任正非都说好的5G毫米波 为何在中国部署比欧美晚?

摘要:

故事要从任正非那句话说起——日前他在接受央视专访时提到,“全世界能做5G的厂家很少,华为是做得最好的,全世界能做微波的厂家很少,华为做得最先进。能够把5G基站和最先进的微波技术结合起来成为一个基站的,世界上只有一家公司能做到,就是华为。”

当时大家都关注任正非对其它问题的回答,却没有人清晰的阐述“微波”是什么,不禁好奇,微波到底是个啥?

微波是个很宽泛的定义,它可以指频率为300MHz~300GHz的电磁波,对应波长在1毫米~1米之间,而任正非这里所说的微波主要指的是——毫米波。

5G时代毫米波突然受宠的原因:带宽大

通信就是编码解码、调制解调、加密解密的过程,承载各种信息的就是电磁波,电磁波也是无线通信存在的根基。在全球范围内,5G部署的频段有且只有两种,一种是sub-6GHz,指的是6GHz以下的频段,一种是毫米波。

顾名思义,毫米波就是波长在1~10毫米的电磁波,对应频率为30~300GHz,作为参考,我们目前4G所使用的频段是2000MHz,2G和3G就更低了。

不管是2G/3G还是4G时代,毫米波一直都在,它的历史甚至可以追溯到19世纪90年代,不过在很长一段时间里,毫米波都只活跃在大学的实验室里,仅仅是理论探索。

直到今天,毫米波的主要应用还是卫星通信、雷达和一些军事应用,比如在射电天文学中的早期应用,77 GHz汽车防撞雷达等,不过在5G时代,毫米波终于要“翻身农奴把歌唱”。

摘自百度百科

5G要使用毫米波的理由简单且纯粹,30GHz以上有丰富的频谱资源,按照换算关系,1GHz=1000MHz,1MHz=1000kHz,毫米波的频谱资源是数量级的提升。

而在以往,之所以没有开发毫米波主要有两点原因,其一是商业需求并不大,其二是整体产业链技术都不成熟,使用成本也高。

5G的到来加速了这一过程,并且让毫米波成为一种“最优解”,5G所需的大带宽动辄100M以上,运营商有连续100M频宽是开展5G的基本要求。在工信部确定的5G频谱分配方案中,中国电信获得3400MHz-3500MHz共100MHz带宽的5G试验频率资源;中国联通获得3500MHz-3600MHz共100MHz带宽的5G试验频率资源;中国移动获得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz频段的5G试验频率资源。

可以看出我国的三大运营商最少都有100M连续带宽资源来开展5G,反观之,4G时代三大运营商的频谱资源并不是连续的,而且带宽资源还有不到100M的。

从4G到5G,是数据的又一次爆炸式增长,就需要更快的传输速度。无线传输速率增加一般有两种方法,一是增加频谱利用率,二是增加频谱带宽,增加频谱带宽简单且直接,只需要有充足的带宽资源就行。

无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右,4G网络均在sub 6GHz频段,可用最大带宽是100MHz,数据传输速率不超过1Gbps。而在毫米波频段,可用带宽大大增加,数据传输速率也成倍上升,加之新材料、新技术和新工艺的提升,毫米波在5G时代终于要迎来大规模应用。

解决毫米波缺点——Massive MIMO和波束赋形

如果毫米波都是优点,也不至于到现在才被如此重点对待,毫米波属于“极高频”范畴,电磁波的传输特点是频率越高波长越短,衍射能力越弱,穿透能力越强,信号穿透会损失很大能量,所以传输距离就越近。言而总之,频率越高的电磁波传播距离越近。

不止如此,与频率较低的电磁波相比,毫米波信号尤其遇到水的衰减大,严重影响传播效果。研究表明,通常情况下,降雨的瞬时强度越大、距离越远、雨滴越大,毫米波衰减越严重,因此在毫米波通信系统或通信线路设计时,都需要留出足够的电平衰减余量。

为了解决毫米波传输距离的掣肘,5G有几项关键技术随之诞生或者增强。第一个是Massive MIMO,简称大规模天线技术,MIMO的含义是天线“多进多出”(Multiple-Input Multiple-Output),如下图所示,4G时代MIMO技术就已经得到应用,不过最多也就是基站8天线,手机4天线,在4G所处频率上如果要放更多的天线会互相干扰,反而得不偿失。

在理想传播模型中,当发射端的发射功率固定时,接收端的接收功率与波长的平方、发射天线增益和接收天线增益成正比,与发射天线和接收天线之间的距离的平方成反比。

毫米波频段高波长短,故而信号衰减非常严重,接收天线接收到的信号功率减少,天线发射功率不能增加,发射天线和接收天线的距离不受控制(移动用户随时可能改变位置),发射天线和接收天线的增益也不能提高太多,所以解决方案只有——增加发射天线和接收天线的数量,而且毫米波波长短互相之间干扰距离小,天线之间可以离得更近,所以5G天线都不是以个数论英雄,而是一个阵列。

