10月下旬，蘋(píng)果公司正式發(fā)布了2020年全新的智能手機(jī)產(chǎn)品系列——iPhone 12系列。細(xì)心的人會(huì)留意到，只有美版的iPhone 12系列新機(jī)支持5G毫米波，而其他國(guó)家和地區(qū)的版本都不具備對(duì)毫米波的支持，而只支持Sub-6GHz頻段。
為什么同樣是5G手機(jī)，蘋(píng)果公司卻推出了美國(guó)“特供”呢?其實(shí)，這是由于各國(guó)選擇的5G方案不同導(dǎo)致的。
“選擇不同的5G方案，是各國(guó)分別基于各自實(shí)際的選擇。”東南大學(xué)信息學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)工程系主任陳繼新教授表示，兩種方案各有優(yōu)劣，而毫米波也是下一階段我國(guó)在通信領(lǐng)域的突破方向。
通信要求日益增高 5G頻段開(kāi)始出現(xiàn)岔路口
翻開(kāi)人類無(wú)線通信發(fā)展史，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)通信頻率越來(lái)越高。
以我國(guó)為例，2G的工作頻段主要是900MHz和1.8GHz，3G和4G工作頻段主要為1.9GHz、2.1GHz和2.6GHz。
這是因?yàn)?，人們?duì)無(wú)線通信提出的要求越來(lái)越高。過(guò)去的無(wú)線通信是語(yǔ)音網(wǎng)，現(xiàn)在則是數(shù)據(jù)網(wǎng)，頻率越高所能提供的帶寬也就越大，這就像4車道的高速公路比2車道跑的車多，而且還能保持較快的車速。
過(guò)去，各國(guó)對(duì)無(wú)線通信頻率的選擇相差無(wú)幾，但是當(dāng)全球無(wú)線通信進(jìn)入5G波段后，情況發(fā)生了變化。
“5G技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)使傳播頻率達(dá)到更高水平，而全球的5G方案大致可以分為毫米波和Sub-6GHz。”陳繼新表示。
毫米波是指波長(zhǎng)在1—10mm之間的電磁波。由于波長(zhǎng)較短，毫米波對(duì)應(yīng)的頻率為30GHz—300GHz。而Sub-6GHz是指頻率低于6GHz的電磁波。
按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP的標(biāo)準(zhǔn)，5G頻段分成FR1和FR2兩個(gè)范圍，其中FR1頻段的頻率范圍是450MHz—6GHz，F(xiàn)R2頻段的頻率范圍是24.25GHz—52.6GHz。Sub-6GHz和毫米波的頻率恰好分屬這兩個(gè)頻段范圍。
兩種方案各有優(yōu)劣 各國(guó)部署是基于現(xiàn)實(shí)的選擇
受制于無(wú)線電波的物理特性，毫米波的短波長(zhǎng)和窄光束特性讓信號(hào)分辨率、傳輸安全性以及傳輸速度得以增強(qiáng)，存儲(chǔ)容量也更大，更容易解決用戶上網(wǎng)的擁堵問(wèn)題。但這種技術(shù)的覆蓋面積比較小，更適合在車站、機(jī)場(chǎng)、體育場(chǎng)館等人口密集的場(chǎng)景應(yīng)用。Sub-6GHz雖然在傳播速度和帶寬容量上都比毫米波遜色，但其最大的特點(diǎn)是信號(hào)穿透力強(qiáng)，傳播距離與毫米波相比更遠(yuǎn)，更容易解決大范圍區(qū)域的信號(hào)覆蓋問(wèn)題。
此前，谷歌公司在相同范圍、相同基站數(shù)量的環(huán)境內(nèi)，對(duì)毫米波和Sub-6GHz的覆蓋能力進(jìn)行過(guò)一個(gè)測(cè)試。
其測(cè)試結(jié)果顯示，在100Mbps速率的情況下，采用毫米波方案的5G網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋11.6%的人口，采用Sub-6GHz方案的則可以覆蓋57.4%的人口;在1Gbps的速率下，采用毫米波方案的5G網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋3.9%的人口，采用Sub-6GHz方案的則可以覆蓋21.2%的人口。也就是說(shuō)，采用Sub-6GHz方案運(yùn)營(yíng)的5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率是采用毫米波方案運(yùn)營(yíng)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的5倍以上。
此外，短波長(zhǎng)的特性使得毫米波的穿透力也很不理想。據(jù)以往的研究顯示，采用毫米波技術(shù)的5G手機(jī)幾乎可以被任何東西擋住信號(hào)，電話亭、玻璃、樹(shù)木和雨水等等，只要基站和手機(jī)之間有遮擋，5G網(wǎng)絡(luò)就可能回落到4G狀態(tài)。
“如果采用毫米波部署5G網(wǎng)絡(luò)，同等面積必須建設(shè)更多的基站來(lái)完成覆蓋，組網(wǎng)成本比較高。”中科智達(dá)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有限公司董事長(zhǎng)許欣介紹說(shuō)。
在5G建設(shè)中，資金投入是不得不考慮的一個(gè)重要因素。
