来自GSA最新发布的全球5G网络发展报告显示,目前全球35个国家的63家运营商已经推出了一项或多项支持3GPP标准的5G服务。5G技术的应用前景波澜壮阔,关于5G方案优劣的话题始终不绝。

根据3GPP的协议规定,5G NR主要使用两段频率:FR1频段和FR2频段。其中,FR1频段的频率范围是450MHz-6GHz,又称Sub-6GHz频段;FR2频段的频率范围是24．25GHz-52．6GHz,即毫米波。有论调指出,美国之所以在5G竞赛中裹足难行,就是毫米波惹得祸,中国一定要深耕中低频,但也有观点认为,在频谱资源紧张的地区,毫米波是支撑和保障5G应用长期发展的“新大陆”。

认识毫米波

在讨论孰是孰非之前,不妨让我们先来认识什么是毫米波?毫米波从本质而言,是指波长在1到10毫米之间、频率范围是30GHz至300GHz的电磁波。

不同于早已被业界熟知的Sub-6GHz频段,毫米波长期都是移动通信领域未经开垦的蛮荒之地,但随着挖掘的深入,毫米波拥有的“宝藏”并不少。一是频谱资源丰富,载波带宽可达400MHz/800MHz,无线传输速率可达10Gbps以上;二是毫米波波束窄,方向性好,有极高的空间分辨能力;三是毫米波元器件的尺寸小,相对于Sub-6GHz设备,更易小型化;四是子载波间隔较大,单SLOT周期(120KHz)是低频Sub-6GHz(30KHz)的1/4,空口时延降低。

相较毫米波的优势,限制其应用的难点或许更加突出。其一,传播受限,毫米波的频率较高,自由空间损耗大,且极易因受物体阻挡,影响接受端信号质量;其二,赋形技术,现有毫米波系统采用混合波束赋形的方式,但频率效率和性能较低;其三,波束管理,在快速移动以及被遮挡时的波束管理算法需要优化;其四,mMIMO技术,受限于成本和生产工艺,现有毫米波基站只能做到4T4R设备,无法容纳更多用户;其五,芯片和终端,芯片和终端的进度落后于设备。

毫米波在中国的潜在优势

当今世界,中国已成为5G技术的领导者之一,并于2019 年第一批宣布展开5G商业部署。在不断探索5G商用落地的过程中,中国充分认识到不同频谱频段组合的重要性。只有对低、中、高频段进行多样化的组合,才能将频谱用于提供最大价值的服务或应用,进而使得相关产业朝着5G网络的最佳性能和规模经济影响最大化不断迈进。

在2019年世界无线电通信大会(WRC-19)期间,中国代表团积极争取我国立场,通过数场专题会议的交流、讨论和磋商,成功使得我国主推的24．75-27．5GHz,以及部分40GHz毫米波频段获得全球采纳。相关协议的达成,将有效推动毫米波的标准化,为支持设备生态系统的发展铺平道路。

在工业和信息化部印发的《“5G+工业互联网”512工程推进方案》中,进一步明确“5G+工业互联网”发展目标,到2022年,我国将突破一批面向工业互联网特定需求的5G关键技术,打造一批“5G+工业互联网”内网建设改造标杆、样板工程,形成至少20大典型工业应用场景。依据毫米波的诸多特性,该技术有潜力为关键行业垂直领域中的工业应用赋能,从而帮助制造业降本、提质、增效。

近日,GSMA与TMG发布联合报告称,预计到2034年,在中国使用毫米波频段所带来的经济受益将产生约1040亿美元的效应。考虑到毫米波对中国GDP的预期贡献,垂直行业领域中的制造业和水电等公用事业是目前可见贡献最大的行业,占贡献总数的62%;专业服务和金融服务排名第二,占12%;信息通信和贸易位居第三,占10%。

毫米波的工业应用

低、中、高频段频谱将各自在5G网络中发挥关键作用。中低频段频谱(6GHz以下)具有广泛的覆盖能力,但是其中已有很多的频谱用户,无法提供较大且连续的带宽。高频段(如毫米波)具有较小的覆盖区域,但其中现有其他频谱用户比较少,可以提供更多连续的带宽和相应额外的容量,能在特定区域发挥全部潜力。

毫米波可以大大提高5G网络的容量和时延能力。基于毫米波频谱里更大的带宽,工业自动化的广泛实施将受益于额外的容量,特别是要求高度精确的流程。毫米波在工业中的应用主要包括四类:

第一,远程控制系统。通过实施远程对象监控和操纵,以提高效率并改善智能工厂的安全性,通过远程操作工厂设备,可以使涉及挥发性化学物质或温度敏感材料的工业流程更安全。

第二,工业机器人。通过工业机器人技术,智能工厂中的每台机械几乎都能立即响应请求和指令,从而在生产中快速做出响应,以满足需求的实时变化。

第三,远程控制和质量控制。实时数据收集和分析,诸如高速成像以及虚拟和增强现实应用之类的数据密集型流程,以提高产量并提供在职培训。

第四,自主工厂运输。工厂环境中的无人驾驶汽车可以与中央控制或监控中心以及工厂内的其他机器、设备、对象,以及其他更广泛的基础设施进行通信。

小结

在笔者看来,5G的发展目标是做强移动互联网、做大移动物联网,通过实现增强移动宽带、海量机器类型通信与超高可靠低时延这三大应用场景,让我们的社会从万物互联向万物智联飞跃。

为达到上述目标,就要在5G网络建设的不同发展阶段,选择更加合适的技术路线,做到“量体裁衣”,并确保运营商拥有足够的大带宽的频谱,能够提供高速、大容量和低时延的5G能力。故而,毫米波与中低频的关系既不会是东风压倒西风,也无需分出个高下优劣,各取所长,共存互补才是最好的状态。