臺(tái)之際，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的越發(fā)成熟，用例在eMBB、mMTC、URLLC新場(chǎng)景上的不斷拓展，毫米波基于本身的優(yōu)勢(shì)，以及業(yè)界系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)新的不斷涌現(xiàn)，作為“5G半邊天”的毫米波在未來有著更多用武之地。
