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让我们从iPhone 14来谈谈5G毫米波

发布时间:2022-10-13作者来源:金航标浏览:6533


近日,苹果公司正式发售iphone 14,与以往的各代iPhone发售一样引起了各种热议。人们在津津乐道于新一代iPhone的使用体验的同时,不禁将国内行货iPhone 14与美版iPhone 14相比较。相较于美版iPhone 14,国内行货iPhone 14缺失了三大核心功能:5G毫米波通信、卫星通信和eSIM。其中,5G毫米波通信功能使得美版iPhone 14的网速可达国内行货iPhone 14的两倍。国内行货iPhone 14也支持5G通信,但其频段是在sub-6GHz,而非毫米波频段,正是这一差异导致了网速的不同。目前,中国尚无运营商提供5G毫米波通信服务。


1

sub-6GHz和毫米波


根据3GPP的5G标准,5G NR使用两个频段:FR1和FR2。FR1为中低频段,其频率范围为450MHz-6GHz,一般称为sub-6GHz频段。FR2为高频频段,其频率范围为24.25GHz-52.6GHz。由于FR2频段的波长多数小于10毫米,这部分频段也因此被称为“毫米波(mmWave)”。


与毫米波相比,sub-6GHz信号可以更好地穿透物体,覆盖能力更强。sub-6GHz 5G网络的速度比4G快,但是却无法提供5G的[敏感词]速度,即sub-6GHz 5G网络的速度介于毫米波和LTE的速度之间。


毫米波具有比sub-6GHz更高的频率,这意味着其具有更高的通信速率,并且毫米波可以提供更低的时延,这将给用户带来前所未有的高速体验,并具有较高的流畅度和可靠性。毫米波频谱可以提供高达10GB/s的理论速度,这比LTE连接所能达到的速度快得多。并且,5G毫米波能够提供更大的带宽,能够容纳数量更多的用户接入,从而减轻网络拥塞。


另外,由于毫米波波长很短,它的天线也很短,使得毫米波设备的体积可以进一步缩小,从而使得产品的集成度可以更高,降低了产品的设计难度,有利于促进基站和终端产品的更加小型化。此外,毫米波的短波长带来的另一个好处是定位[敏感词],可以[敏感词]到厘米级甚至更低,这也是毫米波雷达技术被应用在汽车领域的原因。


另外,毫米波还有一个明显的优势便是成本。中国电信首席专家、贝尔实验室院士毕奇表示:“我们之所以从3G、4G到5G发展这么快,就是因为成本,能让运营商积极地拥抱下一代技术。尽管从单机成本看,3G到5G每代演进成本加了一两倍,但是它的速率加了10到20倍,这使得每比特的成本大大下降。”[1]


尽管拥有如上诸多优点,但是,毫米波的传输距离短、穿透能力弱、路径损耗大,这导致毫米波的覆盖能力很弱。因此,如果将毫米波用于5G,需要使用更多的基站来覆盖,并且其设备功耗较大,因为需要持续输出高强度的信号。另外,生产能工作于毫米波频段的亚微米尺寸的集成电路元件在过去一直比较困难,需要比较大的金钱投入,这在早期也阻碍了5G毫米波方案的商用。


由此可见,5G sub-6GHz方案与5G毫米波方案各有自己的优缺点,适用于不同的场景。例如,5G毫米波方案适用于人口稠密的市区、场馆、交通枢纽或音乐会、大型赛事现场等特定目标地点,可以在提供高带宽高速率的同时降低每比特成本。而sub-6GHz适用于以较低的成本实现5G覆盖。


自从5G开始,关于sub-6GHz和毫米波孰优孰劣的争论一直存在,但时至今日,业界人士越来越达成共识:sub-6GHz和毫米波是互补关系,而非迭代或竞争关系,二者的互相补充、互相配合是未来5G网络的发展方向,只有sub-6GHz+毫米波才能实现真正的5G。


