10月下旬，蘋果公司正式發(fā)布了2020年全新的智能手機產(chǎn)品系列——iPhone 12系列。細心的人會留意到，只有美版的iPhone 12系列新機支持5G毫米波，而其他國家和地區(qū)的版本都不具備對毫米波的支持，而只支持Sub-6GHz頻段。
為什么同樣是5G手機，蘋果公司卻推出了美國“特供”呢?其實，這是由于各國選擇的5G方案不同導(dǎo)致的。
“選擇不同的5G方案，是各國分別基于各自實際的選擇。”東南大學(xué)信息學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、電磁場與微波技術(shù)工程系主任陳繼新教授表示，兩種方案各有優(yōu)劣，而毫米波也是下一階段我國在通信領(lǐng)域的突破方向。
通信要求日益增高 5G頻段開始出現(xiàn)岔路口
翻開人類無線通信發(fā)展史，我們會發(fā)現(xiàn)通信頻率越來越高。
以我國為例，2G的工作頻段主要是900MHz和1.8GHz，3G和4G工作頻段主要為1.9GHz、2.1GHz和2.6GHz。
這是因為，人們對無線通信提出的要求越來越高。過去的無線通信是語音網(wǎng)，現(xiàn)在則是數(shù)據(jù)網(wǎng)，頻率越高所能提供的帶寬也就越大，這就像4車道的高速公路比2車道跑的車多，而且還能保持較快的車速。
過去，各國對無線通信頻率的選擇相差無幾，但是當全球無線通信進入5G波段后，情況發(fā)生了變化。
“5G技術(shù)的發(fā)展趨勢使傳播頻率達到更高水平，而全球的5G方案大致可以分為毫米波和Sub-6GHz。”陳繼新表示。
毫米波是指波長在1—10mm之間的電磁波。由于波長較短，毫米波對應(yīng)的頻率為30GHz—300GHz。而Sub-6GHz是指頻率低于6GHz的電磁波。
按照國際標準組織3GPP的標準，5G頻段分成FR1和FR2兩個范圍，其中FR1頻段的頻率范圍是450MHz—6GHz，F(xiàn)R2頻段的頻率范圍是24.25GHz—52.6GHz。Sub-6GHz和毫米波的頻率恰好分屬這兩個頻段范圍。
兩種方案各有優(yōu)劣 各國部署是基于現(xiàn)實的選擇
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，存儲容量也更大，更容易解決用戶上網(wǎng)的擁堵問題。但這種技術(shù)的覆蓋面積比較小，更適合在車站、機場、體育場館等人口密集的場景應(yīng)用。Sub-6GHz雖然在傳播速度和帶寬容量上都比毫米波遜色，但其最大的特點是信號穿透力強，傳播距離與毫米波相比更遠，更容易解決大范圍區(qū)域的信號覆蓋問題。
此前，谷歌公司在相同范圍、相同基站數(shù)量的環(huán)境內(nèi)，對毫米波和Sub-6GHz的覆蓋能力進行過一個測試。
其測試結(jié)果顯示，在100Mbps速率的情況下，采用毫米波方案的5G網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋11.6%的人口，采用Sub-6GHz方案的則可以覆蓋57.4%的人口;在1Gbps的速率下，采用毫米波方案的5G網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋3.9%的人口，采用Sub-6GHz方案的則可以覆蓋21.2%的人口。也就是說，采用Sub-6GHz方案運營的5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率是采用毫米波方案運營5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的5倍以上。
此外，短波長的特性使得毫米波的穿透力也很不理想。據(jù)以往的研究顯示，采用毫米波技術(shù)的5G手機幾乎可以被任何東西擋住信號，電話亭、玻璃、樹木和雨水等等，只要基站和手機之間有遮擋，5G網(wǎng)絡(luò)就可能回落到4G狀態(tài)。
“如果采用毫米波部署5G網(wǎng)絡(luò)，同等面積必須建設(shè)更多的基站來完成覆蓋，組網(wǎng)成本比較高。”中科智達物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有限公司董事長許欣介紹說。
