5G毫米波技术白皮书.pdf

1 5G 毫米波 技术白皮书 2020 年 9 月 2 GSMA 代表全球移动运营商的共同权益。GSMA 在更 广泛的全球移动生态系统中连结着 750 多家移动运 营商，超过400家企业，其中包括手机与终端制造商、 软件公司、设备供应商、互联网企业以及相关行业组 织。GSMA 每年在巴塞罗那、洛杉矶和上海举办业界 领先的MWC大会以及Mobile 360系列区域性会议。 更多有关 GSMA 信息，请阅览 关注微信公众号： GSMA 集伺盟 3 写在前面 4 目录 1 5G 毫米波技术简介 5 【小贴士：5G 毫 米波的标准进展】 8 2 5G 毫米波技术的优势 10 【小贴士：5G 毫米波的六大优势一览】 14 3 5G 毫米波技术面临的挑战和解决方案 15 3.1 5G 毫米波覆盖优化 16 3.2 5G 毫米波移动性管理 19 3.3 5G 毫米波产品实现 20 3.4 5G 毫米波的测试 22 3.5 5G 毫米波与中低频的共存 23 3.6 5G 毫米波灵活空口实现 24 4 5G 毫米波的应用场景和成功案例 25 4.1 室内外交通枢纽、场馆等热点 26 【案例 1：中国某大型地铁站的 5G 毫米波覆盖仿真】 27 【案例 2：美国 SuperBowl 体育馆的 5G 毫米波网络】 28 【案例 3：爱立信与奥迪公司将 5G 毫米波应用于工业互联网】 29 【案例 4：南美洲某大城市密集城区家庭无线宽带接入仿真】 30 【小贴士：中国联通将在 2022 年冬奥会应用 5G 毫米波】 31 4.2 行业应用（特别是工业互联网） 32 【小贴士：5G 毫米波在工业互联网中的应用】 32 【案例 5：企业办公楼无线宽带接入试验】 34 4.3 家庭和写字楼的无线宽带接入（FWA） 36 【案例 6：南美洲某大城市密集城区家庭无线宽带接入仿真】 36 【案例 7：企业办公楼无线宽带接入试验】 38 【案例 8：农村固定无线接入测试】 40 5 总结 41 引用文献 44 致谢 45 4 5G 被广泛认同为工业 4.0 时代的通用使能技术，它将带来用户体验的革命性提 升和千行百业的数字化转型，给数字娱乐、医疗健康、能源、制造、交通运输等行 业注入新的活力和能量。为此，5G 更加需要发挥出自己的全部潜能，根据业务和用 户需求不断发展完善，在追求更高、更快、更强的道路上不断奋进。 5G 毫米波使用更高的频率，实现更快的速率，具备更大的系统容量和更强的业 务能力，能够帮助 5G 真正实现最初的全部承诺，达成 5G 最初的全部愿景，所以成 为了 5G 重点部署的关键技术。我们也注意到在一些区域，目前 5G 毫米波的优势还 没有得到充分重视，产业链还没有真正全面开花，应用场景还是“养在深闺人未识” 的状态。 GSMA 长期以来一直致力于推动开放更多频谱用于移动通信，帮助运营商推出 更好的网络和更好地服务用户。2020 年 6 月和 8 月，GSMA 组织了两次 5G 毫米波 专题论坛，对毫米波的需求、应用场景和技术特点进行了研讨，推出了5G 毫米波 九讲系列课程；同时，广泛征求运营商、设备制造商、芯片提供商、终端厂商、 测试服务提供商、高校、科研院所在内的产业各方的意见，形成了5G 毫米波技术 白皮书，旨在总结 5G 毫米波的技术优势，阐述 5G 毫米波的创新解决方案，讲解 5G 毫米波的产品实现方案和测试方案，描述 5G 毫米波的应用场景，分享 5G 毫米波 的成功案例，推动产业形成对 5G 毫米波的共识，促进 5G 毫米波的技术进步和产业 发展。 正如中国联通研究院迟永生副院长所说， “5G 毫米波通信既能够给我们提供 大带宽高速率的移动业务体验，还能为行业用户提供安全可靠的智慧专网服务。希 望未来大家能到北京冬奥会场馆体验高质量 5G 毫米波服务。 ” 5G 给各行各业提供了一个平台，而 5G 毫米波能够进一步提升这个平台的高度 和广度，增加这个平台的价值。希望产业各方能够共同努力，一起推动包括 5G 毫米 波在内的各种 5G 技术的应用，充分发挥 5G 的全部潜能。 斯寒 GSMA 大中华区总裁 2020 年是不平凡的一年，也是 5G 开启大规模商用征 程的一年。每一次移动产业的周期性更新，都推动着世界 的发展和社会的进步。在人类抗击疫情的过程中，5G 证明 了自己的价值，也坚定了自己的使命。疫情过后，5G 发展 的脚步不会停下，应该会更加坚定和有力。 