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毫米波的励志故事:不被看好的技术也能成功

发布时间:19-09-14

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高通

5G时代在今年即将来临,在新的网络环境下,5G新空口毫米波、Sub-6GHz,以及不断优化的LTE将会实现对人类从生活到工作的全方位覆盖,其中对于很多人还感觉有些陌生的毫米波来说,将会担负起对于室内、人流密集区域的覆盖任务,已经成为了5G时代的“半边天”。

然而,对于将在未来解决以往网络中用户痛点的毫米波来说,曾经却被怀疑者质疑为是错误的选择,而毫米波的故事正是一部从把不可能变为可能的科学探索史。

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险被“打入冷宫”的毫米波

曾经有句话说,是金子总会发光,但是如果没有慧眼识珠的伯乐,金子也很容易在历史的长河中黯淡无光下去。

实际上,毫米波并不是一项陌生的技术,从定义上看,在高频段范围内的频谱即可称为毫米波。此前,毫米波频率也在一些应用中得到了使用,最被大家所经常接触的无疑是应用在802.11ad的WiFi,可以通过60GHz频谱进行室内高分辨率视频传输。另外,卫星及广播领域也早已使用。

不过,毫米波却差一点与移动通信擦肩而过,在2G、3G、4G普遍采用优质频谱资源的惯性思维下,由于毫米波频谱传播距离有限、穿透力不强、衰减快,很难保证手机等移动设备在复杂信道环境下的不间断的连接需求,所以也就在一开始被很多人把毫米波“移动化”的课题打入了冷宫。

但是,这世界上总有很多科学家勇于挑战,知难而上。毕竟在6GHz以下频谱已经被大量占用的情况下,尽管可以通过载波聚合,在同一时间段内传输更多的数据,从而实现更高的速率,但这样的方法难以提供显著的用户速度提升。

而利用毫米波内的宽频谱,可以把无线宽带的传输速率进行翻倍,甚至是10倍,兑现5G超高速率的承诺。

高通在1990年便开始对毫米波、MIMO和先进射频技术开展多年的基础技术研中华娱乐究工作。其实,毫米波有着不少先天的优势,毫米波频段拥有海量带宽,比目前正在使用3G/4G带宽多25倍,大带宽可以实现数千兆级数据速率,还可九乐棋牌以支持密集空间重用,解决重点区域承载问题,同时还具备低时延的特性,可以满足更多领域的需求。

对于毫米波的信号短板,研究人员发现,通过改进射频,利用多天线技术也许就能让毫米波从不可能变为可能。

02

打破毫米波“移动化”质疑

时间一晃来到2015年,毫米波“移动化”迈出重要一步,高通率先让质疑者对于毫米波的否定开始失声。在2015年10月在5G分析师日活动上展示了波束导向支持的非视距毫米波移动性,随即又在2016年巴塞罗那的MWC上对外演示这一5G毫米波设计。

当时,高通的工程师们展示了以28GHz频段运行的TDD同步系统,构建的毫米波拥有128个天线阵元,16个可控射频信道,而设备则包含了4 个可选子阵列,每个子阵列拥有4个可控射频信道。这也为日后毫米波基站商业化提供了参考思路。

利用该系统,高通展示了智能波束成形和波束跟踪技术,展示在设备移动、射频信道条件发送变化的情况下仍然保持相对稳定的信噪比。

在其他测量中,通过系统测量的视距覆盖约为350米,而在曼哈顿进行的户外密集型城市的模拟测量,得到的结果是约150米的非视距覆盖。这为后来实现移动设备在移动过程中获得无缝的毫米波覆盖奠定了基础。

随即,毫米波的落地进程开始全面加速,2015年的演示迅速开元棋牌在2016年10月成为现实,在高通发布的全球首款5G调制解调器骁龙X50中,对毫米波和Sub-6GHz全部提供了支持,同时还配套推出SDR051毫米波射频收发器。

这也预示着毫米波将在5G发展中扮演其重要角色。而也正是因为骁龙X50调制解调器的发布,让OEM厂商开始有机会来率先优化终端,以应对毫米波的挑战。

当网络、终端、传输测量等万事俱备的情况下,毫米波的开始被业界所认可,毫米波也即将迎来自己在移动通信领域的大爆发。

03

毫米波“高速公路”撑起“5G半边天”

2017年3月,3GPP对外公布了加快5G新空口的eMBB工作计划,其中表示除了要发展6GHz以下频谱的相关技术外,也会发展在6GHz以上的频谱,支持毫米波于2019年实现部署。

全球的5G标准已经不再像以前一样仅面向3GHz以下频段设计,而是提供一个统一设计,让3.3到5GHz的中频段与24GHz以上的毫米波都能得到利用。

这也意味着毫米波正式被人们确定为5G时代的“高速公路”,这条公路避开了原有的已经拥挤不堪、被大量占用的6GHz以下频段,凭借海量的频谱带宽,可以实现10倍于6GHz以下频段LTE网络的速率,可谓另辟蹊径。

同年6月,在工信部无线电管理局公开征集24.75-27.5GHz、37-42.5GHz或其他毫米波频段5G系统频率规划的意见。其中明确表示,频率规划对5G系统技术研发和应用起着重要的导向作用,毫米波频段将为5G系统重白金会要工作频段。

7月,工信部批复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。毫米波这条5G“高速公路”的构建也开始在我国进入试验阶段。

