技術(shù)歷史的特點是創(chuàng)新工具從根本上改變了我們的生活、工作和社交方式。從第一次工業(yè)革命的蒸汽機和水機到數(shù)字革命的微處理器標(biāo)志，再到無線電頻譜被用作傳輸數(shù)據(jù)和能量的工具的信息時代，每個時代都開發(fā)了自己的引擎來轉(zhuǎn)換材料、能源和，最近，知識和信息。

隨著我們邁向下一次無線工業(yè)革命，無線電頻譜是信息時代引擎中的關(guān)鍵推動力。

技術(shù)革命時期

信息需求

毫無疑問，信息技術(shù)對我們交流、學(xué)習(xí)和思考的方式產(chǎn)生了巨大影響。隨時隨地獲取信息在日常生活中發(fā)揮著重要作用。尤其是現(xiàn)在在大流行時期，我們對這項技術(shù)的依賴更加增加了。

在 2020 年 2 月至 4 月期間，互聯(lián)網(wǎng)流量飆升了近 40% 1，移動網(wǎng)絡(luò)流量飆升了 50% 2，而且沒有跡象表明這一趨勢會很快放緩。

信息連接著人，也連接著物體。預(yù)測顯示，到 2023 年，將有超過 290 億臺聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，其中機器對機器連接占總數(shù)的一半。3這種類型的通信需要依靠非常高的傳輸速度和低延遲來啟用關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序。

自動駕駛汽車和先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)是傳輸速度和延遲重要性的很好例子。在聯(lián)網(wǎng)駕駛方面，必須實時傳輸和分析數(shù)據(jù)，因為決策必須在幾分之一秒內(nèi)做出，這樣車輛才能在撞到障礙物之前停下來或采取行動確保乘客安全。高傳輸速度可以挽救生命，使駕駛更安全。

上移至毫米波

無線電頻譜跨度是電磁頻譜的一部分，頻率為 30 至 300 GHz。直到最近，用于通信目的的頻率僅限于微波頻段，通常定義為覆蓋 3 至 30 GHz 范圍。大多數(shù)商業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)使用該頻段的較低部分——800 MHz 和 6 GHz 之間，也就是 sub-6-GHz 頻段。這意味著智能手機上的 3G/4G/5G 蜂窩連接、家庭 Wi-Fi、無線耳機上的藍(lán)牙連接以及您能想到的幾乎任何東西都將使用這些頻率來傳輸信息。這代表了當(dāng)今無線網(wǎng)絡(luò)的主要關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

雖然使用數(shù)據(jù)的用戶和設(shè)備的數(shù)量呈指數(shù)增長，但電信運營商可用的無線電頻譜頻段卻沒有改變。這意味著為每個用戶分配了有限的帶寬，從而導(dǎo)致速度變慢和頻繁斷開連接。

我們必須解決這個問題的一種方法是在頻譜容易獲得的頻段上傳輸信號。毫米波 (mmWave) 波段特別有趣，因為這部分電磁頻譜中有大量未充分利用的帶寬。

毫米波的主要優(yōu)勢是頻率復(fù)用和信道帶寬，使該頻段特別適用于多千兆位移動通信系統(tǒng)和高吞吐量衛(wèi)星。

此外，在毫米波頻段工作的組件更緊湊、尺寸更小，這使得它們在我們有高密度設(shè)備同時且靠近運行的場景中特別有用。

這些優(yōu)勢使毫米波技術(shù)成為提高數(shù)據(jù)傳輸性能的方式——信息時代引擎的渦輪增壓。

讓我們探討一下毫米波技術(shù)是關(guān)鍵推動力的四個用例。

毫米波技術(shù)的四個用例，指示頻率覆蓋范圍和信號帶寬

多千兆連接：滿足容量和速度需求

滿足越來越多的用戶接入移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)對高質(zhì)量服務(wù)的需求對于網(wǎng)絡(luò)運營商來說至關(guān)重要。

當(dāng)今最新通信系統(tǒng)中使用的 sub-6-GHz 蜂窩頻段非常擁擠和分散。因此，為了滿足預(yù)期和期望的數(shù)據(jù)吞吐量，需要采用毫米波范圍內(nèi)的高頻段，以便在仍然沒有干擾且尚未分配的頻譜段中容納更多用戶。

