全球范圍內(nèi),，有很多運(yùn)營商都規(guī)劃在2020年左右實現(xiàn)5G商用,。

近日，NTT DOCOMO首席技術(shù)官,、DOCOMO技術(shù)公司總裁Seizo Onoe撰文指出,，關(guān)于毫米波等高頻段在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，很多人都有一個誤解——毫米波5G的信號傳輸距離很近（只能作為熱點）并將導(dǎo)致需要建設(shè)“海量”的毫米波5G小基站,。

但是實際上,，5G網(wǎng)絡(luò)的部署方式將是“5G新空口技術(shù)與增強(qiáng)型LTE（eLTE）的互操作”并采用“高頻+低頻”頻段組合，5G將不會在一夜之間就替代掉4G系統(tǒng),，4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將會被最大程度地重用于5G,，而且大規(guī)模天線陣列（Massive MIMO）能夠延伸5G基站的覆蓋距離。

他進(jìn)一步指出,，有了上述這樣一個積極看待問題的視角,，NTT DOCOMO就不斷鼓勵業(yè)界解決建設(shè)“毫米波5G宏基站”的挑戰(zhàn)性問題，最終實現(xiàn)毫米波5G基站與現(xiàn)有低頻段基站具有相同的覆蓋、功耗等,。

截至目前,，NTT DOCOMO已經(jīng)實現(xiàn)移動場景下39 GHz頻段5G基站超過1千米覆蓋以及超過1 Gbps下行數(shù)據(jù)率。測試場景如圖1所示,，上為毫米波5G基站天線,，下為毫米波5G終端天線。表1為下行速率的實測值,。

圖1  NTT DOCOMO毫米波5G“宏站”外場測試

表1  5G終端在不同速率,、距離5G基站不同距離的下行速率測量值

圖2：不同移動速率下的下行速率實測值（單位：Mbps）

NTT DOCOMO上述的測量結(jié)果，具有重大意義,，意味著毫米波5G系統(tǒng)也可以進(jìn)行宏蜂窩組網(wǎng),！

學(xué)術(shù)界、工業(yè)界,、移動通信產(chǎn)業(yè)界均考慮采取可用的毫米波頻段,，來滿足未來移動通信系統(tǒng)的超大容量需求。

工作于28 GHz及以上頻段的最新“毫米波”5G系統(tǒng),，由于具備更豐富的,、連續(xù)的頻譜資源（比如在6月18日完成的韓國首輪5G頻譜拍賣中，SK電訊,、韓國電信,、LG U+分別獲得28 GHz頻段各800 MHz頻譜資源的指配），用戶終端實際體驗到的下行速率可高達(dá)數(shù)Gbps,。

不過,，雖然相對于6 GHz以下的頻段的異常擁擠，毫米波頻段具有大段空閑,、未開發(fā)使用的可用頻段,，但是無線傳播特性較差---較大的自由空間損耗、大氣衰減,，較弱的室內(nèi)穿透能力,、物體周圍散射能力。

為了克服上述“天然”的缺陷,，在毫米波5G系統(tǒng)中,，大規(guī)模天線陣列使用高指向性天線，波束可以做到很窄的程度（能量更為集中）,，而且還可利用天線陣列本身的增益來抵消一部分的信號功率損耗,。

另外，如下圖所示,，由于毫米波的波長很短,，內(nèi)置有64個天線單元的毫米波（30 GHz頻段）大規(guī)模天線陣列的總體尺寸,，可以做到和6 GHz以下單個平板天線的相當(dāng)。

圖3：毫米波天線陣列與6 GHz以下單天線的對比

大規(guī)模多用戶MIMO（Massive MU-MIMO）系統(tǒng)需要部署比用戶終端多得多的射頻（RF）傳輸鏈路以進(jìn)行適當(dāng)?shù)目臻g復(fù)用,。這與傳統(tǒng)上僅用一條RF鏈路向很多幅天線饋送信號,、以模擬方式控制相位移動（模擬波束賦型）的系統(tǒng)（如下圖所示）是不同的---相當(dāng)于一個單天線終端具備一幅高指向、可控制的天線,。

圖4：單個RF鏈路的模擬波束賦型

大規(guī)模天線陣列（Massive MIMO）系統(tǒng)的缺點之一,，是集成和部署大量RF鏈路存在高復(fù)雜度、高成本挑戰(zhàn)---尤其是運(yùn)行于毫米波頻段的Massive MIMO,。

為此,，研究人員提出了數(shù)種數(shù)字與模擬混合波束賦型解決方案，以使得5G基站既可部署Massive MIMO大量天線,，同時降低 MU-MIMO的實現(xiàn)成本,。

下圖所示的混合波束賦型系統(tǒng)，用一個共用的基帶處理矩陣把多路數(shù)據(jù)流饋入到相對應(yīng)的RF鏈路,，數(shù)據(jù)流先被進(jìn)行數(shù)字波束賦型信號處理,，在進(jìn)入模擬處理階段---以模擬相移器對數(shù)字波束的輻射方向進(jìn)行控制。

圖5：數(shù)字與模擬混合波束賦型

最后值得一提的是,，在毫米波頻段，信道相干時間大幅下降,，這給毫米波5G的“移動”應(yīng)用帶來了極大的限制,。雖然業(yè)界正在持續(xù)深入研究探索提高毫米波終端“移動性”的新方式，但是從目前的發(fā)展態(tài)勢看來,，毫米波5G將首先被用于諸如回傳,、sidelink（如終端直接通信）等固定無線接入場景。

