5G落地进入爆发期,是时候让毫米波登场了

标签:5G毫米波
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2021年,全球5G网络建设和发展取得了不俗的成绩。

  根据GSA于8月发布的数据,已有70多个国家及地区的超过175家运营商,推出了5G商用服务。还有285家运营商,正在投资部署5G。

  中国的5G建设步伐,更是走在了世界的前列。国内5G基站数已经突破百万,达到惊人的115.9万个,占比全球70%以上。也就是说,全球每3个5G基站,就有2个位于中国。

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  5G基站

  5G网络基础设施的不断完善,加速了5G在消费互联网及产业互联网的落地。尤其是垂直行业方面,目前国内已经拥有超过1万个5G应用案例,覆盖了工业制造、能源电力、港口矿山、物流运输等众多领域。

  毫无疑问,5G已经成为国内企业数字化转型的利器,也是整个社会数字经济高质量发展的引擎。

  然而,就在5G应用加速落地的同时,我们会发现,现有的5G技术,在一些特殊的行业应用场景中,已经开始表现出“力不从心”的状态。速率、容量、时延以及可靠性方面,并不能100%满足场景的需求。

  这是为什么呢?难道被人们寄予厚望的5G,还是难当大任?

  当然不是。之所以会出现5G“力不从心”的情况,主要原因在于——我们现在只用了“半个5G”

  相信很多人都知道,5G虽然标准是唯一的,但频段却有两种。一种叫Sub-6 GHz频段,频率范围是6GHz以下(准确来说,是7.125GHz以下)。另一种叫毫米波频段,频率范围是24GHz以上。

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  2个频段的范围对比

  我们国内目前只商用了Sub-6 GHz频段的5G,没有商用毫米波频段的5G。所以,5G的全部能量,并没有得到彻底释放。

  █ 毫米波的技术优势

  Sub-6 GHz频段的5G,和毫米波频段的5G,虽然都是5G,但性能特点差异巨大。

  根据中学物理课本上的知识,无线电磁波,频率越高,波长越短,绕射能力越差。而且,频率越高,穿透损耗越大。所以,毫米波频段的5G,覆盖能力明显弱于前者。这是国内没有第一时间商用毫米波的主要原因,也是人们质疑毫米波的理由。

  其实,这个问题的深层次逻辑和事实真相,和大家的想象并不太一样。或者说,我们对毫米波,其实存在一些错误的偏见。

  首先,从技术的角度来说,我们必须拥有一个共识,那就是——在现有通信基础理论没有革命性变化的前提下,想要进一步显著提升网络的速率带宽,只能在频谱上做文章。

  向更高的频段寻求更丰富的频谱资源,是移动通信技术发展的必然选择。现在的毫米波是如此,将来6G可能采用的太赫兹,也是如此。

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  毫米波频谱示意图

  目前,Sub-6 GHz频段最大100MHz的频宽(国外有的地方甚至只有10MHz或20MHz),想要实现5Gbps乃至10Gbps的速率,难度实在太大。

  而5G毫米波,频带达到200MHz-800MHz,实现上述目标就变得容易很多。

  不久前,2021年8月,高通携手中兴通讯,实现国内首次采用5G SA双连接(NR-DC),基于26GHz毫米波频段的200MHz载波信道以及3.5GHz频段的100MHz带宽,合力实现超过2.43Gbps的单用户下行峰值速率。

  两家公司还基于26GHz毫米波频段的四个200MHz载波信道,利用载波聚合技术,实现了超过5Gbps的单用户下行峰值速率。

  今年6月,在MWC巴塞罗那展上,高通利用骁龙X65,基于n261毫米波频段的8路聚合(单载波带宽为100MHz)以及n77频段的100MHz带宽,实现了高达10.5Gbps的峰值速率。这是目前业界最快的蜂窝通信速率。

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单载波带宽100MHz和200MHz就能达到这样的效果,未来基于单载波400MHz、800MHz,无疑能够实现远超10Gbps的速率!