写在前面 5 5G 毫米波 技术简介 1 6 顾名思义，毫米波是波长为毫米级的电磁波， 通常所指频段为 30 - 300 GHz，往往也包含 24 GHz 以上频段。5G 需要支持更高的速率 和更低的时延，为各种新型应用提供前所未 有的支持。它相比于 4G 来说，一个关键的 提升就是能够利用更多的频谱资源来满足不 同种类的业务需求，其中就包括了使用毫米 波的频段资源来实现极高带宽和极低时延。 毫米波在通信、雷达、遥感和天文等领域有大量的应用 5G 毫米波将带来巨大的社会经济效益 【1】 mmwave-5g-devices-powered-qualcomm- snapdragon-can-deliver-4x-faster-5g 【2】 Regional Spotlights: Impact of mmWave 5G，GSMA， 2019 年 7 月。 【3】5G 毫米波在中国的机遇，GSMA，2020 年 3 月。 【4】 mmWave Bands Global Licensing and Usage for 5G, GSA, 2020 年 6 月。 5G毫米波作为高速接入、工业自动化、医 疗健康、智能交通、虚拟现实等方面的核心 使能技术之一，预计将在 2035 年之前对全 球 GDP 做出 5650 亿美元的贡献，占 5G 总 贡献的百分之二十五，而在 2034 年之前， 在中国使用 5G 毫米波频段所带来的经济受 益将达到约 1040 亿美元。 【2】【3】 5G 毫米波是通信技术演进的必然方向 随着业务对带宽需求的不断增加，通信频谱 不断向更高频谱延伸，5G毫米波具有丰富 的频率资源，是移动通信技术演进的必然方 向。Ookla SPEEDTEST 的实际测试结果 表明，在 5G 毫米波频段现有网络的平均下 载速率是 Sub-6 GHz 频段（6 GHz 及以下频 段）的4倍，约是LTE的20倍。 【1】 2020 年，5G已经开始规模商用，整个产业界的 目光都开始投向 5G 下一阶段部署的关键技 术。这些关键技术中，5G毫米波由于高带 宽、低时延以及其他突出优势，能够充分释 放 5G 的全部潜能，从而实现业务体验的革 命性提升和千行百业的数字化转型，真正实 现“4G 改变生活、5G 改变社会”的愿景， 因此受到业界的广泛关注和重视。5G毫米 波和中低频的Sub-6 GHz具有各自不同的 性能优势，它们之间的互相配合、互相补充， 是实现 5G 完整和最优用户体验的关键。 5G 毫米波频谱全球协同分配正在稳步推进 2019 年国际电信联盟（ITU）的世界无线 电通信大会（WRC-19）确定了 24 GHz 至 86 GHz 之间的毫米波频段将用于国际移动 通 信（IMT）， 其 中 24.25-27.5GHz、37- 43.5GHz 和 66-71GHz 频段为全球融合一致 的 IMT 频段。这标志着全球产业朝 5G 毫米 波的最佳性能和规模效应最大化迈出了坚实 的一步。目前，全球一些国家和地区已陆续 完成了 5G 毫米波频谱的划分及其分配或拍 卖。其中，美国分别于 2019 年 1 月和 5 月 完成了 28 GHz 和 24 GHz 频段的拍卖，并 于 2020 年 3 月进一步完成了对 37 GHz、 39 GHz 和 47 GHz 频段的拍卖。欧盟委员会 已于 2019 年 5 月通过了一项实施决定，统 一 26 GHz 频段的无线电频谱，使成员国能 够为频段使用设定共同的技术条件并开放使 用，目前意大利、芬兰、挪威已经完成部分 频谱的分配或拍卖。在亚洲，日本、韩国、 泰国、中国香港和中国台湾已经完成了26 GHz 和 28 GHz 部分频谱的分配或者拍卖。 而截止到 2020 年 6 月，17 个国家和地区的 79 个运营商已经拥有了在 24.25 29.5 GHz 部署 5G 毫米波的频率许可。 【4】 5G 毫米波技术简介 图 1 全球运营商 5G 毫米波 24.25 29.5 GHz 投资情况 5G 毫米波将带来巨大的社会经济效益 【4】 mmWave Bands Global Licensing and Usage for 5G, GSA, 2020 年 6 月。 【5】 GTI 5G mmWave Spectrum White Paper，GTI，2019 年 1 月。 