5G启用毫米波频谱：哪些频率会被采用？

39GHz (38.6-40GHz)频段，以及一个新的免许可频段64-71GHz推出一项新的超高微波灵活应用（Upper Microwave Flexible Use）服务。

虽然28GHz可能不会在全球范围内用于移动通信，但美国正在积极地朝这个方向前进。

原型验证推动毫米波研究的进展

尽管5G广泛采用28GHz频率可能还需要很长的时间，但就目前来说，该频率显然非常重要。过去几年的移动通信主要专注于73GHz（E频段）。诺基亚使用纽约大学在73GHz下的信道测量结果，开始其对该频率的研究。在2014年NI公司的年度用户大会NIWeek上，诺基亚使用NI原型硬件演示了第一个在73GHz下工作的无线demo。该公司将持续改进这个原型，并向公众展示这些最新的成就。在2015年世界移动通信大会(MWC)上，该原型系统使用透镜天线和波束跟踪，实现了超过2Gbps数据吞吐量。诺基亚在2015年布鲁克林5G峰会上展示了该系统的MIMO版本，其运行速率超过10Gbps，而且在之后不到一年的时间里，诺基亚又在2016年的MWC展示了一个超过14Gbps的双向无线链路。诺基亚并不是唯一一家在MWC2016上展示73GHz demo的公司，华为也展示了一个与德国电信合作开发的73GHz工作原型。该demo采用多用户MIMO机制，展示了高频谱利用率以及可为个人用户提供超过20Gbps吞吐量的潜力。

未来几年预期会有更多关于73GHz的研究。该频率不同于28GHz和39GHz的一个重要特性是可用的连续带宽很高（大于2GHz），这是目前提出的最宽的频谱。通过比较，28GHz提供了850MHz的带宽，在美国，39GHz附近的两个频带提供了1.6GHz和1.4GHz带宽。我们前面说过，更高的带宽意味着更高的数据吞吐量，这使得73GHz在这一方面比其他频率更有优势。

39GHz频带正在研究当中，但尚未得到公众的大量支持和关注。但是，该频段具有的部分特性使其可能成为一个折中的选择来获得广泛应用。FCC提议将39GHz作为可能的移动频率。Verizon公司在专注于2017年的28GHz首次现场试验的同时，已经通过其与XO CommunicaTIons的业务关系开始研究39GHz，XO CommunicaTIons已经拥有39GHz的实质许可证。但是，公众对28GHz和73GHz的支持和研究显然比对其它频率的更为明显。

为了利用毫米波来实现5G网络，研究人员必须开发新的技术、算法和通信协议，因为毫米波信道的基本性质与当前的蜂窝模式截然不同，并且是相对未知的。建立毫米波原型的重要性再怎么强调都不过分，尤其是在时间如此紧迫的情况下。建立毫米波系统原型可通过某种方式展示某个技术或概念的可行性，这是通过仿真无法实现的（如图3所示）。毫米波原型可在各种场景下通过无线方式进行实时通信，这揭开了毫米波信道的本质，为创新、技术的采用和普及提供了可能性。

图3. NI mmWave收发仪系统提供了一组可配置的毫米波原型硬件以及一个包含源代码的毫米波物理层。

挑战

毫米波用于移动通信给工程师带来了诸多挑战，包括商用现成硅芯片的可用性、模拟组件以及其它用于开发系统的元素构建块。这阻碍了该技术的商业化。设想一个能够处理多千兆赫兹信号的基带子系统。当今大多数的LTE方案通常使用10MHz的信道（最大20MHz），并且计算负荷随着带宽的增加而线性增加。换句话说，计算能力必须以100倍甚至更多的倍数增加才能解决5G数据速率需求。如果要执行基础设施的毫米波系统物理层计算，FPGA将是开发实时原型的关键技术。毕竟,推动毫米波技术发展的驱动力是大量连续带宽。

除了FPGA板卡，毫米波原型系统还需要最先进的DAC和ADC来捕获高达2GHz的连续带宽。目前市场上的一些射频集成电路包含了可将基带和毫米波频率相互转换的芯片，但选择非常有限，而且大部分覆盖免许可的60GHz频带。工程师们可以使用IF和RF级来替代RFIC。开发出基带和IF解决方案后，工程师可以选择由供应商提供的毫米波射频头，而不需要自己开发RFIC，但这样的产品仍然不是很多。开发毫米波射频头需要射频和微波设计的专业知识。这与开发FPGA板卡完全不同，因为开发所有必需的硬件需要一个具备不同专业知识的团队。在开发毫米波基带原型系统时，FPGA必须作为核心组件进行考虑，而且给能够处理数千兆赫兹信道的多FPGA系统编程会增加系统复杂性。

毫米波势在必行

尽管5G的未来尚不明朗，但毫米波无疑将成为定义5G的关键技术。我们需要24GHz以上的大量连续带宽才能满足数据吞吐率要求，研究人员已经通过原型来展示毫米波技术可以提供超过14Gbps的数据速率。尽管全球频谱分配仍然存在许多问题，但美国正毫不犹豫地朝着28、37和39GHz方向前进。

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