2

毫米波关键技术


5G毫米波技术发展至今,业界针对毫米波的缺点已提出了成熟有效的解决方案。例如,针对毫米波传输距离短、损耗大、覆盖能力弱等的特点,提出了毫米波帧结构方案、大规模MIMO、波束赋形、波束管理、协作组网、集成接入回传等技术。


(1)毫米波帧结构[2]


5G NR标准支持通过RRC信令或DCI调度方式半静态或动态配置上下行比例,帧结构随着子载波间隔的选择而略有不同。毫米波采用的子载波间隔一般为120KHz。5G不同业务的上下行需求差异较大,为满足不同的业务需求,在5G毫米波系统中,可以根据业务需求灵活调配帧结构,通常可以采取如下所示的三种帧结构。其中,DDDSU为正常帧结构,DSUUU为上行增强帧结构,DDSUU为上下行均衡帧结构。


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帧结构1:DDDSU

帧结构2:DSUUU   

帧结构3:DDSUU


其中,D为下行时隙,U为上行时隙,S为上下行转换的时隙。这3种帧结构的周期都是0.625 ms,均通过半静态方式配置;区别在于下行时隙、上行时隙的比例不同,由此导致上下行峰值速率与容量上存在明显差异。三种帧结构相比而言DDDSU在下行覆盖和容量上占优,DSUUU在上行覆盖和容量上占优,DDSUU则较为均衡,时延方面DDDSU和DSUUU因为上下行占比不均衡,时延相对DDSUU更大。


帧结构的设计和应用场景密切相关。如果高频基站主要用于下载业务占优的场景例如普通公网,下行占优的帧结构更适合。如果主要用于上行补热,大流量视频上传等场景,可以考虑采用上行占优的帧结构,对于上下流量都有一定需求的场景则 采取用均衡型的帧结构更好。


毫米波采用的子载波间隔比sub-6G宽得多,由于子载波宽度和时隙长度成反比,因此毫米波每个时隙的长度就可以很短,为0.125ms,仅为sub-6G(常用30KHz子载波间隔)的四分之一。5G是以时隙为单位调度数据的,时隙长度越短,意味着5G在物理层的时延越小。这样一来,毫米波的时延也就仅为sub-6G的四分之一。根据测试验证,5G毫米波的空口时延可以做到1ms,往返时延可以做到4ms。


(2)大规模MIMO(Massive MIMO)及波束赋形[3][4][5][6]


根据弗里斯传输公式,接收功率与波长成正比。因此,毫米波更短的波长意味着更高的传输损耗(接收功率变小)。不止如此,毫米波的穿透能力也非常低,甚至连雨天的水滴都能对传输造成干扰。通过使用大规模MIMO和波束赋形可以很好地克服毫米波的这些缺点,在不大幅提升发送功率的前提下增大毫米波信号的接收信噪比。


MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)可译为多输入多输出,即通过在发送和接收端都使用多根天线来发送/接收,获取分集增益,实现空间复用。显而易见,天线越多,增益也会越大,从而提高接收信噪比。这就是大规模MIMO提出的初衷。


大规模MIMO在毫米波应用于5G之前已被提出并被运用于4G LTE网络,但人们发现毫米波与大规模MIMO和波束赋形可以更好地契合。这是因为:大规模MIMO技术需要在接收端/发送端部署成百上千根天线,但是由于空间有限,限制了天线的数目;天线尺寸跟信号的波长是呈正比的,毫米波信号的短波长导致毫米波天线的尺寸也较小,从而有利于布置数量更多(256、512甚至更多)的天线来实现大规模MIMO。换句话说,相同大小的空间内,传统LTE系统可能只能放置1根天线,而毫米波系统可以集成数十根。


大规模MIMO的增益本质上就是人多力量大,然而如果人与人之间的配合不默契则会导致一定的损耗,难以达到理想的效果。例如,如果大规模MIMO的每根天线都是360度全方位向外发射信号,则多根天线发射的信号之间会产生干涉和衍射,不同相位的波在叠加之后,在某些方向上增强,在某些方向上减弱,导致整体的接收信噪比并不高。而通过波束赋形技术,可以将无线信号聚集到特定方向,而不是扩散到广域中。波束赋形技术通过调整每个天线阵元上的信号相位并进行加权求和,使天线波束指向某个特定的方向,即将天线能量集中指向某个特定的用户,从而有助于抵抗毫米波的高路径损耗。


