实现5G的“高速公路”建设,还有哪些问题亟待解决?
如果把数据路径比作高速公路的话，5g就是我们正在规划，并开始动工的一条最宽广，先进的高速公路。为了能让这条高速公路达到预期目标，我们需要拓宽这条高速公路的车道，也就是说，我们需要开拓更多可用的频谱，因为包括无线电、电视和gps在内的所有无线通信都是通过无线电频率或频谱进行无线传播的，频谱是连接的命脉。
更多可用的无线数据频谱就意味着更大的网络容量，更快的数据传输速率，以及更好的用户体验。5g新空口（5g网络的全球标准）不仅包含了目前大多数移动通信都在使用的3ghz以下的频段，还包括了3ghz到6ghz（sub-6ghz）之间的中频段，以及更高频率的24ghz以上的毫米波频段。通过这些频谱的组合使用，5g将可以实现更快的数据移动传输。
那实现5g的“高速公路”建设，还有哪些问题需要解决呢？
图1：5g路线图规划及生态系统发展。（来源：qualcomm）
5g毫米波频谱问题
据我国2018年7月发布的《5g毫米波规划建议白皮书》显示，截至2018年7月，全球5g实验网中43%使用了1~6ghz频谱，使用6ghz以上的高频的5g实验网数量占比达到57%，其中使用24ghz~29.5ghz毫米波频段的实验网占比为31%。
也就是说，毫米波频谱应用于5g系统已成为业界共识。为做好5g毫米波频率规划相关工作，我国成立了1.13议题研究组，imt-2020（5g）推进组频率工作表，目前已基本完成26ghz，32ghz，40ghz和70/80ghz的兼容性共同研究，并向itu-r t65/1提交了相关研究报告。我国已于2018年底公布了三大运营商的5g频谱分配方案。其中，中国电信获得3.4-3.5ghz的100mhz带宽；中国联通获得3.5-3.6ghz的100mhz带宽；中国移动获得2515-2675mhz的160mhz带宽及4.8-4.9ghz的100mhz带宽。
图2：中国2g-5g三大运营商通信频谱分配方案。
欧盟委员会无线频谱政策组（rspg）2016年11月就发布了欧洲5g频谱战略，明确将26g（24.25-27.5ghz）频段作为欧洲5g高频段的初期部署频段，rspg推进欧盟在2020 年前确定此频段的使用条件。此外，欧盟将继续研究32g（31.8-33.4ghz）和40g（40.5-43.5ghz）频段，以及其他高频频段。基于欧洲5g频谱战略，欧洲电信联盟（cept）负责讨论制定包含3.5g、26ghz等5g先发频段的使用管理规则。欧盟电子通信息委员ecc pt1在2018年7月基本完成26ghz频段技术应用条件的研究和制定工作。
美国联邦通信委员会（fcc）2016年7月14日全票通过将24ghz以上频谱用于无线宽带业务的规则法令，共规划10.85ghz 高频段频谱用于5g无线技术，包括28g（27.5-28.35ghz）、39g（38.6-40ghz），共计2.25ghz许可频谱，37g（37-38.6ghz）共计1.6ghz混合许可频谱和64-71ghz共计7ghz免许可频谱。2017年11月，fcc发布法令决定增加24.25-24.45ghz、24.75-25.25ghz以及47.2-48.2ghz共1.7ghz频段用于5g无线技术。至此，fcc在毫米波频段为5g无线技术规划频率总量达到约13ghz。2018年11月，fcc启动了5g频谱拍卖，首轮拍卖的是28ghz频段频谱，随后拍卖了24ghz频段频谱。2019年，fcc还将再拍卖三个毫米波频段，分别是37ghz、39ghz和47ghz。
韩国未来创造科学部（msip）2017年1月宣布了k-ict频谱规划，以期推动26.5-29.5ghz频段用于5g商用部署，其中27.5-28.5ghz（1ghz）计划在2018年释放，26.5-27.5ghz和28.5-29.5ghz（共计2ghz）视5g产业链发展情况，不晚于2021年释放。韩国政府已于2018年平昌冬奥会期间，使用28ghz频段在首尔、平昌及其他城市建设了百余个5g站点，提供5g试验业务。同时，韩国已于2019年4月实现5g网络的正式商用。韩国于2018年6月完成5g频谱拍卖，在28ghz频段，每个运营商获得了800mhz的频谱。其中，sk电信获得了28.1ghz-28.9ghz频段，kt获得了26.5ghz-27.3ghz频段，lg uplus获得了27.3ghz-28.1ghz频段。