目前主流设备商包括中兴、华为、大唐移动、爱立信和诺基亚均已推出了 Massive MIMO 产品及解决方案,由于TDD 和 FDD 制式在信道信息获取方面的先天差异,现阶段基于 TDD 的阵列天线进展更快。

第二个是波束赋形(Beamforming),在WiFi路由器也有应用,5G时代大规模天线技术是波束赋形的基本条件。

在没有人为干扰的条件下,电磁波是360度无死角传播的,其中很大一部分没有被接收,白白浪费,天线阵列可以使得电磁波朝着人为规定方向的传播,且天线个数越多,电磁波传播方向越集中。

波束赋形可以使无线信号定向传输到需要使用的方向,而且还需要波束导向技术根据信号接收点的位置变化不断调整,技术含量高高的。

中国毫米波部署为何比欧美晚

回到文章开头的问题,任正非为何要强调“5G基站和微波结合起来做得很好的只有华为”?主要就是说给美国和欧洲部分国家听。

微波基站回传天线(摘自京信通信官网)

5G基站部署频率高,所以基站密度更大,如果每个基站都由光纤连接到中心机房,成本将大大增加,而且也十分复杂,尤其是美国和欧洲部分地区,这些地区的光纤覆盖远不如国内,使用微波技术做回传是经济可行的适合方案。

毫米波系统的典型使用场景就是自回传,一个5G空口通过一跳或多跳提供多个接入和传输,而不需要光纤链路。

日前高通也发布了其面向毫米波的Qualcomm QTM052毫米波天线模组,包含了从收发器到所有射频前端器件,还有电源管理IC以及天线,高通方面介绍,根据对手机性能不同的要求,可在一部手机中安装3到4个此模组,该模组覆盖的频谱也是比较主流的毫米波频段。

6GHz以下的射频链路架构和毫米波的射频链路架构完全不同,高通也是分别推出了对应产品,这也意味着在5G商用早期,不同国家或者地区的手机搭载的射频单元或许是不同的,支持的频率也可能稍有差别,首批5G手机将不具备“漫游”功能,全模手机将在后续产品中实现。

毫米波比较主流的频段是28GHz以及39GHz,各个国家和地区会根据历史情况和频谱资源情况来进行毫米波和6GHz以下频谱部署,比如北美可能会先在毫米波频段进行5G部署,国内会先在6GHz以下进行5G部署,日韩可能两种频段都会部署。

国内三大运营商或将在2022年才商用5G毫米波频段,这也和我国通信的历史发展有关。早在2013年,国务院就印发了《关于实施“宽带中国”战略及实施方案的通知》,“光进铜退”还有提速降费等政策都让高速光纤进入到寻常百姓家,运营商骨干网资源也十分丰富,所以国内运营商在5G商用前期就没有特别强烈的意愿用毫米波做回传,而是转而在成熟阶段区进一步探索5G的其他应用。欧美地区运营商在商言商,不会做赔本生意,光纤铺设成本高,覆盖密度还低,欧美地区在早些时候就一直向毫米波方向进军。

中国无线电管理局在今年2月份发布的2019年全国无线电管理工作要点指出,将适时发布5G系统部分毫米波频段频率使用规划,引导5G系统毫米波产业发展。更早之前工信部也批复4.8-5.0GHz、24.75-27.5 GHz和37-42.5GHz频段用于我国5G技术研发试验,试验地点为中国信通院MTNet试验室以及北京怀柔、顺义的5G技术试验外场。

在国内市场,Sub-6GHz是运营商部署NSA(非独立组网)5G网络的关键,既节约网络建设成本,又能兼顾网络覆盖范围和建筑内部穿透能力,对国内市场来说是更为成熟的选择,业内人士表示,在2022年商用毫米波并不会影响国内5G的竞争力。

不同国家和地区在2019年承载5G所用频率不同

中国、欧洲、日本、韩国、澳大利亚等地都是使用6GHz以下频段做第一波5G手机比较热门的国家和区域,国内并不像国外部分地区对毫米波有那么高的需求。

业内人士预计毫米波在国内的发展可能会很晚,不过相比租用光纤的高成本,毫米波还是有一定优势的,在国内毫米波很难取代光纤做回传,但在国外部部分运营商可能就选择毫米波做基站回传了。

有观点认为,完美的5G需要毫米波频段在5G接入系统的普及应用,毫米波将使5G接近其最初的设想,相关技术也在不断演进之中,或许在不久的将来,毫米波将成为5G乃至6G的常用频段。

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