根据波束赋形发生位置的不同,波束赋形技术分为模拟波束赋形(Analog Beamforming,ABF)技术和数字波束赋形(Digital Beamforming,DBF)技术。在数字基带之前即时域范围内形成波束,称作数字波束赋形。在模拟基带之前即频域范围内形成波束,称作模拟波束赋形。


数字波束赋形可以产生[敏感词]的波束,但是每根天线需要配置一套独立的射频链路,设备复杂成本高。模拟波束赋形比较经济,但可能导致波束不准确,增益效果不是很好。对于大规模MIMO系统,结合两者优点,提出了混合波束赋形技术。混合波束赋形技术将原本的数字波束赋形分成两部分实现,一部分由低维的数字波束赋形实现,另一部分由高维的模拟波束赋形实现,从而大大降低了对射频链路数目的需求。因此,混合波束赋形结合了模拟波束赋形的低成本、简单、易实现的特点与数字波束赋形的强大能力,如全面的干扰抑制和朝向任何所需位置的波束转向。下图示出了模数混合波束赋形的示意图[2],更详细的介绍请参见《中兴通讯5G毫米波(mmWave)技术白皮书》。


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通过大规模MIMO天线和波束赋形技术,可以提高通信距离,使毫米波基站的覆盖范围可达几百米至几千米。另外,通过波束赋形技术实现的窄波束可以提升位置敏感度从而提高定位精度,且较难被捕获和监听,从而提高安全性。此外,波束赋形的定向性特点还可将信号能量聚焦在特定方向来减小对环境其他方向信号的干扰,保证邻近链路或邻近小区通信质量,使得毫米波系统与中低频系统相比更容易实现密集部署。


(3)波束管理[2][3]


在毫米波通信系统中,需要选择最优角度的波束进行数据传输,由于用户端存在移动、旋转、阻塞,还需要对选择的波束对进行实时更新,因而需要对波束进行精细的管理。波束管理包括波束扫描与跟踪、波束失败恢复等功能。


波束扫描与配对:毫米波的波束窄,直接遍历扫描全部窄波束寻找最佳发射波束效率太低,为提高效率,5G标准采用由宽到窄的分级扫描的策略,会根据用户的位置不同不断切换最佳波束。同时,为了更好地跟踪用户,需要用到波束跟踪策略。接入阶段的波束捕获及连接状态下的波束扫描和跟踪如下图所示。


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接入阶段的波束捕获(Beam Capture):终端(UE)轮扫SSB信号,找到基站侧信号质量最好的SSBID并通过信令上报基站,后面整个同步和接入过程都使用这个SSBID对应的波束。


连接过程中的波束扫描和跟踪(Beam Maintenance):


P1过程:基站(BS)侧和UE侧都使用比较宽的波束,UE侧进行波束轮扫,然后通过CSI report通知基站,UE接收基站的哪一个宽波束的信号质量最好。


P2过程:通过P1过程,确定了UE的接收波束,然后通过P2过程,确定精细化波束。P2过程是UE侧的接收波束不变,基站轮发精细化波束,UE通过CSI report通知基站哪一个精细化波束的信号质量最好,基站在业务信道可以使用精细化波束和UE通信,从而获得更高的增益。


P3过程:有时终端侧也设计了精细化波束,这时可以通过P3过程,确定终端使用的精细波束。P3过程是基站侧的发送波束不变,UE切换接收波束,然后选择信号质量最好的波束作为业务信道的波束,完成波束配对。UE侧的波束选择和切换,基站侧不感知。


波束失败和恢复:


高频由于信道和传播特性决定,在移动的NLOS场景下,信道的传输路径可能会变化非常快,由于遮挡可能会造成径的快速生灭,所以可能造成波束跟踪失败。为了可以快速恢复链路,避免流量掉沟,可以启动波束快速恢复流程,重新选择SSB,发起接入、连接过程,与基站重新建立新的波束对。