【6】 nttdocomo.co.jp/english/product/data/ sh52a/ Launched Deploying Deployed Piloting Licensed Planned Evaluating/testing/trialling 5G 毫米波产业链已经基本成熟 当前国内外5G毫米波产业发展生态已经比 较完整，具备部署和商业化的条件。 【5】 目前 主流的移动通信设备提供商都已经推出了支 持5G毫米波的基站设备，他们中的部分厂 商已经开始销售第二代或者第三代产品。芯 片厂商和终端设备厂商也已经发布了一些 5G 毫米波产品，全球供应商协会（GSA）的报 告指出，截至 2020 年 6 月，全球共有 84 个 已发布的 5G 设备明确支持或将支持 5G 毫米 波频段。 【4】 近期一加手机还推出了首款由 中国厂商出品的支持5G毫米波的智能手机 OnePlus 8 毫米波版。 7 随着全球 5G 网络部署向纵深挺进，5G 毫米 波的商业部署也在全球各地逐渐展开。美国 的几大主流通信运营商包括AT&T、T-Mobile 和Verizon都已经提供了5G毫米波的商用 服务，而包括日本 NTT DOCOMO 【6】 、日本 KDDI、韩国SKT在内的多个运营商也已经 开始了 5G 毫米波系统商业部署。GSA 表示， 2020 年 6 月，仅在 24.25-29.5 GHz 频谱范 围内，全球已有42个国家/地区的123个 运营商以试验、许可证、部署或运营网络的 形式进行了5G投资，具体分布情况如图1 所示。 【4】 5G 毫米波已经开始商用部署 2022年冬奥会将在中国北京举办。北京冬 奥组委会对这项国际性顶级赛事的通信保障 和服务提出了新的技术要求，要求为广大观 众、媒体转播者、赛事组织者和参与者提供 优质的观赛体验和网络服务，因此 5G 网络 部署将发挥至关重要的作用。冬奥会通信服 务场景复杂多样，既存在室内热点的高容量 通信需求，又存在室外的广阔覆盖的需求必 要，为展现 5G 毫米波技术优势提供了绝佳 展台。作为 2022 年北京冬奥会官方唯一通 信运营商合作伙伴，中国联通将综合运用 5G 毫米波等多种技术手段，打造超大带宽 的智慧无线场馆，更好地为各方提供优质的 网络服务保障。可以期待，在冬奥会上的应 用将成为中国 5G 毫米波大规模商用以及 5G 毫米波产业链快速发展的重要里程碑。 5G 毫米波在冬奥会上将大放异彩 【7】关于加快 5G 发展的通知，工业和信息化部， 【8】 5G 推进组微信公众号，2020 年 9 月 2 日、9 月 3 日、9 月 15 日、9 月 16 日文章。 小贴士：5G 毫米波的标准进展 在5G标准制定之初，5G毫米波就 是5G技术的主要组成部分之一，是 5G性能指标的重要保证，它的标准 化工作与中低频是同步展开的，目前 3GPP 已经完成了 Rel-15、Rel-16 两 个版本的5G标准，均支持工作在毫 米波频段 。图 2 是 3GPP 标准时间表。 中国政府早在2017年7月就批准在24.75- 27.5 GHz 和 37-42.5 GHz 的 5G 毫米波频率 范围内使用 5G 技术开展研发试验。中国工 业和信息化部在 2020 年 3 月关于推动 5G 加快发展的通知中明确指出，将结合国家 频率规划进度安排，组织开展毫米波设备 和性能测试，为 5G 毫米波技术商用做好储 备，适时发布部分 5G 毫米波频段频率使用 规划。 【7】 2019年以来，中国IMT-2020（5G） 推进组统筹规划，分三个阶段推进 5G 毫米 波的试验工作：2019年重点验证5G毫米 波关键技术和系统特性；2020年重点验证 5G 毫米波基站和终端的功能、性能和互操 作，2020到2021年开展典型场景应用验 证。爱立信携手一加手机完成 5G 毫米波商 用系统和商用智能手机端到端测试，在室内 室外各种环境下均表现出稳定优异的性能； 诺基亚贝尔与基于芯片的测试终端配合，成 功展示5G毫米波4Gbps峰值性能，拉远 测试在 1200 米处、和非视距场景及人体遮 挡等测试场景下，下行速率仍可达数百兆至 2Gbps；OPPO 携手爱立信，实现了 5G 毫 米波商用系统与商用CPE的端到端测试， 4.06Gbps 的下行速率以及 210Mbps 的上行 速率，并在拉远测试中，2.3 千米处仍然保 持 200Mbps 的下行速率。 