毫米波频段还在这一年成为5G的先行者,基于骁龙X50 5G调制解调器芯片组实现的全球5G数据连接,正是使用了28GHz毫米波频段,并成功实现了千兆级速率。同时,高通还公布了首款5G智能手机的参考设计,其中便搭载了自行开发的全球毫米波天线。

与此同时,高通的演示结果再次让外界对户外毫米波的覆盖能力吃下了一颗定心丸。在美洲世界移动大会对外演示的旧金山的仿真结果显示,良好的毫米波覆盖可以释放出6GHz以下频段户外到室内的容量,通过与现有的LTE密集部署的共站址部署,覆盖模拟显示在市区1平方公里的区域内拥有超过80%的覆盖。即便在基站覆盖边缘,也能达到100+Mbps的峰值数率。

2017年,毫米波无疑已经确立起了自己在5G时代“半边天”的地位。

04

让毫米波2019如约而至

也正是在2017年,高通表示:“将在2019年实现5G 新空口毫米波在移动网络和包括智能手机在内的移动设备上的商用。”然而,这样的设想白金会却并不是表个态,然后把骁龙X50交给OEM就能实现的。

因为毫米波的波长短的缺陷就需要在手机上设计多个天线并形成阵列,让信号互相影响,从而才能形成波束。但是如果需要各个OEM厂商自己开发和优化各自的天线设计方案,做到不同天线之间的协同工作的话,难度系数十分之高,并且很多手机厂商还不具备实现和优化离散式器件的能力,同时也影响了在其它方面上的创新工作。

为此高通为OEM厂商提供了一种较为简单的方法,那就是把天线以及射频前端包括收发器和放大器都整合在一个模组里,把天线预先整合好,提前做好调整工作,形成相互协同。

高通来为OEM厂商解决射频通讯的难题,让OEM厂商把主要精力放在自身所擅长的5G手机本身的设计和5G应用、用户体验的研发上。

于是,全球首款完全集成的毫米波射频解决方案高通QTM052毫米波天线模块在2018年7月正式发布,该天线模组尺寸小巧,集成了从收发器到所有射频前端的器件,还有电源管理IC以及天线本身,支持首批投入商用的毫米波频段。

OEM厂商可以选择在手机的边立面上安装3-4个模组,以配合5G调制解调器芯片。

随后,在瑞典希斯塔,爱立信与高通又在实验室中成功利用智能手机大小的移动测试终端完成了公开的、符合3GPP R15规范的5G新空口呼叫。高通总裁克里斯蒂安诺阿蒙当时表示:“实现毫米波的移动化并将其应用于智能手机之上一直被认为是不可能完成的挑战,但本次演示表明我们正稳步推进,将为消费者带来突破性的5G毫米波体验。”

2019年2月份的MWC前后,小米、一加、三星、vivo、OPPO、中兴纷纷对外展示了自家的5G手机,这些产品也均采用了骁龙X50调制解调器及射频模组,从而实现对于目前全球首批上线5G地区的6GHz以下及毫米波频段的支持,整合模组的解决方案助力5G手机在2019年春季集中爆发。

而高通也没有停止在毫米波模组上的创新步伐,同样在此期间发布了X55调制解调器及配套的QTM525毫米波天线模块。新的模块更小巧,可以让5G智能手机的厚度达到8mm以下,达到目前纤薄型4G手机的水平。

同时支持的频段更多,在前代支持的n257 (28GHz)、n260(39GHz)与n261(美国28GHz)频段的基础之上,还新增了对n258(26GHz) 频段的支持。让5G智能手机可以支持全世界的毫米波频段。

今年巴展同期,工信部无线电管理局也发布《2019年全国无线电管理工作要点》,在这份明确2019年工作重点的文件中特别强调,将会适时发布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。

也就是说,在2019年随着5G手机的发布,以及全球运营商试验网络及试商用的展开,作为5G“高速公路”的毫米波在产业链的推动下已经如约而至。

05

毫米波未来可期

回到文章开头所谈到的,毫米波将会在未来的5G网络环境中担负起重要任务。目前,高通就正针对未来的商用场景进行着5G毫米波的室内外测试工作,并通过对于5G毫米波用例的拓展,解决目前网络环境下的痛点,其中在对于室内、人流密集区域中所产生的改变将十分显著。

拓展5G新空口毫米波至室内后,与Wi-Fi部署互补,可以为虚拟现实设备提供更好的体验,利用毫米波本身的高带宽、低时延特性,可以让XR设备获得更流畅、更高清的使用体验。对于平板电脑、PC也能获得更好的联网体验,例如在一些“吃鸡”类游戏中,也能实现真正的公平竞争。

在如体育场、音乐会、大型会议场所等人流密集场馆,5G新空口毫米波可以通过数千兆比特速度和无限容量,让用户不会再出现网速过慢甚至断网的问题,场馆也能提供独有的个性化体验,出现更多在活动中和活动后的全新变现机会。

借助毫米波的覆盖和性能还可以解决企业、私有网络的带宽需求,通过5G毫米波与Wi-Fi的结合,在具有蜂窝级安全性的情况下,还能让笔记本电脑和平板设备始终连接,提升企业的云化程度,让云应用、云存储可以即时接入,还可以将沉浸式内容连接至多个投影仪或显示屏。

显然,在3GPP R16标准将在2020年3月出台之际,随着5G网络的越发成熟,用例在eMBB、mMTC、URLLC新场景上的不断拓展,毫米波基于本身的优势,以及业界系统级创新的不断涌现,作为“5G半边天”的毫米波在未来有着更多用武之地。

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