波束失败恢复的流程主要分为四个步骤:

①波束失败检测过程

当UE所测的信号质量持续低于一定的门限值,UE侧认为波束已经失败了。


②新波束的发现过程

UE通过周期性SSB进行波束轮扫,找到信号质量最好的波束。


③波束恢复请求过程

UE在对应的RO资源上通过RACH通知基站,发起波束恢复请求。


④波束恢复请求响应过程

基站收到波束恢复请求后,在指定的BFR搜索空间上使用UE指示的新波束发送波束恢复响应,波束恢复响应为该UE的C-RNTI加扰的PDCCH,并且DCI的内容可以为DL grant,也可以是一个UL grant。


总之,大规模MIMO、波束赋形和波束管理技术的发展打破了人们对毫米波传输距离短、覆盖能力差的固有印象,使得5G毫米波应用成为可能。


(4)高低频协作组网方案[7]


虽然通过大规模MIMO、波束赋形和波束管理技术可以大大提高毫米波基站的通信距离,但毫米波基站的单机成本大于sub-6GHz基站和4G LTE基站,并且为了达到相同的覆盖范围其部署密度仍需高于sub-6GHz基站和4G LTE基站。考虑到成本效益,在部署5G网络时可以采用高低频(sub-6GHz/LTE+毫米波)无线协作组网方案。


高低频无线协作组网是5G网络架构的必然发展趋势,主要是宏基站通过低频段(sub-6GHz/LTE)实现整个区域内的基础覆盖,微基站(毫米波)通过高频段承担热点覆盖和高速传输,以满足5G网络更高数据流量、更快用户体验速率、海量终端连接和更低时延的需求。在组网方式中,高低频可以各自独立组网,也可以通过双连接或载波聚合实现混合组网,如下图所示。


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如上所述,通过先进的大规模MIMO和波束赋形技术,可使得毫米波的传输距离达到数百米,这意味着毫米波与现有热点和5G低频基站或4G基站的共址成为可能。通过共址技术可以实现高低频无线协作组网。通过使得毫米波高频基站与5G低频基站或4G LTE基站共址,可以以较低的成本实现毫米波的显著覆盖。


(5)集成接入回传(Integrated Access Backhaul,IAB)技术[8]


集成接入回传是指接入(Access,基站到移动设备)和回传(Backhaul,基站到基站或基站到核心网络)共享相同的无线信道。如下图所示,基站gNB #1通过光纤有线回传,而gNB #2和gNB #3则通过基站gNB #1进行回传。gNB #1使用相同的频谱或无线信道为其覆盖范围内的移动设备提供服务,并为其他两个基站(gNB #2和gNB #3)提供回传连接。由于5G网络的覆盖能力要低于4G网络,因此接入节点密度的增加对于网络覆盖范围、网络建设成本、网络部署和管理带来了诸多困难和挑战,通过IAB技术可减少每个接入节点位置的有线回传依赖,通过更简单的部署实现更广泛、有效、低成本的网络覆盖。


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除上述用以解决或增强毫米波覆盖的技术和方案外,还可以通过毫米波CPE(Customer Premise Equipment)来增强毫米波覆盖。CPE可译为客户前置设备,也有人译作客户终端设备,其连接在有线或无线信号进入用户设备之前,用于将有线或无线信号转换成本地局域网信号,供用户设备使用。毫米波CPE可以从毫米波宏站接收毫米波信号并将其转换成本地局域网信号。例如,可以将毫米波CPE置于室外,将毫米波宏站的信号转换成本地信号,供室内用户设备使用,从而起到将毫米波信号从室外中继至室内的作用,在一定程度上增强了毫米波的覆盖,尤其在不宜铺设光纤的区域,可以使用毫米波CPE来实现毫米波覆盖。毫米波CPE体积不大,无需拆装机,只需一张5G手机卡即可使用,具有很大的灵活性。