日本总务省（mic）2016年7月发布了面向2020年无线电政策，提出面向2020年的5g商用频谱计划，其中毫米波频段将主要聚焦在28g（27.5-29.5ghz）频段。日本总务省于2017年中旬联合ntt docomo、kddi和softbank在东京及部分农村地区启动了5g外场试验，使用了6ghz以下和28ghz频段。日本总务省已于2019年4月批准了该国四家移动运营商建设5g无线网络的计划，并要求他们在两年内建成覆盖日本全境的5g网络。为2020年东京奥运会提供5g商用服务。
图3：全球主要5g商用国家的频谱规划。（来源：qualcomm）
此外，澳大利亚、加拿大、新加坡等国相关主管部门也先后启动了针对毫米波频段规划及使用的公开征求意见。根据征求意见函内容，加拿大、新加坡已明确表示出将28g频段用于5g的兴趣。其中，加拿大ised针对28g（27.5-28.35ghz）频段和37-40ghz频段的移动业务应用，在征求意见中提出了针对本国频率划分规定的修订意见。
图4：2019年全球5g商用国家和地区及其频谱。（来源:qualcomm）
毫米波面临的挑战及解决方案
毫米波面临的主要挑战是由于毫米波本身频率较高，天线通过馈线相连的损耗会非常大，使得传播距离太短，而且信号容易被阻挡：只要将手放在智能手机上的天线上，信号就会被屏蔽。
工程师们一直在努力解决这个问题，使用天线阵列进行波束成形，将无线电能量集中起来以增加传播距离。但是这又产生了另一个问题：如何将这些天线阵列整合到移动终端上？正因如此，业界一致认为毫米波永远不能适用于移动终端通信。
现在的解决方案是把前端做成模组化，以减少在毫米波频段的损耗。这催生出了毫米波天线和射频前端封装在一起的“sip+antenna”的形式，由sip进阶到aip。
目前在5g毫米波aip领域，高通是领先的方案提供商，配合其5g基带x55同时发布的毫米波天线模组qtm525，支持6ghz以下频段和毫米波频段的高性能5g移动终端提供从调制解调器到天线的完整方案。
此外，对于27 ghz以上的毫米波频率，滤波器的挑战将是巨大的。目前的高性能毫米波滤波器确实存在，但大多数的尺寸和重量并不适用于与移动设备。小型化em波导和腔体滤波器的新技术开始出现。腔体滤波器的预期性能应高于em波导滤波器，但是em波导滤波器可以使用薄膜工艺，有低成本优势。
虽然sub-6ghz的rf ic与lte的高频射频前端没有太大的区别，但毫米波的射频前端还是有很大不同的，因此英特尔的一位蜂窝射频工程师benjamin jann在今年2月份举办的国际固态电路会议(isscc)上表示了对毫米波目前在功耗方面的担忧。
联发科技的射频工程师也赞同他的观点，认为目前毫米波所需要的散热和典型的1w功耗都会存在问题。
因此他们建议，现阶段用户可以选用sub-6ghz的5g终端产品，对于毫米波终端还可以在等等看。
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图1：5g路线图规划及生态系统发展。（来源：qualcomm）
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据我国2018年7月发布的《5g毫米波规划建议白皮书》显示，截至2018年7月，全球5g实验网中43%使用了1~6ghz频谱，使用6ghz以上的高频的5g实验网数量占比达到57%，其中使用24ghz~29.5ghz毫米波频段的实验网占比为31%。
也就是说，毫米波频谱应用于5g系统已成为业界共识。为做好5g毫米波频率规划相关工作，我国成立了1.13议题研究组，imt-2020（5g）推进组频率工作表，目前已基本完成26ghz，32ghz，40ghz和70/80ghz的兼容性共同研究，并向itu-r t65/1提交了相关研究报告。我国已于2018年底公布了三大运营商的5g频谱分配方案。其中，中国电信获得3.4-3.5ghz的100mhz带宽；中国联通获得3.5-3.6ghz的100mhz带宽；中国移动获得2515-2675mhz的160mhz带宽及4.8-4.9ghz的100mhz带宽。
图2：中国2g-5g三大运营商通信频谱分配方案。
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