【8】 5G 毫米波在中国得到政策的有力支持 9 5G 毫米波在冬奥会上将大放异彩 2017 Rel-15 SI/WI Rel-15 NSA Opt 3 冻结 Rel-15 NSA Opt 3 ASN.1 Rel-15 SA Opt 2/5 冻结 Rel-15 SA Opt 2/5 ASN.1 Rel-15 Opt 4/7 Late drop 冻结 Rel-15 Opt 4/7 Late drop ASN.1 Rel-16 冻结 ASN.1 Rel-17 冻结 Rel-17 ASN.1 Dec21June21 Sept21Mar21 Dec20June20 Sept20Mar20 Dec19June19 Sept19Mar19 Dec18Dec17 June18 Sept18Mar18 Rel-16 SI/WI 阶段 Rel-17 SI/WI 阶段 Rel-15 WI Late drop 2018 Rel-16 Package Rel-17 Package Q1 Q2 Q3 Q4Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 2019 2020 2021 图 2 3GPP 标准时间表 3GPP 新空口（NR） Rel-15 完成了 包含5G毫米波的第一版5G标准， 包括非独立组网（NSA）以及独立 组网（SA）两种模式的规范，可以 面向多种场景提供多种业务，包括 eMBB 及 URLLC 业务。其中 5G NSA 模式（Option 3 架构）对应的规范 及 ASN.1 已分别在 2017 年 12 月及 2018年3月冻结；5G SA模式（Option 2/5 架构）对应的规范及 ASN.1 已分 别在 2018 年 6 月及 9 月冻结；延迟 版本（Option 4/7 架构）已分别在 2019 年 3 月及 6 月冻结。 3GPP NR Rel-16 完成了包含 5G 毫米 波的第二版 5G 标准，与 NR Rel-15 兼容，重点增强垂直行业应用及提升 整体系统性能。 NR Rel-16 主要增强 了载波聚合功能，优化了波束管理功 能，新增了 multi-TRP 传输模式和集 成接入与回传（IAB）等功能，并为 NR 网络引入了定位功能 。NR Rel- 16 规范和 ASN.1 已于 2020 年 6 月 冻结。 3GPP NR Rel-17 是包含 5G 毫米波 的第三版5G标准，将进一步增强 5G 毫米波功能。NR Rel-15 中定义 的 5G 毫米波频段上限为 52.6 GHz （Frequency Range 2）， NR Rel- 17 将考虑更高频段，即对 52.6 GHz 以上频段进行研究，重点是 52.6 - 71 GHz。另外，NR Rel-17 积极拓展以 对未来制造业和工业控制支持，对 IIoT 和 URLLC 技术增强，包括利用 波束扫描技术提升传输可靠性和在 更宽领域内终端之间的实现时间敏 感通信；对MIMO技术增强，特别 是增强上行 multi-TRP 传输方案，提 高低层空口移动性管理功能，以及提 供更简洁的波束管理机制；对 IAB 增 强，支持接入和回传链路的空分复用 提高频谱利用率；支持更高精度定位 等。相应规范预计于 2021 年底冻结 （注：有延期可能）。 10 5G 毫米波 技术的优势 2 11 和中低频段相比，5G 毫米波具备多个突出优势。这些优势使得 5G 毫米波备受业 界关注，被认为是用户体验革命性提升和各行各业数字化转型的关键使能技术。 频率资源丰富、带宽极大 5G 毫米波技术第一个优势，同时也是最重 要的优势，是 频率资源丰富、带宽极大 。 5G 毫米波之所以受到重视，是因为其相较 于 5G Sub-6 GHz 频段（FR1）具有更丰富 的频谱资源（如图 3 所示），是 5G 网络提 供千兆连接能力的主要方式，是实现 5G 最 初愿景的有力保证。毫不夸张地说，要达到 5G 最高速率要求，就必须使用 5G 毫米波。 5G毫米波网络可轻易实现Gbps级别的峰 值吞吐率。比如在26 GHz频段内分配连 续 800MHz 频谱，采用四个单载波 200MHz （4*200MHz） 或 者 八 个 单 载 波 100MHz （8*100MHz）实现载波聚合传输，基于 5G 毫米波技术的优势 300 GHz =1mm 30 GHz =10mm mmWave Bands95%下行覆盖率 39GHz 77%下行覆盖率 39GHz 95%下行覆盖率 + 76 小基站 130站/平方公里 93站/平方公里 165站/平方公里 Band2和Band4）共站部署时下行覆盖情 况进行了仿真对比分析。