虽然以上各种技术解决了毫米波的覆盖问题,但要利用毫米波技术充分释放5G潜能还需一些突破性的技术,以解决毫米波应用中的一些实际问题。例如,需要解决当手机被手或其他物体遮挡时接收不到毫米波信号的问题,在毫米波基站密集部署的情况下如何保证用户业务的连续性、使得用户对基站的不断快速切换无感知的问题,由于高频、高功耗、散热要求高等导致的毫米波器件难以制造、难以小型化、终端设备尺寸过大的问题。


针对这些问题,业界提出了路径分集和反射技术、Multi-TRP(Multiple Transmission Reception Point,多发射/接收点)技术等,以实现毫米波的移动化,并在毫米波器件和集成电路的设计、生产方面有了较大改进,以满足毫米波终端设备的小型化要求。


(6)路径分集和反射技术[9][10]


毫米波可以采用路径分集的方式,通过垂直分集和水平分集,应对阻挡问题。路径分集的仿真效果如下图所示。


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在终端侧,通过终端天线分集,也可以提升信号的可靠性,缓解手部阻挡问题,并降低用户随机方位造成的影响。即,在终端内的不同位置放置多天线模块,当一个天线模块在使用过程中被遮挡时,通过激活另一个天线模块即可快速发现并切换到另一条新的传输路径上,从而保证无线链接的稳定性和5G毫米波通信的鲁棒性。终端分集的仿真效果如下图所示。


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高通公司已就路径分集和反射技术给出了经过仿真试验验证过的解决方案。在2020年8月的GSMA毫米波技术深入解读研讨会上,高通公司的发言人表示,在5G的设计中,高通有物理层信号能够支持快速调整和切换附近的波束,从而高效利用多路径和反射。该发言人说:“如果一个传输路径被手部或身体其它部位遮挡,通过激活手机上的另一个(天线)模块就可以快速找到一条新的传输路径。我们还将这种转换从基站内扩展到不同基站之间,这意味着毫米波传输在不同基站之间的切换也能够快速实现。”这一解决方案能够支持信道的快速切换。


(7)Multi-TRP技术


Multi-TRP功能可以允许每个TRP(发射/接收点)采用不同的DCI调度不同的传输块,利用不同TRP的空间信道差异来提升用户数据速率,适用于eMBB场景;也可以允许不同TRP传输一个DCI调度的同一个传输块,利用空分、时分、频分等方式提升数据可靠性。


Multi-TRP多点传输功能适合5G毫米波SA组网场景,能够避免由于遮挡造成的信号中断,大幅提升毫米波连接的鲁棒性和可靠性,保障5G毫米波通信质量与用户主观体验。


(8)5G毫米波器件、集成电路、终端的设计和制造[11][3]


5G毫米波方案的商用离不开毫米波终端设备。sub-6GHz和毫米波频段在协议层的设计保持了基本一致,这使得毫米波终端实现的关键因素集中在毫米波终端因新增高频通信功能所带来的基带芯片、射频器件、高频天线等方面的实现挑战。


5G毫米波器件或集成电路芯片与之前的器件或芯片的不同之处主要在于:


基带芯片:需要能处理毫米波信号的调制解调器。高通公司已发布了五代基带芯片:骁龙X50、骁龙X55、骁龙X60、骁龙X65、骁龙X70,其中从第二代(骁龙X55)起即可支持5G毫米波。联发科(Media Tek)也在2022年5月份发布了[敏感词]同时支持毫米波和sub-6GHz全频段5G网络移动平台--天玑1050。毫米波基带芯片是我国5G产业链上的薄弱环节,急需突破以满足产业要求。


射频前端:与sub-6 GHz终端的射频前端多采用分立器件不同,毫米波终端的射频前端一般采用集成器件提高集成度并降低高频损耗。器件集成度的进一步提升对材料工艺方案、天线及终端整机设计提出了更高要求。


