说起5G通信,那么不得不说到毫米波,因为如果要真正实现5G宣传的那些功能,必须要使用毫米波技术,而且在宽带卫星及未来的6G等技术上面,也离不开毫米波,而之前毫米波芯片长期被国外垄断,国外的毫米波阵列芯片售价十分昂贵,譬如256信道的毫米波相控阵芯片售价高达上百万元,这无疑会阻碍我国宽带卫星以及5G毫米波技术的商用发展。关于毫米波相控阵芯片,大家可以点击下面的搜索卡,查看详细内容。
不过最近中国工程院院士刘韵洁表示,南京网络通讯与安全紫金山实验室已经研制出CMOS毫米波全集成4通道相控阵芯片,并且完成了芯片封装和测试,每通道的成本由之前的1000元降至20元。同时,他们封装集成了1024通道天线单元的毫米波大规模有源天线阵列,相关相控芯片与天线阵列力争在2022年能够商用在5G系统上面。这标志着中国已经掌握了相关技术,今后5G的建设成本将大幅下降。
根据规定,5G频率分为FR1频段和FR2频段。其中R1频段的频率范围是450MHz-6GHz,又被称为Sub-6GHz频段。FR2频段就是所谓的毫米波频段,其频率范围是24.25GHz-52.6GHz,为什么要叫毫米波呢?因为FR2频段中的部分频率对应的波长小于1厘米,所以被称为毫米波(mmWave)。
根据波长乘以频率等于光速,我们可以知道大于30GHz的频率对应的波长才小于1厘米,但是FR2频段是从24.25GHz开始的,所以严格来说24.25GHz-30GHz算不得毫米波,但是其波长也明显的小于FR1频段的波长,所以大家就统一叫毫米波,而FR1频段就被称为厘米波。
目前在5G网络建设中,各个国家和地区对频段的选择是有差异的,其中中国和欧洲等地区都是以Sub-6GHz频段为主,美国等部分国家是以毫米波为主,但是双方并没有局限在初始的频段选择上面,我国也在5G毫米波上面有相关研究,而美国等运营商也开始采用Sub-6GHz频段。
不过大部分地区还是以Sub-6GHz频段为主,至于原因其实很简单,因为毫米波的覆盖能力太差了,导致其信号覆盖很差,这个由其物理属性决定的,因为根据物理学原理,电磁波频率越高,波长越短,绕射能力越差,那么毫米波自然很容易就被物体给挡住,导致信号无法传送过来。
所以如果我们如果要实现毫米波的良好覆盖,那么就需要更多的基站,而且按照毫米波的特性,那基本上是每个角落都要有信号发射器,而更多的基站就意味着更多的投资,而且目前5G相关芯片价格昂贵,所以成本上不划算,初期用户体验也不好,所以大部分运营商初期一般都选择Sub-6GHz组网。
5G毫米波的优势
5G毫米波的优势也是很明显的,首先在于毫米波的频段被开发的少,连续可用的频段多,没有多少干扰,5G毫米波最大支持400M的带宽,比Sub-6GHz的100M带宽大多了,根据香农定理,带宽和容量成正比,简单来说就是5G毫米波光靠带宽优势就可以获得比Sub-6GHz更快的速度,更高的容量。
除了带宽上面的优势,我们都知道天线和波长是有一个等比例关系的,也就是说波长越短,天线就可以做的越小,而这里就涉及5G里面的关键技术Massive MIMO,也就是大规模MIMO技术,可以简单的理解为多路信息发送和接收,那么路的数量越多就可以实现更高的速率,而这个路就与天线数量挂钩了。
因为手机的体积不可能做的很大,所以毫米波相比厘米波,可以在手机里面装更多的天线,这样子就相当于毫米波的MIMO路数可以做的比厘米波多得多,无疑可以有效的提高速率,至于基站那边自然也可以做更多的阵列天线了,总之Massive MIMO和毫米波更配。
实际上除了Massive MIMO对速率的影响,帧结构对速率也有影响,同时帧结构对调度时延也有影响,不过这里就不展开了,大家只要知道毫米波可以带来更高的速率和更低的时延就可以了,总之按照5G的规范,5G的速度可以达到20Gbit/s,不过这个速度靠Sub-6GHz是不行的,必须要靠毫米波。
Sub-6GHz和毫米波各有优劣,Sub-6GHz覆盖好,信号稳定,毫米波速度快,时延低,但是信号覆盖太差,被挡一下就没有信号了,所以二者是互补关系,Sub-6GHz做广域覆盖,毫米波用于室内热点吸收,运营商会根据实际需求继续网络建设。而本次我国5G毫米波阵列芯片的研发成功,大大降低了毫米波网络的建设成本,无疑将有效推动5G技术的普及,真正实现5G网络的高速率,低时延和广接入要求。