彻底了解毫米波：驾驭它，就算掌握5G终极武器

2019-03-26 09:15

来源：IT之家

二、毫米波虽难用，但也有办法驾驭

毫米波具有上面这些缺陷，所以过去很长一段时间里难以商用。不过随着通信技术的发展，目前行业已经有比较成熟的驾驭毫米波的方法。这里主要有波束成形技术、大规模MIMO（Massive MIMO）天线技术等。

这一部分我们就来介绍一下克服毫米波缺陷、并使其能够应用于消费场景的技术。

首先是大规模天线技术。前面我们在讲解毫米波波束宽度的时候说到毫米波波长很窄，其实，毫米波波长很短影响了天线增益，也间接影响接收功率功率。

上面这个公式是空间自由传播模型（理想传播模型）的接收天线功率计算公式，结合我们前面提到的天线增益计算公式，可以看到，当发射端的发射功率和天线增益固定时，接收端的接收功率与天线有效孔径成正比关系，与发射天线和接收天线之间的距离的平方成反比。

所以波长对天线孔径尺寸的影响，也会间接影响到功率。相比较以往运用的厘米波甚至更长的波段，毫米波波长更短，信号衰减严重，导致接收天线接收到的信号功率减少。而接收端的功率减少，显然是不行的。

这种情况下，我们不能随意增加功率，因为国家对天线的功率有限制，减少发射天线和接收天线之间的距离也是不现实的，毕竟人拿着手机是在不断运动状态中的，所以，人们想到一个解决方法：增加发射天线和接收天线的数量。

大规模MIMO技术就是基于这种思路产生，它还有一个名字，叫“多进多出”（Multiple－Input Multiple－Output），多根天线发送，多根天线接收。

其实多输入多输出MIMO技术不是新技术，传统的TDD网络可以实现2天线、4天线甚至8天线的多进多出，而在5G的大规模MIMO理念下，理论上天线数量可以是成百上千个，考虑到成本等各种因素，现阶段主要是64／128／256个。

大规模MIMO技术下，主要的优点自然是在单根天线功率很低的情况下依然能获得很好的信号质量，因为有很多天线同时发力，在波束成型技术（接下来会讲）的支持下令信号叠加增益，从而满足系统的功率需要，同时也避免了使用大动态范围功率放大器带来的硬件成本。

另外一个重要优势是增加了通信容量。大规模MIMO具备波束空间复用的特性，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个数据信道（MIMO子信道）发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。

大规模MIMO系统中，基站天线数增多，形成阵列，除了水平方向外，还可以在垂直方向上进行波束成形和波束导向，从而提升整个空间的覆盖，并且利用波束成型技术能够把所传输的信号集中到空间的一个点上，让基站能够精确分辨每一个用户，从而提高了空间分辨能力。

在大规模MIMO技术中，我们反复提到一个技术，就是波束成型，这项技术可以说是大规模MIMO的基础技术。前面我们有讲到，毫米波的波束很窄，而且在全向发射时，会出现高达几十dB的信号衰减损耗，导致传播距离有限。

而波束成型技术，主要思路就是用一张“手”，将散开的波束集中起来，不扩散不浪费，形成定向发射，具体来说就是通过调节各天线的相位使信号进行有效叠加，产生更强的信号增益来克服损耗，从而让发射能量可以汇集到用户所在位置。

如此一来，有了波束成型技术，指哪打哪岂不是美滋滋？

不不不，其实这样也有缺点，就是它不像全向发射，一旦波束的指向偏离用户，用户反而接收不到高质量的无线信号。面对这种问题，除了大规模MIMO，还需要结合波束管理技术来解决。

波束管理技术具体实现方式很复杂，但简单来说，就是在大规模MIMO的众多波束中，以最快的速度找到基站和目标用户之间最佳的发射波束和接收波束，从而大大提高波束对准的精度。

在这里举个例子，高通去年推出的QTM052毫米波天线模组，就支持大规模MIMO和波束成型技术，在该模组中，高通利用多个天线形成相控天线阵列，天线之间的信号经过互相干涉影响，能把信号能量集中在一个方向发射出去；同时它们不再使用全向发射，而是选择定向发射，从而使得能量能够传输得更远，以提高覆盖。

在此基础上高通还使用了波束导向技术和波束追踪技术，能够更智能地追踪传输对象，控制波束的方向。

三、毫米波，应用场景比拟想象中更广

说了这么多毫米波的特性，以及将它商用的技术，其实最终目的就是两个字——用它。

事实上，毫米波在未来的应用场景可能超出想象。首先，毫米波的特性决定了它可以主要被应用在大带宽、高容量的场景，面向高频段的eMBB场景，可用于人口密度大、网络容量需求大的热点区域。

首先，毫米波很适合在大型场馆如音乐会、体育馆等人口密集区域进行部署，可以带来数千兆比特的速率以及低时延和无限容量的体验，以往在万人体育场观看演出时手机信号几乎为零、上不了网的情况不会再有，可以为观众带来独有的个性化体验。

这里有一点小编需要补充的，就是毫米波的波长很小，所以天线也可以做得很小，这样未来在5G毫米波部署时，在普通宏基站基础上一定会有很多微基站（就是小基站）得到部署，在城区街头、室内角落，你都有可能看到。

这样，毫米波就可以更好地在室内场景部署应用，这是它的强项，采用1：1或部分共址，实现媲美WiFi的上行和下行链路覆盖，还可以利用更大的带宽满足实现数千兆比特中指突发速率的需求，总之就是让你的上网体验更优质。

另外，毫米波还可用于固定无线宽带接入业务，满足典型如4K、8K电视的传输需求，满足市郊居民区的视频需求，一个典型的场景是家里购买一台CPE设备部署无线网络，然后即可通过电视联网观看高达8K的超高清视频，当然，前提是你有足够的流量。

未来，毫米波还可在汽车联网领域有很重要的应用，它可为联网汽车通信提供所需的更高数据传输速率与准确度，同时提高雷达作业的分辨率，实现更精准的驾驶安全辅助。

毫米波还有一个重要的应用领域，就是军事。其实毫米波在军事领域目前已经有应用，其丰富的频率资源不仅是宽带通信的重要手段，还提供了另一条抗干扰、抗截获的有效途径。不过这一点距离我们普通消费者就比较远了。

四、毫米波，已经在路上

说了这么多，大家是不是对毫米波在未来的应用越来越期待？或者说，对即将到来的5G时代越来越期待？

其实不用着急，从今年开始，第一批5G手机将陆续上市。例如在安卓阵营，他们绝大部分将采用高通骁龙855＋骁龙X50 5G调制解调器的方案，前面我们也说过，骁龙X50是首款支持28GHz毫米波频段上数据连接的5G调制解调器芯片组，也就是说，在毫米波的应用上，高通已经早早给出了成熟可商用的解决方案。当然，正在今年的MWC2019期间，高通也发布了第二代5G射频前端解决方案，支持更纤薄、更高效的5G多模移动终端，其中包括新一代毫米波天线模组QTM525。

相信，随着5G商用部署进程的不断推进，5G终端在未来的上市，毫米波，将切切实实服务于我们日常的用网需求，甚至，毫米波的超强性能催生新鲜的终端设备，将为我们以往的生活娱乐和工作方式带来翻天覆地的变化。而这一天，在基础连接技术提供商、运营商以及终端厂商的合作努力下，正在一步一步地走来。

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