天线封装技术:由于毫米波射频前端与阵列天线间的互联端面对高频极度敏感,业界通常是将前端等有源器件(如功率放大器等)直接集成在阵列天线背面形成一体化封装,这种封装技术称为封装集成天线(AiP, Antenna in Package)技术。以下两幅图示出了美版iphone 14的两处天线模块的位置(图片来源为ifixit)。第一幅(上)图中橙色方框中的模块为手机背面的毫米波天线模块,与芯片一起采用AiP封装,第二幅(下)图中红色方框中的模块为单独布置在手机侧面的毫米波天线模块。


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手机终端:集成难,对小尺寸终端(手机)来说存在空间挑战,要和已有的天线共存,部署难。另外还有信号挑战,毫米波路径损耗大,易被手机壳、手等遮挡,如上所述,可以通过路径分集和反射技术来弥补这种缺陷。


5G毫米波终端射频器件的频率、集成度等特性,反映到芯片器件的工艺上呈现不同的需求。目前制造支持低频段的射频前端器件的材料主要是CMOS为主的硅基工艺。在毫米波频段,为提升器件的高频物理特性,一般采用化合物工艺,如砷化镓GaAs、氮化镓GaN、磷化铟InP等。化合物工艺比硅基工艺具有更低的噪声系数、晶体管截止频率和更强功率。


工艺制程技术中,应用最广泛的的硅基CMOS工艺已经进入7 nm以下制程的节点,但技术主要集中在欧美与中国台湾地区企业,国内如中芯国际等企业的制程还相对落后。与之形成差异的是,国内在化合物半导体方面具有一定的产业基础,与国外技术相差并不大。


目前,毫米波终端设备所需的器件、集成电路的设计和制造工艺均已日趋成熟,世界上已有多家通信设备厂商设计、发布了支持毫米波的终端设备。根据GSA于2022年2月份发布的统计数据,支持毫米波频段的5G毫米波设备已有152种,约占所有5G设备的17%,支持各毫米波频段的设备种类数如下表所示:


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152种5G毫米波设备中有97种是公开发售的,公开发售的97种5G毫米波设备中44种为手机终端。152种5G毫米波设备中有约45%为手机终端,约20%为室内或室外CPE。下图列出了各通信设备厂商的5G毫米波设备的占比。


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以上设备厂商中华为(Huawei)、联想(Lenovo)、中兴(ZTE)、TCL均为中国公司,可见就5G毫米波设备层级来说,国内已具备一定的设计和制造能力,可以为5G毫米波方案的商用提供有力的支撑。


(9)5G毫米波测试技术[12]


5G毫米波给测试技术带来巨大挑战。由于5G毫米波天线与收发信机(Tx/Rx)甚至数模/模数转换电路(DAC/ADC)将一体化设计和加工,因此无法单独对射频前端进行射频指标测试。并且,射频电路的带宽、噪声系数、灵敏度等诸多性能指标与天线的特性相互影响,难以单独评估,导致无法兼容中低频场景的测试方法和标准。当前,OTA(Over the Air,空口)测试是5G毫米波系统的主要测试手段。


射频指标测试对象包括基站设备、终端设备以及芯片、相关模块。其主要针对设备的诸如辐射功率、调制信号质量等相关指标进行测试。针对5G毫米波频段的测试方法研究仍在火热进行中,经过行业内相关高校、研究机构、企业等的研究与推动,在各自的方向上取得了一定进展,相关测试指标与方法也逐渐清晰。3GPP TS 38.101-2、TS 38.521-2分别给出了FR2频段终端射频指标定义与相关射频指标一致性测试的标准;TS 38.141-2列出了毫米波基站射频辐射指标一致性测试的规范和步骤;TR 38.810研究了如何利用OTA的方法对FR2频段终端进行射频指标测试。在国内,工信部、中国通信标准化协会、信通院、运营商等也正在推进5G毫米波技术及测量方法的标准化进程。


对于基站设备,3GPP早在Rel-11中就针对使用传导的方法测试有源天线阵列(AAS)的挑战进行了分析,并决定针对AAS的OTA测试方法进行研究。经过多年的探索,工业界对于使用OTA方法测试AAS指标的挑战有了深入的认识,针对毫米波基站OTA测试方法,3GPP完成了Rel-15和Rel-16标准制定工作,当前正针对测试方法开展进一步的增强研究。


