2 - 5G啟用毫米波頻譜：哪些頻率會被采用？

2016年7月14日，全體委員一致投票贊成開放近11GHz高頻頻譜用于靈活、移動和固定無線寬帶的規則，其中包括3.85GHz需許可的頻譜和7GHz免許可頻譜。這些規則還在28GHz (27.5-28.35GHz)、37GHz (37-38.6GHz)和39GHz (38.6-40GHz)頻段，以及一個新的免許可頻段64-71GHz推出一項新的超高微波靈活應用（Upper Microwave Flexible Use）服務。

雖然28GHz可能不會在全球范圍內用于移動通信，但美國正在積極地朝這個方向前進。

原型驗證推動毫米波研究的進展

盡管5G廣泛采用28GHz頻率可能還需要很長的時間，但就目前來說，該頻率顯然非常重要。過去幾年的移動通信主要專注于73GHz（E頻段）。諾基亞使用紐約大學在73GHz下的信道測量結果，開始其對該頻率的研究。在2014年NI公司的年度用戶大會NIWeek上，諾基亞使用NI原型硬件演示了第一個在73GHz下工作的無線demo。該公司將持續改進這個原型，并向公眾展示這些最新的成就。在2015年世界移動通信大會(MWC)上，該原型系統使用透鏡天線和波束跟蹤，實現了超過2Gbps數據吞吐量。諾基亞在2015年布魯克林5G峰會上展示了該系統的MIMO版本，其運行速率超過10Gbps，而且在之后不到一年的時間里，諾基亞又在2016年的MWC展示了一個超過14Gbps的雙向無線鏈路。諾基亞并不是唯一一家在MWC2016上展示73GHz demo的公司，華為也展示了一個與德國電信合作開發的73GHz工作原型。該demo采用多用戶MIMO機制，展示了高頻譜利用率以及可為個人用戶提供超過20Gbps吞吐量的潛力。

未來幾年預期會有更多關于73GHz的研究。該頻率不同于28GHz和39GHz的一個重要特性是可用的連續帶寬很高（大于2GHz），這是目前提出的最寬的頻譜。通過比較，28GHz提供了850MHz的帶寬，在美國，39GHz附近的兩個頻帶提供了1.6GHz和1.4GHz帶寬。我們前面說過，更高的帶寬意味著更高的數據吞吐量，這使得73GHz在這一方面比其他頻率更有優勢。

39GHz頻帶正在研究當中，但尚未得到公眾的大量支持和關注。但是，該頻段具有的部分特性使其可能成為一個折中的選擇來獲得廣泛應用。FCC提議將39GHz作為可能的移動頻率。Verizon公司在專注于2017年的28GHz首次現場試驗的同時，已經通過其與XO Communications的業務關系開始研究39GHz，XO Communications已經擁有39GHz的實質許可證。但是，公眾對28GHz和73GHz的支持和研究顯然比對其它頻率的更為明顯。

為了利用毫米波來實現5G網絡，研究人員必須開發新的技術、算法和通信協議，因為毫米波信道的基本性質與當前的蜂窩模式截然不同，并且是相對未知的。建立毫米波原型的重要性再怎么強調都不過分，尤其是在時間如此緊迫的情況下。建立毫米波系統原型可通過某種方式展示某個技術或概念的可行性，這是通過仿真無法實現的（如圖3所示）。毫米波原型可在各種場景下通過無線方式進行實時通信，這揭開了毫米波信道的本質，為創新、技術的采用和普及提供了可能性。

圖3. NI mmWave收發儀系統提供了一組可配置的毫米波原型硬件以及一個包含源代碼的毫米波物理層。

挑戰

毫米波用于移動通信給工程師帶來了諸多挑戰，包括商用現成硅芯片的可用性、模擬組件以及其它用于開發系統的元素構建塊。這阻礙了該技術的商業化。設想一個能夠處理多千兆赫茲信號的基帶子系統。當今大多數的LTE方案通常使用10MHz的信道（最大20MHz），并且計算負荷隨著帶寬的增加而線性增加。換句話說，計算能力必須以100倍甚至更多的倍數增加才能解決5G數據速率需求。如果要執行基礎設施的毫米波系統物理層計算，FPGA將是開發實時原型的關鍵技術。畢竟,推動毫米波技術發展的驅動力是大量連續帶寬。

除了FPGA板卡，毫米波原型系統還需要最先進的DAC和ADC來捕獲高達2GHz的連續帶寬。目前市場上的一些射頻集成電路包含了可將基帶和毫米波頻率相互轉換的芯片，但選擇非常有限，而且大部分覆蓋免許可的60GHz頻帶。工程師們可以使用IF和RF級來替代RFIC。開發出基帶和IF解決方案后，工程師可以選擇由供應商提供的毫米波射頻頭，而不需要自己開發RFIC，但這樣的產品仍然不是很多。開發毫米波射頻頭需要射頻和微波設計的專業知識。這與開發FPGA板卡完全不同，因為開發所有必需的硬件需要一個具備不同專業知識的團隊。在開發毫米波基帶原型系統時，FPGA必須作為核心組件進行考慮，而且給能夠處理數千兆赫茲信道的多FPGA系統編程會增加系統復雜性。