  除了速率的显著提升之外,毫米波的另外一个优势,就是更低的时延

  因为子载波间隔方面的原因,5G毫米波的时延可以做到Sub-6GHz的四分之一。根据测试验证,5G毫米波的空口时延可以做到1ms,往返时延可以做到4ms,表现极为出色。

  毫米波的第三个优势,就是体积小巧

  毫米波的波长很短,所以,它的天线非常短。这样一来,毫米波设备的体积就可以进一步缩小,拥有更高的集成度。厂商设计产品的难度有所降低,有利于促进基站和终端的更加小型化。

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  毫米波天线(黄色颗粒为天线振子)

  更加密集的大规模天线阵列,更多的天线振子,对波束赋形的运用也极为有利。毫米波天线的波束可以打得更远,抗干扰能力更强,有利于弥补覆盖劣势。

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  振子越多,波束越窄,距离越长

  毫米波的第四个优势,就是高精度的定位能力

  无线系统的定位能力,和它的波长有密切的关系。波长越短,定位精度越高。

  毫米波的定位,可以精确到厘米级甚至更低。这也是为什么现在很多汽车都在采用毫米波雷达的原因。

  说完了毫米波的优点,我们再回过头来,说说毫米波的缺点。

  任何(通信)技术都有自己的优点和缺点。毫米波的缺点,大家应该都很清楚,就是穿透能力弱,覆盖距离短。

  前文中,我们提到,毫米波可以通过波束赋形增强的方式,增强覆盖距离。也就是说,将大量天线的能量都集中到某个方向,从而使信号向特定的方向增强。

  现在的毫米波,都采用了高增益定向阵列天线,通过多波束技术,应对移动性挑战。根据实践结果,支持窄波束的模拟波束赋形,可以有效克服24GHz以上频段的显著路径损耗。

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  高增益定向天线阵列

  除了波束赋形之外,毫米波的多波束,还可以更好地实现波束切换、波束导向和波束追踪。

  波束切换,是指终端在持续变化的环境中,可以选择更适合的候选波束,进行合理切换,达到更好的信号效果。

  波束导向,则是指终端可以改变上行波束方向,以匹配来自gNodeB的入射波束方向。

  而波束追踪,是指终端可以区分来自gNodeB的不同波束。波束可以随着终端的移动而移动,从而实现很强的天线增益。

  毫米波增强的波束管理能力,可以有效改善信号的可靠性,实现更强的信号增益。

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  毫米波还可以采用路径分集的方式,通过垂直分集和水平分集,应对阻挡问题。

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  路径分集的仿真效果演示

  在终端侧,通过终端天线分集,也可以提升信号的可靠性,缓解手部阻挡问题,并降低用户随机方位造成的影响。

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  终端分集的仿真效果演示

  综上所述,随着毫米波反射技术和路径分集的深入研究,通过更先进的多波束技术,已经极大地改善了毫米波的覆盖问题,实现了非视距(NLOS)传输。毫米波在技术方面,已经解决了此前的瓶颈,变得越来越成熟,完全可以满足商用需求。

  在产业链方面,5G毫米波也远比大家想象中更成熟。

  上个月,中国联通研究院无线技术研究中心总监李福昌就明确表示:“目前,毫米波产业链能力已趋于成熟。”

  在年初的MWC上海展上,国内运营商也表示:“在频谱、标准和产业的支持下,毫米波已经取得积极的商业化进展,到2022年,5G毫米波将具备规模化的商用能力。”

  █ 毫米波的应用场景

  说完了毫米波的技术优势,我们再来看看它的具体应用场景。

  众所周知,对技术进行运用,最重要的就是“扬长避短”。也就是说,一个技术,要用在最能发挥它优势的场景下。

  5G毫米波的优势是速率、容量、时延。所以,它最适合的地方,就是机场、车站、剧院、体育馆等人员密集场所,以及工业制造、远程控制、车联网等对时延非常敏感的垂直行业场景。

  从具体的应用领域来说,虚拟现实、高速接入、工业自动化、医疗健康、智能交通等,都是5G毫米波的用武之地。

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  我们先来看看消费互联网场景

  对于普通个人用户来说,最大的带宽需求来自视频,最大的时延需求来自于游戏。对带宽和时延有双重需求的,就是VR/AR技术(虚拟现实/增强现实)。

  VR/AR技术现在发展迅速,包括最近非常火的元宇宙,也和它们有着密不可分的关系。

  想要获得完美的沉浸式体验,彻底消除眩晕感,VR的视频分辨率必须在8K以上(甚至16K、32K),时延必须在7ms以内。毫无疑问,5G毫米波是最适合的无线传输技术。

  高通和爱立信基于5G毫米波,进行了XR测试,为每位用户带来了每秒90帧、2K×2K分辨率的XR体验,并实现低于20ms的时延,下行链路平均吞吐量超过50Mbps。