图中根据某大型城 市的 0.8 平方公里区域的场测结果，比较了 28 GHz 和 39 GHz 两种毫米波基站的部署情 况，4G LTE基站的基准部署密度是73站/ 平方公里。从图中可见，在进行室外覆盖时， 如果5G毫米波基站和4G LTE基站完全共 站部署，数量相等的话，5G毫米波网络下 行覆盖率可以达到 77%。如果稍微增加 5G 毫米波基站数量，5G毫米波网络下行覆盖 率可以达到 95%。 5G 毫米波技术第二个优势是 易与波束赋形 技术结合 。5G毫米波的频段高、波长短， 使得其在设计和部署上有空间优势，非常适 合与波束赋形技术相结合，增强性能并降低 干扰。波束赋形技术能够在单根天线功率很 低的情况下，依然提供很好的信号质量。由 于波长较短，5G毫米波设备的天线阵列可 在有限尺寸空间内放置更多天线阵子，特别 是 5G 毫米波基站的天线阵子数量可以达到 256、512甚至更多，因此无论上行下行均 可获得极大波束赋形增益。典型天线阵列配 置下，假设基站有 256 个天线阵子，而终端 有 8 根天线，此时 5G 毫米波能够获得的理 论波束赋形增益如表 1 所示。 表 1 5G 毫米波频段典型波束赋形增益 天线 天线阵元数 理论波束 赋形增益 基站 256 24dB 终端 8 9dB 易与波束赋形技术结合 2 13 5G 毫米波技术第三个优势是 可实现极低时 延 。通常来说，5G网络是以时隙为单位 调度数据的，空口时隙长度越短，意味着 5G网络在物理层的时延越小。 如表2所 示，5G毫米波系统空口时隙长度最小可 至 0.125ms，是目前主流 5G 中低频系统的 1/4。如果采用短时隙（mini slot）调度， 空口时延还会更小。因此，5G毫米波系统 比 5G 中低频系统空口时延显著降低，是满 足 5G 空口时延小于 1ms 的有力保证，可实 频段 子载波间隔 时隙长度 1GHz 15/30kHz 1/0.5ms 1GHz6GHz 15/30/60kHz 1/0.5/0.25ms 24.2552.6GHz 60/120kHz 0.25/0.125ms 现 5G 网络对工业互联网、AR/VR、云游戏、 实时云计算等 URLLC（高可靠低时延）业务 的质量承诺。例如，AR/VR 业务为保证多感 官协调体验和交互能力，需要毫秒级的时延； 而工业互联网对低时延有非常明确的需求， 典型的工业机器人网络对于时延的要求是毫 秒级，产品线上的远程实时控制也需要毫秒 级的时延保证，而工业视觉等领域引入人工 智能所需的大规模计算往往需要在一定距离 外进行，同样对空口时延提出了更高要求。 表 2 5G 网络不同频段可配时隙间隔 易与波束赋形技术结合 可实现极低时延 可支持密集小区部署 3 4 5G 毫米波技术第四个优势是 可支持密集小 区部署 。与 5G 中低频系统不同的是，5G 毫 米波系统通过波束赋形技术不但可提高目标 对象信号增益，还可利用波束定向的特点将 信号能量聚焦在特定方向来减小对其它非目 标对象的干扰，保证邻近链路或者邻近小区 通信质量。因此，与 5G 中低频系统相比， 5G 毫米波系统更容易实现密集小区部署。 这使得 5G 毫米波系统很适合在大型场所如 会议室、音乐会、体育馆、地铁站等人口密 集区域进行部署。比如，基于 5G 毫米波的 AR 可以在远程办公场景中提供虚拟临场体 验用于培训及会议，或者在体育场馆观看足 球比赛时，通过虚拟和增强的方式来享受最 喜欢的体育明星的比赛，并且是实时动作影 像和录像片段叠加的效果。 14 5G 毫米波技术的第五个优势是 可进行高精 度定位 。5G毫米波波束窄、方向性好，有 极高的空间分辨力；同时由于信号传输周期 小、时间精度高，5G毫米波有望实现厘米 级的定位，即使和全球卫星定位导航系统相 比也有精度和速度上的优势。尤其在卫星导 航信号较弱的室内环境，5G毫米波的定位 5G 毫米波技术的第六个优势是 设备集成度 高 。相对于 Sub-6 GHz，5G 毫米波元器件 的尺寸要小得多，5G 毫米波设备更容易小 型化和微型化。当 5G 毫米波规模商用后， 相关元器件成本会大大降低，在专业设备、 能力将发挥更为重要的作用，能够在工业互 联网、物流运输、车联网、交通枢纽、大型 场馆和园区等应用场景提供快速高精度定位 服务。