5G毫米波

在之前的5G专题中我们介绍过5G的《频谱分布》，其中，FR2频段使用的是毫米波。毫米波是5G关键技术之一，在其他几代的移动通信中也从未使用过毫米波。本章节将和大家一起学习毫米波。

我们知道，无线通信的载体就是电磁波，通过电磁波传递消息，同样这里的5G毫米波同样也是电磁波，它是一个特定频段的电磁波。

c：波速，单位：m/s，光速是一个常量，真空中约等于3×10^8m/s；

f：频率，单位：Hz，1兆赫兹（MHz）=1000千赫兹（KHz）=1×10^6赫兹（Hz）；

λ：波长，单位：m；

根据上面的公式，基站发出的无线信号是在空气中传播，其传播速度为光速c=3x10^8m/s，所以其波长与频率之间的关系是负相关，即频率越高波长越短，3GPP定义的FR2频段，其波长范围在1毫米-10毫米之间。通俗上讲，我们把这个频段叫做毫米波。

根据电磁波的特性，电磁波的传播不需要介质，同频率的电磁波，在不同介质中的速度不同。不同频率的电磁波，在同一种介质中传播时，频率越大折射率越大，速度越小，穿透能力越弱。所以，对于FR2频段的毫米波而言，会比FR1频段的Sub-6G频段，信号的损耗要大得多，而且也极易受阴雨天气影响。

对于毫米波来说，需要建设大量的基站才能达到覆盖要求。如果覆盖不到位，因为信号很容易受到物体的遮挡。可能就真的会出现这样一幕，你站在一位正在玩儿手机的同学的面前，他可能就会说，“胖子，你挡到我手机信号了！”

那么问题来了，相对来说，毫米波的穿透能力差，损耗大，为什么还要去用它呢？

虽然毫米波的损耗大大高于Sub-6G，但是毫米波段不像Sub-6G频谱被分割的零零散散。所以说，毫米波频段的频谱较为干净，干扰较小，更重要的是毫米波段能有更大的带宽，而根据香农公式，带宽越大信道容量越大，可支持的通信速率就越高。就像公路一样，车道越宽，车道越多，马路上通行的车辆越多。

在3GPP中规定，要求5G速度可以达到20Gbit/s，这个速度在Sub-6G是很难办到的，要达到这个速度就要由毫米波出场了。那么，如果使用毫米波，那么它的传播时的衰减那么大，这要建起来得建不少基站啊！这建设成本得有多大啊！这又该怎么解决？

要解决这个问题，就要用到之前5G专题中讲到的massive MIMO和波束赋形技术，之前也有介绍过《波束赋形（Beamforming）》。由于天线尺寸与信号波长成正比，在同样大小的射频模块中，可以布置更多的天线阵列。在massive MIMO天线阵列中，再使用波束赋形技术可以将信号能量集中在极窄的波束精确地指向用户，从而使信号传输的更远。

我们知道波束赋形可分为数字波束赋形和模拟波束赋形两种。那么，对于毫米波来说，我们选择哪一种呢？

如果使用数字波束赋形，在毫米波中需要应用到大量的天线，我们知道数字波束赋形是在数字信号处理波束赋形，每个天线上就需要独立的数模/模数转换器，混频器，滤波器和功放等器件。对于这些器件来说，不仅在功耗上是个问题，成本上也可算是一个不小的数目，而且对于硬件的设计复杂度也大大增加，尤其是毫米波电路设计。

对于毫米波我们可以选择模拟波束赋形，可以在模拟信号部分处理波束赋形。那么就不需要那么多的独立器件。电路的设计大大简化，功耗也降低不少。

5G有三大应用场景，毫米波在增强移动带宽的应用上发挥着巨大的作用，毫米波可适用于AR，VR，高清视频等需要大带宽高速率的应用场景。此外，毫米波还将被应用于5G车联网(V2X)，提供远超GPS和LTE精度的定位服务。这是因为距离分辨率与信号带宽成反比，毫米波的大带宽因而可以达到厘米级的定位精度。

当前，全球已经有很多国家在毫米波段有部署的计划，可以说，毫米波是一个很有前景的方向。