  测试结果表明,仅部署1个系统带宽为100MHz的gNodeB,就可以同时支持6个XR用户的5G接入。在未来5G特性的支持下,更有望支持超过12位用户同时接入。

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  XR测试

  5G毫米波面向C端消费者用户的另一个重要应用场景,就是大型体育赛事的直播

  2021年2月,美国橄榄球赛季总决赛“超级碗”在雷蒙德·詹姆斯体育场举办。

  美国知名运营商Verizon在高通的助力下,利用5G毫米波技术,把该体育场打造成了世界上网速最快的体育场。

  比赛期间,5G毫米波网络承载了超过4.5TB的总流量,部分场景下峰值速率高达3Gbps,约为4G LTE的20倍。

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  上行速度方面,这届超级碗是全球首个使用5G毫米波上行链路传输的重要赛事。毫米波的帧结构灵活,可以调整上下行帧配比,实现更高的上行带宽。

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  根据现场的数据,即便是高峰时刻,5G毫米波都比4G LTE快50%以上。借助强大的上行能力,球迷可以上传照片和视频,分享比赛精彩瞬间。

  Verizon还打造了一款应用,支持球迷同时观看7路串流高清赛事直播,7个摄像头从不同角度呈现比赛。

  2022年,第24届冬奥会将在北京开幕。届时,现场既会有观众手机带来的接入和流量需求,也会有媒体转播带来的回传数据需求。尤其是多路4K高清视频信号,全景摄像机视频信号(用于VR观赛),对移动通信网络的上行带宽提出了严峻的挑战。

  针对这些挑战,中国联通就打算使用5G毫米波技术,进行积极应对。

  今年5月,中兴、中国联通和高通做过测试,采用5G毫米波+大上行帧结构,可以将实时采集的8K视频内容实现稳定的回传,并最终在接收端成功接收进行回放。

  再来看看垂直行业应用场景

  5G毫米波在toB方面,应用前景更为广阔,可以说是如鱼得水。

  首先,前面说的VR/AR,其实也是可以用于toB行业的。

  例如,工程师可以通过AR,对异地的设备进行远程巡检,对异地工程师进行远程指导,还可以对异地货物进行远程验收。在疫情期间,这些应用可以帮助企业解决实际问题,大幅削减成本。

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  再看看视频回传应用。现在很多工厂生产线都安装了大量的摄像头,包括一些用于质检的高清摄像头。这些摄像头通过拍摄大量的高清产品图片,进行缺陷分析。

  例如,中国商飞公司就通过这种方式,对产品焊点以及喷涂表面进行金属裂缝分析。照片拍摄之后,需要上传到云端或MEC边缘计算平台,需要700-800Mbps的上行速度。采用5G毫米波大上行帧结构,可以轻松应对。

  还有一个和5G毫米波技术关系密切的场景,那就是AGV无人车。

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  5G毫米波支持AGV运行

  AGV其实就是一个小型化的无人驾驶场景。AGV的定位导航、调度避障,对网络时延和可靠性要求很高,对精确定位能力的要求也很高。大量AGV的实时地图更新,也对网络的带宽提出了要求。

  采用5G毫米波,能够充分满足AGV应用场景的上述要求。

  2020年1月,爱立信和奥迪在瑞典基斯塔的工厂实验室,成功地测试了基于5G毫米波的5G uRLLC功能和实际工业自动化应用。

  其中,他们共同构建了一个机器人单元,采用5G毫米波进行连接。

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  如上图所示,机器人手臂在制造方向盘的时候,激光幕可以保护着机器人单元的开口侧。如果工厂工人伸手进来,基于5G uRLLC的高可靠性,机器人将立即停止工作,避免工人受到伤害。

  这种保证可靠性的即时响应,在传统Wi-Fi或4G中是不可能实现的。

  以上所举的例子,只是5G毫米波的部分应用场景。除了工业互联网领域之外,像智慧医疗里的远程手术,车联网里的无人驾驶,都是5G毫米波的强项。

  作为一个拥有高速率、大容量、低时延、高可靠性、高定位精度等诸多优点的先进技术,5G毫米波已经得到了各行各业的广泛关注。

  █ 结语

  21世纪,是属于数据的世纪。

  数据中所蕴含的巨大商业价值,已经被世人所认可。如今,几乎所有的产业,都在寻找自身与数据之间的关系,参与数据价值的挖掘。

  以5G为代表的连接技术,以及以云计算、大数据、人工智能为代表的计算技术,都是挖掘数据价值不可或缺的重要工具。

  充分运用5G,尤其是毫米波频段的5G,无异于掌握了一把数字化转型的“金钥匙”,不仅能够实现生产力的革新飞跃,也能够在未来的激烈竞争中立于不败之地。

  总而言之,5G毫米波的技术和产业已经全面走向成熟。随着5G行业应用逐渐走入深水区,我们应该加紧推动5G毫米波的国内商用落地,实现Sub-6与毫米波的协同发展。

  唯有如此,我们才能真正释放5G全部的潜能,为整个社会注入5G之心!

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