在5G建設(shè)中，資金投入是不得不考慮的一個重要因素。
較之毫米波，Sub-6GHz的射頻器件可以繼續(xù)沿用4G原有的產(chǎn)業(yè)鏈，技術(shù)更為成熟，而Sub-6GHz頻段的基站還可以在原有4G基站的基礎(chǔ)上進行改造，大大節(jié)省了成本。
而工作于毫米波頻段的亞微米尺寸的集成電路元件，設(shè)計與生產(chǎn)的門檻較高，需要更高的資金投入，這在一定程度上也阻礙了毫米波方案的商用發(fā)展。
目前，我國主要采用了Sub-6GHz方案。韓國、日本、歐洲等國家或地區(qū)則是兩種頻段都在發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要看運營商和使用環(huán)境的具體需求。
而由于歷史原因，美國通信領(lǐng)域可分配的大部分頻譜被軍方占用，留下的只有高于27.5GHz的頻率，所以美國運營商的5G部署不得不從毫米波開始。
毫米波將釋放更大潛力 我國正積極布局該領(lǐng)域研發(fā)應(yīng)用
事實上，對于5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)來說，無論是Sub-6GHz還是毫米波，并沒有優(yōu)劣之分，只是現(xiàn)實因素導(dǎo)致先后發(fā)展順序不同。據(jù)了解，當前6GHz以下的黃金通信頻段已經(jīng)很難得到較寬的連續(xù)頻譜，相比之下，毫米波頻段卻仍有大量潛在的未被充分利用的頻譜資源。
相關(guān)專家認為，站在長遠的角度看，毫米波未來或?qū)⑼苿?G釋放更大潛能。
例如，毫米波在雷達、成像等方面有著更高的分辨率，隨著自動駕駛等技術(shù)的快速發(fā)展， 毫米波將被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗４送猓捎诤撩撞ň哂械脱訒r的特性，在機器人遠程控制、遠程醫(yī)療等前沿技術(shù)方面，也有著廣闊的應(yīng)用前景。
對于毫米波的建設(shè)，我國同樣沒有停下腳步。
今年3月，工信部發(fā)布《關(guān)于推動5G加快發(fā)展的通知》，文中提到“適時發(fā)布部分5G毫米波頻段頻率使用規(guī)劃，組織開展毫米波設(shè)備和性能測試，為5G毫米波技術(shù)商用做好準備。”包括中國電信等機構(gòu)都積極參與了工信部組織的毫米波實驗。
針對毫米波的特性，運營商不再對其直接進行網(wǎng)絡(luò)信號廣域全覆蓋，而是在需要補“盲”的地區(qū)才進行部署，主要解決室內(nèi)和熱點地區(qū)的容量需求問題。
陳繼新認為，毫米波對自然環(huán)境的傳播條件比較敏感，如何在不穩(wěn)定的自然環(huán)境中利用毫米波提供穩(wěn)定的通信，是各大運營商在建設(shè)基站時需要面對的挑戰(zhàn)。此外，毫米波業(yè)務(wù)和組網(wǎng)能力也需要進一步驗證。
據(jù)了解，目前主流的移動通信設(shè)備提供商都已經(jīng)推出了支持5G毫米波的基站設(shè)備。中國聯(lián)通已經(jīng)與2022年北京冬奧會達成合作，將在北京冬奧會期間進行毫米波的推廣運用。一旦使用情況良好，將極大推動毫米波技術(shù)的發(fā)展。
芯片方面，今年6月，南京網(wǎng)絡(luò)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，三星和華為已經(jīng)支持毫米波工程樣機，其他芯片廠家也在陸續(xù)推出毫米波產(chǎn)品。
在相關(guān)專家看來，毫米波產(chǎn)業(yè)鏈成熟度將影響毫米波的部署場景和部署規(guī)模，要真正推廣毫米波的廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵技術(shù)、核心器件、芯片方面還有待于進一步完善和提高。這需要運營商與產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合進行技術(shù)攻關(guān)，打造高性價比的硬件設(shè)施以及商用系統(tǒng)。