对于终端设备,3GPP首先在Rel-15中完成了毫米波终端测试方法的研究,该研究针对毫米波终端的射频、无线资源管理、以及解调的测试验证提出了解决方案,测量的方法包括了直接远场、紧缩场、近场转换远场等。


为了评估毫米波MIMO性能,3GPP在Rel-16中对毫米波MIMO OTA测试方法开展了研究工作,针对静态测试环境,完成了场景定义、信道建模、测试方法的标准制定工作。


随后,3GPP在Rel-17中针对毫米波测试中无法支持较高下行或较低上行信号功率的测试,以及测试时间过长、测试仪表与被测终端极化方向不匹配、无法支持如FR2+FR2 Inter-band载波聚合测试、无法支持[敏感词]测试条件测试等问题,对测试方法进行了进一步增强。


目前,3GPP正在讨论Rel-18毫米波测试相关的立项,候选项目包括了动态OTA测试方法,下行4流测试方法,以及针对固定无线接入(FWA)设备的测试方法等。其中,毫米波动态OTA测试是研究动态环境下毫米波终端性能测试方法。由于目前的毫米波测试方法都是基于静态的测试环境,即终端在测试过程中位置固定、测试开始前会预留足够的波束调整等待时间,因此无法有效验证毫米波终端的波束管理性能。而动态OTA测试方法可以在信号来波方向、信道条件等快速变化的环境中评估毫米波终端的波束管理性能,为毫米波的商用部署提供有效验证手段。


随着5G毫米波各项关键技术的发展,5G毫米波商用方案已日渐趋于成熟。


3

5G毫米波部署现状


根据GSA的数据,截至2021年12月底,145个国家或地区的487个运营商对5G网络的投资已处于测试、试行、牌照获得、规划或实际部署阶段。其中,78个国家或地区的200个运营商已启动商用3GPP兼容5G业务(移动或固定无线接入),99个运营商已投资公共网络的5G独立(SA)组网(除了已启动5G SA网络的那些运营商,还包括正在评估/测试、试行、规划或部署的那些运营商)。GSA已列举记载了20个已部署/启动用于公共网络的5G独立组网的运营商。


各个国家在部署5G网络时出于自己的需求和考虑有的采用sub-6GHz,有的直接采用毫米波。例如,美国由于FR1频段大部分已被军方通讯所用,因此5G路线直接就是毫米波高频段路线;中国考虑到毫米波的部署难度、器件国产化难度等初期采用sub-6GHz技术来组建5G网络;韩国、日本、欧洲等国家或地区则是两种频段都在发展。


根据GSA的数据,截至2021年12月底,48个国家或地区的192个运营商已投资5G毫米波网络,包括测试(testing)、试行(trialling)、规划(planning)、获取牌照(licensed)、部署(deploying/deployed)或运行5G毫米波网络。其中,24个国家或地区的140个运营商已持有在26/28GHz、37-40GHz或47-48GHz部署5G毫米波网络的牌照,16个国家的28个运营商已在积极部署5G毫米波。下图示出了投资5G毫米波的运营商的数量(count of operators)和状态。


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下图示出了24.25GHz-29.5GHz之间的5G毫米波频谱的使用情况。


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在中国,基于早期部署的sub-6GHz 5G网络,对高低频协作组网已展开试验和测试,以部署5G毫米波。2021年8月,高通携手中兴通讯,实现国内首次采用5G SA双连接(NR-DC),基于26GHz毫米波频段的200MHz载波信道以及3.5GHz频段的100MHz带宽,合力实现超过2.43Gbps的单用户下行峰值速率。两家公司还基于26GHz毫米波频段的四个200MHz载波信道,利用载波聚合技术,实现了超过5Gbps的单用户下行峰值速率[9]