工业互联网里面有许多场景需要高精 度定位，例如物料的自动运输，工业机器人 完成铆接、焊接、组装、剪裁等精密机械操 作，产品的自动检测和封装等等。 优势 收益 频率资源丰富、带宽极大 峰值速率和平均速率高（数 Gbps），容量大 易与波束赋形技术结合 提供定向性，提高信号强度，增强性能并降低干扰 可实现极低时延（亚毫秒级） 支持工业物联网、AR/VR、云游戏、实时计算等业务 可支持密集小区部署 适用于大型场馆和交通枢纽 可进行高精度定位 应用于工业互联网、物流运输、车联网和室内的快速 高精度定位 设备集成度高 基站和终端的小型化、微型化 小贴士：5G 毫米波的六大优势一览 可进行高精度定位 设备集成度高 5 6 可穿戴设备、智能零部件等领域 5G 毫米波 集成度高的优势意味着广阔的应用前景。另 外，5G毫米波基站也具有体积小、重量轻、 易安装的优势，有利于打造一个绿色、高效 和方便部署的 5G 毫米波网络。 表 3 5G 毫米波技术的六大优势 15 可进行高精度定位 设备集成度高 5G 毫米波技术 面临的挑战和 解决方案 3 16 5G 毫米波技术面临的挑战和解决方案 5G毫米波频段高、 传播损耗高、绕射和衍 射能力弱，覆盖相对受限 ，这是 5G 毫米波 通信系统面临的最大挑战。高频通信传播过 程中的路径损耗较大，从室外到室内的穿透 损失较大，以及遇到建筑物、树叶或雨水阻 挡的影响较大。根据 3GPP TR38.901 【9】 中 规定的0100 GHz无线电波在城市区域内 5G 毫米波覆盖优化1 5G 毫米波这个特性使大家误以为它只能够 实现视距传输，然而现在已经有多种解决 方案来解决 5G 毫米波信号衰减和阻挡的问 题。首先，5G毫米波通过先进的 波束赋形 技术增加EIRP（等效全向辐射功率），提 升覆盖能力，能够轻松实现数百米的信号 传输，缓解路径损耗问题。这项技术不仅 通过仿真实验得到了验证，而且在外场测 试 【11】 和商用部署中也得到了充分检验。 其次，在5G标准化中，5G毫米波 波束管 理 成为5G毫米波标准化的工作重点，其 中包括波束搜索、波束跟踪以及波束切换 表 4 5G 毫米波穿透损耗测试结果 图 5 IAB 既可以扩大 5G 毫米波覆盖范围，又可以提高容量 树冠（直径 4m） 人体（单侧 / 周围） 混凝土承重墙 木门（5cm） 普通玻璃门 房车车体 20dB 1128dB 无法穿透 6dB 5dB 1723dB 直射路径的损耗模型可知，自由空间损耗与 载波频率成正相关，26 GHz 载波比 3.5 GHz 载波路损高约 17.42dB，理论传播距离只有 3.5G Hz 的六分之一左右。根据中国联通的 实测结果 【10】 ，5G 毫米波的穿透损耗远高于 Sub-6GHz（如表4所示），同时恶劣天气如雨、 雪、雾等对毫米波的传播也有不利影响。 【9】 3GPP TR38.901，3gpp/ftp/Specs/ archive/38_series/38.901/38901-g10.zip 【10】 中国联通5G毫米波技术白皮书，中国联通，2019年 11 月。 【11】 ericsson-qualcomm-and-u.s.-cellular-achieve- extended-range-5g-data-call-over-mmwave 等，使 5G 毫米波系统能在部分方向信号受 到遮挡的情况下迅速捕捉新波束并动态地 实施波束切换。最后，半导体技术的进步 推动了5G毫米波技术快速发展，将大规 模阵列天线和射频链路整合成性价比更高 的 相位阵列 RFICs，并成功实现了智能波 束赋形、波束搜索和波束跟踪技术，从硬 件上为5G毫米波系统提供了强大支持。 17 这些技术进步不仅使 5G 毫米波可以通过波 束赋形的优势弥补 5G 毫米波在传播特性上 相对于5G中低频段的不足，还使5G毫米 波系统可以很好地利用多路径和反射，并通 过先进的波束管理技术在不同连接、路径间 自如切换。如果视距传输路径被阻挡，5G 毫米波系统仍然能够通过智能波束搜索技术 快速寻找和识别非视距传输路径（比如反射 路径），迅速切换到相应传输路径，从而解 决 5G 毫米波信号视线传输阻挡问题。 在 Rel-16 中，3GPP 还支持用 IAB（集成接 入与回传）技术 来增强 5G 毫米波网络覆盖 能力，利用 5G 毫米波超大带宽提供回传链 路，有助于将 5G 天线安装到难以部署光纤 或者部署光纤成本过高的地方，比如在高层 建筑、孤立岛屿上或铺设光纤存在问题的山 区中，从而降低部署成本加快部署进度，实 现 5G 网络无缝覆盖。