毫米波頻段提供了新的空間和更大的信息帶寬，允許高達(dá) 10 Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。這一速度可與光纖媲美，比當(dāng)前的 4G 技術(shù)快 100 倍。

更多的用戶和更多的連接意味著網(wǎng)絡(luò)壓力。雖然我們假設(shè)空氣被用作無線傳輸介質(zhì)并且沒有帶寬限制，但事實上它確實如此。

如果連接數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)無法適應(yīng)這種新需求，我們的生活就像在一個大體育場觀看足球比賽一樣，由于用戶數(shù)量過多，無法給朋友打電話或發(fā)消息。想同時做同樣的事情。

5G 或 Wi-Fi (802.11ay) 等新技術(shù)旨在克服這些挑戰(zhàn)并保證所謂的“人群中的優(yōu)質(zhì)服務(wù)”。

例如，毫米波特性對于應(yīng)對這一挑戰(zhàn)非常重要。由于與大氣吸收有關(guān)的高頻特性，當(dāng)您移動到更高頻率時，傳輸范圍會變短。毫米波允許近距離通信長達(dá) 100 米，而不是千米。在這種情況下，可以重復(fù)使用頻率，從而允許同時運行互不干擾的網(wǎng)絡(luò)。波束成形等技術(shù)還增加了蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量，提高了針對用戶的傳輸效率。

衛(wèi)星通信：實現(xiàn)更靈活的方法

衛(wèi)星通信在全球電信系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前有 3,000 多顆運行中的衛(wèi)星在地球軌道上運行，其中 1,800 多顆是通信衛(wèi)星。

過去兩年，多家商業(yè)衛(wèi)星運營商開始發(fā)射高通量衛(wèi)星星座。

與傳統(tǒng)的固定、廣播和移動衛(wèi)星服務(wù)相比，這些下一代衛(wèi)星將能夠提供高達(dá) 400% 的吞吐量。與傳統(tǒng)衛(wèi)星技術(shù)中使用的寬波束相比，這種容量的顯著增加是通過使用“點波束”架構(gòu)覆蓋所需的服務(wù)區(qū)域來實現(xiàn)的，例如在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中。

這種架構(gòu)受益于更高的發(fā)射/接收增益，允許使用更高階的調(diào)制，從而實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。此外，作為由多個點波束覆蓋的服務(wù)區(qū)域，運營商可以配置多個波束以重復(fù)使用相同的頻帶和極化，從而在需要和請求的地方提高容量。4

目前運行的大多數(shù)高通量衛(wèi)星工作在 Ku（12-18 GHz）和 Ka 波段（26.5-40 GHz），但頻率越來越高，Q 和 V 波段（40-75 GHz）正在部署中）。

汽車?yán)走_(dá)：利用毫米波分辨率

汽車?yán)走_(dá)是檢測物體距離（范圍）和運動的最可靠技術(shù)，包括幾乎所有條件下的速度和角度。它使用反射的無線電波來檢測其他障礙物后面的障礙物，并且對信號處理的要求很低。

以 24 GHz 窄帶傳感器為主流的汽車?yán)走_(dá)傳感技術(shù)現(xiàn)在正迅速向 76 至 81 GHz 高頻頻段和 5 GHz 寬帶寬發(fā)展，提供卓越的距離分辨率和對霧等遮擋物的免疫能力和煙霧。更高頻率和更寬帶寬的汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)在距離分辨率方面的改進(jìn)幅度很大，因為距離測量誤差和最小可分辨距離與帶寬成反比。

從 24 GHz 過渡到 79 GHz 可在距離分辨率和準(zhǔn)確度方面提供 20 倍的性能提升。此外，波長越小，速度測量的分辨率和精度也會成比例地增加。因此，通過從 24 GHz 過渡到 79 GHz，速度測量可以提高 3 倍。