除了高低频协作组网,毫米波独立组网的方案在中国也已有试验成功的案例。2022年9月份,中兴通讯完成了5G毫米波独立组网全部功能项目的技术验证,首家成功与第三方终端完成5G毫米波独立组网端到端测试。在本次测试中,中兴通讯的高性能低功率毫米波NR基站和搭载骁龙X65 5G调制解调器的CPE测试终端采用毫米波独立组网(SA)模式下的FR2 only方式进行连接,在200MHz单载波带宽、下行4载波聚合、上行2载波聚合的配置下,分别完成了DDDSU和DSUUU两种帧结构的基本功能和性能验证。本次验证中,采用DDDSU帧结构时下行峰值速率接近7Gbps,采用DSUUU帧结构时上行峰值速超过2.1Gbps。毫米波独立组网模式的FR2 only方式是指,在不使用LTE或者Sub-6GHz锚点的情况下部署5G毫米波网络,并完成终端的接入和业务流程。运营商能够在该模式下更加灵活地为个人和商业用户提供数千兆比特速率、超低时延的无线宽带接入服务,实现所有适用场景的绿色固定无线接入网络部署[13]


4

5G毫米波应用场景及展望


毫米波是5G不可或缺的一部分,助力5G释放全部潜能,全球5G毫米波产业蓄势待发。5G毫米波具备频率宽带容量大,易与波束赋形结合,超低时延等多个突出优势,有利于推动工业互联网、AR/VR、云游戏、实时计算等行业的发展。随着5G毫米波解决方案的规模不断扩大以及市场的日益成熟,5G毫米波将实现更加广泛的影响和效益。


5G毫米波非常适于部署在人口密集的区域,比如企业内部的会议室,大型体育场馆、中心或者音乐厅,以及各类交通枢纽如机场、火车站、地铁站等。根据3GPP TR 38.913定义,与毫米波应用相关的几个场景分别为:室内热点、密集城区、宏覆盖、高速铁路接入与回传以及卫星扩展到地面。国外当前应用比较成熟的是美国和韩国的热点覆盖和FWA(固定无线接入)的应用方案。


更具体一些,什么是对毫米波非常适合的场景?高通中国区研发负责人曾举过一个例子:在人山人海的地铁站,如果每个人都使用手机,网络速度会很慢,如果把5G NR毫米波天线和Wi-Fi接入点共址,将Wi-Fi基站变成毫米波基站,就能够在28GHz频段上,显著改善这种情况,甚至还能实现数千兆速率的用户体验,实测中5G下行突发速率已经达到4.6Gbps。这意味着在地铁站这类人流非常多的场景下部署毫米波,不仅能改变以往明明有信号上网却特别卡的情况,人人都能连上5G,还都能特别快[14]


世界移动通信系统协会(GSMA)认为,毫米波将成为5G技术发展的重要一环,跟单独使用sub-6GHz的5G网络相比,使用sub-6GHz结合毫米波网络有望节省35%的成本。GSMA的《5G毫米波在中国》报告显示,预计到2034年,在中国使用毫米波频段所带来的经济收益约1040亿美元,其中垂直行业领域中的制造业和水电等公用事业占贡献总数的62%、专业服务和金融服务占12%、信息通信和贸易占10%。


当前,毫米波全球商用已经逐步展开,各国相继分配频谱,展开商用部署。在我国,随着载波带宽、帧结构、功率限值等关键指标的逐渐统一和明确以及频谱规划的有序推进,产业链从设备、终端到测试各个环节日趋成熟完善。


目前,我国的5G毫米波频段尚未投入商用,现有的5G业务均由sub-6GHz网络支撑。然而,现有的5G网络在一些特殊的行业应用场景中,已开始表现出“力不从心”的状态,在速率、容量、时延及可靠性方面已不能100%满足场景的需要。诸如高清视频、VR/AR、V2X自动驾驶、工业自动化、智能物联网等代表着高容量、高速率、低时延的典型业务,没有高频段毫米波的大容量基本是不可行的。5G毫米波具有的超大用户容量、超大带宽、超低时延等特性,使其在这些特定的业务领域拥有更强的应用价值。有业内专家透露,国内的5G建设正在进入“sub-6GHz频段提供覆盖,5G毫米波提供容量”的新阶段,毫米波商用指日可待。

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