較之毫米波，Sub-6GHz的射頻器件可以繼續(xù)沿用4G原有的產(chǎn)業(yè)鏈，技術(shù)更為成熟，而Sub-6GHz頻段的基站還可以在原有4G基站的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，大大節(jié)省了成本。
而工作于毫米波頻段的亞微米尺寸的集成電路元件，設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的門檻較高，需要更高的資金投入，這在一定程度上也阻礙了毫米波方案的商用發(fā)展。
目前，我國(guó)主要采用了Sub-6GHz方案。韓國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家或地區(qū)則是兩種頻段都在發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要看運(yùn)營(yíng)商和使用環(huán)境的具體需求。
而由于歷史原因，美國(guó)通信領(lǐng)域可分配的大部分頻譜被軍方占用，留下的只有高于27.5GHz的頻率，所以美國(guó)運(yùn)營(yíng)商的5G部署不得不從毫米波開(kāi)始。
毫米波將釋放更大潛力 我國(guó)正積極布局該領(lǐng)域研發(fā)應(yīng)用
事實(shí)上，對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是Sub-6GHz還是毫米波，并沒(méi)有優(yōu)劣之分，只是現(xiàn)實(shí)因素導(dǎo)致先后發(fā)展順序不同。據(jù)了解，當(dāng)前6GHz以下的黃金通信頻段已經(jīng)很難得到較寬的連續(xù)頻譜，相比之下，毫米波頻段卻仍有大量潛在的未被充分利用的頻譜資源。
相關(guān)專家認(rèn)為，站在長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看，毫米波未來(lái)或?qū)⑼苿?dòng)5G釋放更大潛能。
例如，毫米波在雷達(dá)、成像等方面有著更高的分辨率，隨著自動(dòng)駕駛等技術(shù)的快速發(fā)展， 毫米波將被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。此外，由于毫米波具有低延時(shí)的特性，在機(jī)器人遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等前沿技術(shù)方面，也有著廣闊的應(yīng)用前景。
對(duì)于毫米波的建設(shè)，我國(guó)同樣沒(méi)有停下腳步。
今年3月，工信部發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)5G加快發(fā)展的通知》，文中提到“適時(shí)發(fā)布部分5G毫米波頻段頻率使用規(guī)劃，組織開(kāi)展毫米波設(shè)備和性能測(cè)試，為5G毫米波技術(shù)商用做好準(zhǔn)備。”包括中國(guó)電信等機(jī)構(gòu)都積極參與了工信部組織的毫米波實(shí)驗(yàn)。
針對(duì)毫米波的特性，運(yùn)營(yíng)商不再對(duì)其直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信號(hào)廣域全覆蓋，而是在需要補(bǔ)“盲”的地區(qū)才進(jìn)行部署，主要解決室內(nèi)和熱點(diǎn)地區(qū)的容量需求問(wèn)題。
陳繼新認(rèn)為，毫米波對(duì)自然環(huán)境的傳播條件比較敏感，如何在不穩(wěn)定的自然環(huán)境中利用毫米波提供穩(wěn)定的通信，是各大運(yùn)營(yíng)商在建設(shè)基站時(shí)需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。此外，毫米波業(yè)務(wù)和組網(wǎng)能力也需要進(jìn)一步驗(yàn)證。
據(jù)了解，目前主流的移動(dòng)通信設(shè)備提供商都已經(jīng)推出了支持5G毫米波的基站設(shè)備。中國(guó)聯(lián)通已經(jīng)與2022年北京冬奧會(huì)達(dá)成合作，將在北京冬奧會(huì)期間進(jìn)行毫米波的推廣運(yùn)用。一旦使用情況良好，將極大推動(dòng)毫米波技術(shù)的發(fā)展。
芯片方面，今年6月，南京網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室已研制出CMOS毫米波全集成4通道相控陣芯片，并完成了芯片封裝和測(cè)試，三星和華為已經(jīng)支持毫米波工程樣機(jī)，其他芯片廠家也在陸續(xù)推出毫米波產(chǎn)品。
在相關(guān)專家看來(lái)，毫米波產(chǎn)業(yè)鏈成熟度將影響毫米波的部署場(chǎng)景和部署規(guī)模，要真正推廣毫米波的廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵技術(shù)、核心器件、芯片方面還有待于進(jìn)一步完善和提高。這需要運(yùn)營(yíng)商與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，打造高性價(jià)比的硬件設(shè)施以及商用系統(tǒng)。