從傳統(tǒng) 24-GHz 系統(tǒng)過渡到 79-GHz 系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是尺寸和重量的增加。由于 79-GHz 信號的波長是 24-GHz 系統(tǒng)的三分之一，因此 79-GHz 天線的總面積是類似 24-GHz 天線的九分之一。開發(fā)人員可以使用更小更輕的傳感器并更輕松地隱藏它們，以實現(xiàn)更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和汽車設(shè)計。5

擴(kuò)展現(xiàn)實：新時代的開始

擴(kuò)展現(xiàn)實 (XR) 是一個新興的總稱，涵蓋了所有沉浸式技術(shù)—— ?增強現(xiàn)實 (AR)、虛擬現(xiàn)實 (VR)、混合現(xiàn)實 (MR)以及在它們之間插值的區(qū)域。XR 將在娛樂、醫(yī)學(xué)、科學(xué)、教育和制造等不同領(lǐng)域產(chǎn)生令人興奮的應(yīng)用，改變我們看待和與周圍世界互動的方式，無論是真實的還是計算機生成的。

雖然市場上已經(jīng)存在 VR 和 AR 應(yīng)用程序，但采用速度很慢，主要原因是帶寬和延遲。今天的無線網(wǎng)絡(luò)對這些應(yīng)用程序施加了嚴(yán)重的限制，例如延遲和容量，這可能會完全否定用戶體驗。

由于傳輸帶寬增加和低延遲，5G 中實施的毫米波技術(shù)將加強現(xiàn)有體驗并實現(xiàn)新體驗，為大規(guī)模采用鋪平道路。然而，要提供真正身臨其境的 AR，至少需要將數(shù)據(jù)速率提高十倍，從而對實際的 5G 技術(shù)提出重大挑戰(zhàn)。6然而，技術(shù)不斷創(chuàng)新，而這一次，無線電頻譜將成為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。

6G 將是第六代廣域無線技術(shù)，將頻段的可用性擴(kuò)展到太赫茲頻段，高于 5G 運行的毫米波頻率范圍。

6G 還將數(shù)據(jù)速率從 5G 的 20 Gbps 提高到 1 Tbps。此外，6G 將延遲降低到 1 毫秒以下。如此一來，6G 的流量容量將從 5G 的 10 Mbps/m 提高到 10 Gbps/m 的理論最大值。

全息通信、觸覺互聯(lián)網(wǎng)和完全沉浸式 AR/VR 是這項未來技術(shù)將成為可能的其他應(yīng)用之一，而毫米波再次成為這種變化的引擎，并且可能是新時代開始的觸發(fā)器，在這個時代，創(chuàng)造力和想象力將在我們的存在中占據(jù)中心位置。

參考

1 https://www.iea.org/reports/data-centres-and-data-transmission-networks

2 https://www.ericsson.com/en/mobility-report/dataforecasts/mobile-traffic-update?gclid=EAAIQobChMI183k18nh7gIVitPtCh3NsA-tEAAYASAAEgJksPD_BwE&gclsrc=aw.ds

3 https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/executive-perspectives/annual-internet-report/white-paper-c11-741490.html

4 https://www.avantiplc.com/wp-content/uploads/2018/08/ADL_High_Throughput_Satellites-Main_Report.pdf

5 https://www.keysight.com/us/en/assets/7018-06176/white-papers/5992-3004.pdf

6 https://cdn.codeground.org/nsr/downloads/researchareas/20201201_6G_Vision_web.pdf

關(guān)于作者

Giovanni D'Amore 是是德科技的產(chǎn)品營銷總監(jiān)，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)射頻和微波產(chǎn)品。在此之前，他曾在 Hewlett-Packard、Agilent Technologies 以及現(xiàn)在的 Keysight Technologies 的多個產(chǎn)品線中擔(dān)任過多個營銷、業(yè)務(wù)開發(fā)和應(yīng)用支持職位。Giovanni 是一名擁有理學(xué)碩士學(xué)位的工程師。在意大利巴勒莫大學(xué)獲得電子和電信博士學(xué)位，并撰寫了幾篇有關(guān)微波測量技術(shù)的文章。他經(jīng)常在 IMS 和 EuMW 等微波會議上發(fā)表演講。

審核編輯 黃昊宇