說起5G通訊,那麼不得不說到毫米波,因為如果要真正實現5G宣傳的那些功能,必須要使用毫米波技術,而且在寬頻衛星及未來的6G等技術上面,也離不開毫米波,而之前毫米波晶片長期被國外壟斷,國外的毫米波陣列晶片售價十分昂貴,譬如256通道的毫米波相控陣晶片售價高達上百萬元,這無疑會阻礙我國寬頻衛星以及5G毫米波技術的商用發展。關於毫米波相控陣晶片,大家可以點選下面的搜尋卡,檢視詳細內容。
不過最近中國工程院院士劉韻潔表示,南京網路通訊與安全紫金山實驗室已經研製出CMOS毫米波全整合4通道相控陣晶片,並且完成了晶片封裝和測試,每通道的成本由之前的1000元降至20元。同時,他們封裝集成了1024通道天線單元的毫米波大規模有源天線陣列,相關相控晶片與天線陣列力爭在2022年能夠商用在5G系統上面。這標誌著中國已經掌握了相關技術,今後5G的建設成本將大幅下降。
根據規定,5G頻率分為FR1頻段和FR2頻段。其中R1頻段的頻率範圍是450MHz-6GHz,又被稱為Sub-6GHz頻段。FR2頻段就是所謂的毫米波頻段,其頻率範圍是24.25GHz-52.6GHz,為什麼要叫毫米波呢?因為FR2頻段中的部分頻率對應的波長小於1釐米,所以被稱為毫米波(mmWave)。
根據波長乘以頻率等於光速,我們可以知道大於30GHz的頻率對應的波長才小於1釐米,但是FR2頻段是從24.25GHz開始的,所以嚴格來說24.25GHz-30GHz算不得毫米波,但是其波長也明顯的小於FR1頻段的波長,所以大家就統一叫毫米波,而FR1頻段就被稱為釐米波。
目前在5G網路建設中,各個國家和地區對頻段的選擇是有差異的,其中中國和歐洲等地區都是以Sub-6GHz頻段為主,美國等部分國家是以毫米波為主,但是雙方並沒有侷限在初始的頻段選擇上面,我國也在5G毫米波上面有相關研究,而美國等運營商也開始採用Sub-6GHz頻段。
不過大部分地區還是以Sub-6GHz頻段為主,至於原因其實很簡單,因為毫米波的覆蓋能力太差了,導致其訊號覆蓋很差,這個由其物理屬性決定的,因為根據物理學原理,電磁波頻率越高,波長越短,繞射能力越差,那麼毫米波自然很容易就被物體給擋住,導致訊號無法傳送過來。
所以如果我們如果要實現毫米波的良好覆蓋,那麼就需要更多的基站,而且按照毫米波的特性,那基本上是每個角落都要有訊號發射器,而更多的基站就意味著更多的投資,而且目前5G相關芯片價格昂貴,所以成本上不划算,初期使用者體驗也不好,所以大部分運營商初期一般都選擇Sub-6GHz組網。
5G毫米波的優勢
5G毫米波的優勢也是很明顯的,首先在於毫米波的頻段被開發的少,連續可用的頻段多,沒有多少干擾,5G毫米波最大支援400M的頻寬,比Sub-6GHz的100M頻寬大多了,根據夏農定理,頻寬和容量成正比,簡單來說就是5G毫米波光靠頻寬優勢就可以獲得比Sub-6GHz更快的速度,更高的容量。
除了頻寬上面的優勢,我們都知道天線和波長是有一個等比例關係的,也就是說波長越短,天線就可以做的越小,而這裡就涉及5G裡面的關鍵技術Massive MIMO,也就是大規模MIMO技術,可以簡單的理解為多路資訊傳送和接收,那麼路的數量越多就可以實現更高的速率,而這個路就與天線數量掛鉤了。
因為手機的體積不可能做的很大,所以毫米波相比釐米波,可以在手機裡面裝更多的天線,這樣子就相當於毫米波的MIMO路數可以做的比釐米波多得多,無疑可以有效的提高速率,至於基站那邊自然也可以做更多的陣列天線了,總之Massive MIMO和毫米波更配。
實際上除了Massive MIMO對速率的影響,幀結構對速率也有影響,同時幀結構對排程時延也有影響,不過這裡就不展開了,大家只要知道毫米波可以帶來更高的速率和更低的時延就可以了,總之按照5G的規範,5G的速度可以達到20Gbit/s,不過這個速度靠Sub-6GHz是不行的,必須要靠毫米波。
Sub-6GHz和毫米波各有優劣,Sub-6GHz覆蓋好,訊號穩定,毫米波速度快,時延低,但是訊號覆蓋太差,被擋一下就沒有訊號了,所以二者是互補關係,Sub-6GHz做廣域覆蓋,毫米波用於室內熱點吸收,運營商會根據實際需求繼續網路建設。而本次我國5G毫米波陣列晶片的研發成功,大大降低了毫米波網路的建設成本,無疑將有效推動5G技術的普及,真正實現5G網路的高速率,低時延和廣接入要求。