近日，南京網絡通信與安全紫金山實驗室研發團隊已成功研制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試，每通道成本可由1000元降至20元;同時，其封裝集成了1024通道天線單元的毫米波大規模有源天線陣列，有望2022年規模商用于5G系統。中國工程院院士劉韻潔表示，這是我國5G毫米波芯片的重大突破，先前毫米波芯片的缺失將部分制約我國5G的發展。那么，長時間以來是什么影響了毫米波的商業化進程？開發毫米波有何必要性？對5G規模商用有何意義？

毫米波緣何不是“5G首選”？

從2G到4G，移動通信的頻段基本在2.7GHz以下，但當低頻段的頻譜資源被耗盡時，就只能在高頻段獲取頻譜資源。

5G頻段目前分為兩部分，一個是FR1（也叫Sub-6GHz），另一個FR2，也就是毫米波。Sub-6GHz具有頻率低、繞射能力強、覆蓋效果好等優點，是當前5G的主用頻譜，在建網初期可以利用舊站址的部分資源實現5G網絡的快速部署。

不同于早已被業界熟知的Sub-6GHz頻段，FR2這段頻譜的電磁波波長大部分都是毫米級別的。賽迪智庫無線電管理研究所副所長彭健對《中國電子報》記者表示：“受制于無線電波的物理特性，毫米波的短波長和窄光束特性讓信號分辨率、傳輸安全性以及傳輸速度得以增強，但也使得傳輸距離大大縮減，且信號穿透能力較差，設備造價昂貴且功耗也高，因此國內目前主要以Sub-6GHz頻段擴展5G網絡。”

谷歌公司對相同范圍內、相同基站數量的5G覆蓋測試顯示，采用毫米波部署的5G網絡，100Mbps速率的可以覆蓋11.6%的人口，在1Gbps的速率下可以覆蓋3.9%的人口;而采用Sub-6GHz頻段的5G網絡，100Mbps速率的網絡可以覆蓋57.4%的人口，在1Gbps的速率下可以覆蓋21.2%的人口。可以看到，在Sub-6GHz下運營的5G網絡覆蓋率是毫米波5倍以上，這也讓基于毫米波的通信系統難以短時間商用化。

開發毫米波仍十分必要

這個令人“喜憂參半”的技術為何被行業寄予厚望？據ITU IMT-2020規范要求，5G速度需達到20Gbit/s，因此單靠Sub-6GHz是搞不定的，需要用上毫米波。

毫米波有哪些優勢？一是毫米波的頻譜豐富，可以搭載的寬帶頻段范圍較廣;二是毫米波的傳輸速率快，最低傳輸速率可達到10Gbps;三是毫米波的波束較窄，在空間中辨別方向能力強，傳輸方向性好;四是由于光束窄，基于毫米波制作出來的芯片更易做到小型化;五是毫米波的載波間隔較大，單SLOT周期是低頻Sub-6GHz的1/4，空口時延較低，在一些對時延要求較高的場景中大有可為。

一位通信行業專家曾向《中國電子報》記者比喻，Sub-6GHz頻段仿佛是擁擠的地鐵，Wi-Fi、藍牙、衛星廣播等都“擠”在一起，難免會“打架”。而位于高頻段的毫米波擁有大量未被充分利用的頻譜資源，就像是無人區飛馳的敞篷跑車，時延低，容量高，可以同時有更多設備連接，因此研發毫米波器件成為未來推動5G發展的方向之一。

毫米波對5G發展的重要性不可言喻。在5G網絡領域，移動行業可以利用毫米波無線電頻譜為5G網絡提供所需要的帶寬，以滿足高速的移動網絡需求。根據GSMA報告，在5G毫米波所帶來的創新服務推動下，到2034年中國將占亞太地區2120億美元經濟增長額的53%。

中國移動研究院首席科學家易芝玲表示，毫米波在未來可能會帶來室內超高速率數據傳輸的場景，這樣也可能會帶來一些上層業務應用的創新，包括基于XR的教育、電影、游戲等業務，相關的產業相應的也會有很大的收益。

GSMA大中華區公共政策總經理關舟表示，只有通過毫米波頻譜的使用，中國才能全面釋放5G的能力，并由此從工業互聯網、娛樂服務和智能交通領域的最高標準以及更好的醫療保健和教育中進一步受益，從而改善居民的生活，并改變其工業并創造更多發展新動能。

彭健指出，Sub-6GHz頻段覆蓋廣，信號強且穩定;而毫米波速度快，時延低，能實現點對點超高速傳播，兩者各有優勢，具體還要看是看哪個更適合運營商建設和使用場地的實際需要。未來毫米波系統可以用于室內場館及辦公區覆蓋，也可應用于室外熱點覆蓋、無線寬帶接入等，與Sub-6G協同組成雙連接異構網絡，實現大容量和廣覆蓋的有機結合，可見未來市場空間可觀。

毫米波技術水平有待加強

“受制于相關器件的成本和技術水平，我國毫米波器件還未實現大規模量產和商用，整個產業仍屬于起步階段。”彭健說。

易芝玲也指出，我國的毫米波相對于低頻段，整體產業鏈完善程度還不足夠，包括器件的成熟度等，還需要進一步推動整體產業鏈成熟。中國目前重點關注于Sub-6GHz的5G商用，在這個窗口期，國內的毫米波上下游產業應該盡快積累技術，縮小與國外頂尖水平的差距。

毫米波發展雖面臨許多挑戰與瓶頸，但是業界均對其發展抱有極大希望。對于5G毫米波系統來說，業界希望將微波器件安裝在天線基站背面，這就要求微波芯片的集成度大大提高，因此，具備經濟成本低、高集成度優勢的CMOS工業則具備明顯優勢。

中國工程院院士劉韻潔日前宣布，南京網絡通信與安全紫金山實驗室已研制出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試。據了解，此次封裝和測試的全集成4通道相控陣芯片，研發團隊通過設計將其每通道成本由1000元降至20元，同時，該實驗室封裝集成1024通道天線單元的毫米波大規模有源天線陣列，這也將為商用市場提供更強的性能支持。劉韻潔透露，此次封裝和測試的芯片與天線陣列有望在2022年商用于我國的5G系統。

業內專家向《中國電子報》記者表示，由于沒有披露更多細節，該款芯片是如何實現成本降低90%以上的，還不太好分析。但該款芯片將毫米波天線與毫米波芯片封裝在一起，采用了AiP封裝技術，在某種意義上有利于促進我國的5G毫米波商用進程，對國內其他5G毫米波商用技術的研發奠定了一定基礎，國內運營商也可將5G毫米波傳輸技術與Sub-6GHz良好結合。
責任編輯:pj