在发生各种自然灾害 图 5 IAB 既可以扩大 5G 毫米波覆盖范围，又可以提高容量 导致传统回传链路失效的时候，IAB 也可以 发挥重要作用。如图5所示，一方面，IAB 技术可通过无线回传方式扩大 5G 毫米波网 络覆盖范围；另一方面，IAB 技术又可通过 接入和回传链路的共享频谱资源提高容量。 而且，IAB 技术支持多跳连接和网络拓扑自 适应的功能，使 5G 毫米波网络覆盖范围可 以灵活延伸，站间连接更加灵活，网络拓扑 限制更少；支持OTA同步及节点发现功能， 使得 5G 毫米波基站间同步更加简单，接口 更加智能，部署更加便捷；支持接入链路和 回传链路的协同，实现在物理层资源的分配、 波束管理、干扰管理等方面的一体化，充分 整合不同链路资源，提高整体效率；提升了 MAC层移动性管理、快速链路恢复、QoS 管理、负载均衡等方面对 5G 网络进行了增 强，提高了网络鲁棒性，使 5G 毫米波网络 能对网络故障进行快速反应，动态调整和 恢复。 SmallCell 技术是 5G 毫米波覆盖问题的另 一个解决方案。5G时代，单一基站类型很 难满足所有通信需求和部署场景。与 5G 中 低频宏站技术相比，5G 毫米波 Small Cell 基站覆盖半径相对较小，部署密度更大，通 过减小通信距离来保证高峰值吞吐量，并通 过提高部署密度来充分保证覆盖效果。 5G 毫米波 Small Cell 基站部署场景广泛， 既能室内部署，也能室外部署，为匹配不 同部署场景和使用需求，5G毫米波Small Cell 基站可以呈现出从分布式到集中式等不 同 5G 网络架构形态。5G 毫米波 Small Cell 基站最典型的部署场景是各种热点地区，比 如会议室、大型体育场馆、音乐厅，各类交 通枢纽如机场、火车站、地铁站等。一方面， 这些场景通常对 5G 连接需求更高，负载压 力更大。如果仅选择部署 5G 中低频宏站， 不仅容易造成基站流量过载，也容易发生用 户接入失败等问题，造成用户网络使用体验 下滑。5G 毫米波 Small Cell 基站高容量特 性可对宏基站负载进行有效分流，提高用户 接入成功概率 , 保证用户连接稳定性和体验 的一致性。另一方面，这些场景通常可以通 过 5G 毫米波 Small Cell 基站的高密度部署 来回避信号穿墙损失，并且不用担心雨水和 树叶遮挡的影响，可以全天候工作。由于覆 盖距离短，5G 毫米波 Small Cell 基站信号 质量能够得到保证，可稳定维持极高的通信 速率。 此外，与宏基站相比，5G 毫米波 Small Cell 基站更容易实现低功耗、低成本和轻量化， 同时具有兼容性和开放可控性。因此，5G 毫米波 Small Cell 基站可简化高密度网络部 署，实现即插即用、智能组网的弹性超密集 网络，有效降低对基站的安装要求和缓解宏 基站选址难题 。 18 5G 毫米波面临的第二个挑战是 移动性管理 问题 。由于高频信号传播特点，5G毫米波 小区覆盖半径通常较小，终端在移动状态下 由于小区切换较频繁而易于出现数据传输中 断。对此，3GPP标准中为5G毫米波移动 性管理难题给出了两个关键解决方案，以保 证无缝的用户体验。首先是各种 灵活快速的 小区切换方案 。既可以是基站内的切换，也 可以是基站间的切换；既可以是基于高层信 令的切换，也可以是基于低层指示的切换， 由此充分满足不同场景的小区切换需求。其 次是 快速的波束恢复机制 。一旦发生波束失 败后，5G毫米波系统能够在无需核心网和 高层信令的干预下实现毫秒量级地快速波束 恢复。 此外，载波聚合（CA）技术和双连接（DC） 技术可以将中低频和5G毫米波有机结合 起来。如图6所示， 运营商可以采取“5G Sub-6 GHz/4G LTE+ 毫米波”的 5G 部署策 略，使用 CA 或者 DC 技术，充分利用低中、 高频段各自的优势，用 5G Sub-6 GHz 或 4G LTE 网络确保网络覆盖并负责信道获取、寻 呼和移动性管理等功能，用 5G 毫米波提供 数 Gbps 速率和超大容量。特别值得一提的 是，在 3GPP 标准中， 5G 毫米波和 Sub- 6 GHz 拥有几乎相同的空口协议（比如共同 的 MAC 层），因此 5G 毫米波和 Sub-6 GHz 网络可以进行紧密集成，非常容易进行载波 聚合。 