在20 GHz以上的毫米波頻段運(yùn)行5G新空口系統(tǒng),，一大主要的技術(shù)挑戰(zhàn)是如何處理很大的信號功率損耗（實際的工程部署中,，這種損耗將會降低小區(qū)覆蓋面積）。為了進(jìn)行補(bǔ)償,，3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)中以“天線陣列+波束賦型技術(shù)”把發(fā)射至用戶終端的射頻能量盡量集中（窄波束）,，并提高信號增益。但是,，用戶終端不能再通過毫米波5G基站廣播全向信號來建立首次連接,。

面向毫米波頻段，3GPP的5G新空口標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范了毫米波5G終端初始接入到毫米波5G基站的新流程,。

圖6：毫米波5G終端的初始接入流程

①波束掃描傳輸：5G基站通過物理廣播信道（PBCH）向多個方向（如上圖中左上小圖標(biāo)記為藍(lán)色,、綠色、黃色的波束）發(fā)射“同步信號（SS）塊”,。采用“波束掃描”的理念,，5G基站向所有5G終端發(fā)射同步信號以及系統(tǒng)配置信息以使其快速接入到5G網(wǎng)絡(luò),。

②波束掃描接收：5G終端通過偵聽來監(jiān)測最佳的承載同步信號于系統(tǒng)配置信息的波束，然后進(jìn)行匹配接收,，并對最佳的同步信號（SS）塊進(jìn)行解碼以獲取到其時間索引---5G終端通過該時間索引知悉5G基站接下來將在何時再次使用相關(guān)波束方向,，并在合適的時間通過物理隨即接入信道向5G基站發(fā)送方向與時間信息---由此，5G基站就知道了5G終端將在何時,、將從哪個方向發(fā)射上行信息,。

③5G終端選中的特定波束：一旦5G終端與5G基站通過上述流程在最佳波束上建立起通信，5G基站就通過該最佳波束其他系統(tǒng)信息發(fā)送給5G終端,，5G終端憑此信息與5G基站建立起連接,。

④5G終端特定的波束賦型：在5G終端與5G基站通過上述流程建立起連接后，5G基站就發(fā)射更窄的波束（如上圖中左下的小圖）,，向該5G終端發(fā)送數(shù)據(jù)信息等,。

毫米波5G的早期商用，即將在美國實現(xiàn),。美國最大的移動通信運(yùn)營商AT&T即將于2018年年底在12個城市提供毫米波5G固定無線接入商用服務(wù),。Verizon也于7月25日的今年第二季度財報電話會議上宣布將于2019年在至少50個美國城市實現(xiàn)符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的毫米波5G新空口的商用，其中可工作于28 GHz頻段,、39 GHz頻段的“毫米波5G手機(jī)”（僅支持5G獨立組網(wǎng)NSA）有望于2019年6月出現(xiàn)商用產(chǎn)品,。

毫米波芯片、終端,、無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的實現(xiàn),，以及無線網(wǎng)絡(luò)的試驗，都離不開測試,。但由于不同國家/地區(qū)使用不同的毫米波頻段,，且毫米波頻段的帶寬很大（單信道帶寬至少400 MHz），這給毫米波5G的測試帶來技術(shù),、成本等方面不小的挑戰(zhàn),。作為全球測試測量界老牌的領(lǐng)先型企業(yè)，美國國家儀器公司（NI）2010年就啟動了聚焦5G等前沿通信技術(shù)的“射頻領(lǐng)先用戶計劃”,，毫米波通信是其中一個重點方向,。通過與AT&T、Verizon,、Nokia,、Samsung等主流運(yùn)營商與設(shè)備商的合作，極大地推動了毫米波5G系統(tǒng)協(xié)議,、信道測量,、測量技術(shù)和測量IP的發(fā)展，典型事件如：2017年,，NI與Verizon實現(xiàn)了第一個毫米波硬件原型化系統(tǒng),；2018年世界移動通信大會期間,，NI、Samsung宣布進(jìn)行毫米波5G外場測試的合作計劃,；7月12日,，NI推出兩款新型毫米波5G射頻頭（24.5-33.4 GHz與37 -43.5 GHz頻段），可助力無線研究人員對5G新空口系統(tǒng)進(jìn)行原型驗證,；7月下旬,，NI與思博倫共同宣布合作開發(fā)5G新空口設(shè)備測試系統(tǒng)：思博倫將采用NI靈活的軟件無線電（SDR）產(chǎn)品與毫米波收發(fā)器系統(tǒng)來開發(fā)其5G性能解決方案，并納入5G NR測試場景來測試位置移動,、視頻,、數(shù)據(jù)、音頻和呼叫性能,。該解決方案的主要架構(gòu)包括使用LabVIEW FPGA來仿真5G NR協(xié)議棧的第1層至第3層,。

以模塊化硬件的方式，可以實現(xiàn)最優(yōu)的毫米波5G信號原型和信道測量,。5G微信公眾平臺（ID：angmobile）進(jìn)一步了解到,，在未來的芯片測試方案方面，NI模塊化毫米波平臺也可以幫助客戶很好的實現(xiàn)從實驗室驗證到量產(chǎn)測試的全覆蓋,，并可提高測試效率,、降低測試成本。

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