在 Rel-16 中，3GPP 还 完善了 Multi-TRP 功能，对于支持 Multi-TRP 的高频手机可同时支 持两个波束的接收，这样在一个基站的传输链路被遮挡或快衰落时，另外一条传输链路依然 通畅，可有效避免毫米波的衍射效应差的特性。 图 6 5G 毫米波网络与 Sub-6 GHz、4G LTE 网络有机结合提供极致用户体验 19 5G 毫米波移动性管理2 5G 毫米波面临的第三个挑战是 产品复杂性 高，实现难度大 。5G毫米波基站至少面临 三个挑战。首先，5G毫米波需要安装更多 天线，天线校准问题变得更复杂。为了实 现5G通信所必需的精准波束赋形，5G毫 米波基站需要能够精确地控制每根天线相位 信息。受到工艺水平限制 , 实际天线阵列可 能存在较大的初始相位校准误差 , 这将导致 波束赋形失真，严重影响通信性能。因此 5G 毫米波需要重点突破大规模阵列天线的 相位校准难题。其次，5G毫米波需要更高 的EIRP，目前来看CMOS工艺可以实现高 频段的射频性能，但有更好性能的 GaAs、 GaN 工艺在成本上、集成度上还有明显的差 距，这导致了 5G 毫米波产品的复杂度和成 本比较高。第三，未来 5G 毫米波 MIMO 在 实现更高流数上面具有潜在的可能性，这对 射频信号分辨率，基带数字处理能力也将相 应提出更高的要求。 5G 毫米波的复杂性和技术难度也体现在终 端上。首先是需要引入多天线模块。一方面， 5G 毫米波波束具有很强的方向性，且覆盖 范围有限。图 7 显示了三个不同位置天线模 块对应的不同方向的信号强度。另一方面， 手持终端的 5G 毫米波信号有可能被人体遮 挡。因此，5G毫米波天线模块的设计，需 要保证手机不论方向和手持位置，都能得到 不同天线模块的有效覆盖，在发送和接收期 间保持足够的链路裕量。 图 7 5G 毫米波天线的覆盖范围 20 5G 毫米波产品实现3 解决这个问题的主要方法是在 5G 毫米波终 端实现多天线模块，这样能提高 5G 毫米波 通信的鲁棒性。比如在手持终端时，个别天 线模块在通信时出现被人体遮挡的情况，此 时通过激活手机上的另一个天线模块就可以 快速发现并切换到一条新的传输路径上，从 而保证无线链接的稳定。 其次是 5G 毫米波天线设计比较困难。5G 毫 米波时代，手机天线数量增多，但在天线数 量增加同时，手机留给天线的布局空间却越 来越小。这主要是由手机的发展和设计趋势 所导致的。首先，5G 手机为了和 5G 网络能 提供的多媒体业务匹配，屏幕普遍占比高， 出现了全屏甚至正反双屏的设计，因而留给 安装天线的位置越来越小。其次，安装在手 机上的摄像头也越来越多，电池容量越来越 大，天线的布局空间受到进一步挤压。另外， 5G 手机普遍支持多模通信，5G 毫米波天线 还需要与 4G LTE 以及 5G 中低频天线共存， 甚至空间共享。同时，毫米波传输损耗高和 器件加工精度高，对天线的布署和生产提出 了很高的要求。这些限制形成了 5G 毫米波 天线的设计挑战。 为了应对这些挑战，5G毫米波天线提出了 AiP （Antenna in Package）方案，基于封 装材料与工艺，将天线、射频收发器和射频 前端集成在封装内，实现系统级无线功能的 技术。AiP 技术顺应了硅基半导体工艺集成 度提高的趋势，同时兼顾了天线性能、成本 及体积。 第三是 5G 毫米波射频模块集成以及低功耗 设计。5G毫米波设备相关的关键器件主要 包括基带芯片、高频滤波器、高频功率放大 器和高频天线，以及集成了功率放大功能和 幅相控制功能的其他5G毫米波前端芯片等。 相较于中低频段，5G毫米波天线射频设计 制造需要考虑小型化、轻量化、宽带化、固 态化和集成化的特点，还需考虑规模化量产 和低成本等一系列问题，这对工艺要求、器 件芯片集成、封装产生了更高的要求，以便 最大限度地减少功耗，最大限度地提高手机 续航时间。 为了扩展5G毫米波覆盖范围，终端EIRP 需要尽量提高，但会因此带来功耗上升、成 本上升等问题，从而影响终端的尺寸和发售 价格，影响 5G 毫米波终端的普及。目前， 部分商用的 5G 毫米波天线模组已经可以应 对这些 5G 毫米波终端的巨大挑战。部分 5G 商用芯片已经集成了 5G 新空口无线电收发 器、电源管理 IC、射频前端组件和相控天 线阵列，并可在 24.25-27.5GHz（n258）、 26.5 - 29.5 GHz（n257）以及完整的 27.5 - 28.3