摘? 要海内毫米波工业链趋于成熟，但在后续的场景利用跟自立可控性方面仍面对挑衅，亟须明白研讨偏向及工业化的开展偏向。先容了毫米波技巧的优毛病，具体论述毫米波通讯的工业化停顿，并基于5G-Advanced毫米波要害利用场景需要，探究毫米波通讯技巧的将来研讨跟开展偏向。跟着5G-Advanced（5G-A）贸易化的推动，8K、XR、无人机跟产业数字化等新营业对挪动收集的容量、感知精度跟时延等的请求日益进步，仅靠Sub 6 GHz频段无奈满意这些需要。毫米波相较于Sub 6 GHz频段具有更年夜带宽、更高速度、更低时延等上风，但毫米波仍面对笼罩受限、工业链不成熟、高下频综合处理计划未落地等挑衅［1-8］。针对这些挑衅，需提出针对性处理计划，助力5G-A挪动通讯工业的开展。本文先容海内外毫米波技巧的要害技巧特征的研讨近况，并从毫米波频谱分别、尺度制订、技巧停顿跟利用场景等方面瞻望毫米波的工业化过程，为5G-A时期的挪动通讯代价发明跟数字经济活气的连续晋升奠基基本。同时，针对毫米波频段的研讨及利用挑衅，本文研讨剖析了毫米波在笼罩加强跟牢靠性晋升等方面的机能，为毫米波技巧在商用处景中的高效应用供给实践支持。毫米波技巧研讨近况1.1 毫米波上风特征1.1.1 年夜带宽海内IMT-2020重要测试毫米波n258频段（24.75～27.5 GHz，共2.75 GHz带宽）。对公网效劳，海内毫米波收集高低行均可支撑800 MHz总带宽。对专网效劳，IMT-2020（5G）推动组中对于专网毫米波基站装备的技巧请求下行必选支撑600 MHz总带宽，下行必选支撑400 MHz总带宽。毫米波收集的带宽为Sub 6 GHz频段的2~4倍（斟酌中国电信跟中国联通共建共享）。1.1.2 超高速度通讯才能以后3.5 GHz频段低频3载波下行峰值速度约为5 Gbit/s，无奈满意5G-Advanced万兆无线收集构建需要。毫米波凭仗超年夜带宽的上风，具有超高速度的通讯才能。在IMT-2020测试中，MU-MIMO、4T4R、DDDSU帧构造、256QAM设置下的高下频组网架构的下行收集峰值速度可达10 Gbit/s，MU-MIMO、4T4R、DSUUU帧构造、64QAM设置下的高下频组网架构下行收集峰值速度可达7.2 Gbit/s以上，满意5G-A万兆无线通讯的高速度需要。1.1.3 低时延毫米波120 kHz子载波距离的时隙（slot）长度为0.125 ms，而Sub 6 GHz（如3.5 GHz）30 kHz子载波距离的时隙长度为0.5 ms，为毫米波时隙长度的4倍。在不开启超高牢靠与低时延通讯（Ultra-reliable and Low Latency Communications，uRLLC）功效时，Sub 6 GHz频段营业面时延≥4 ms，而在基于毫米波用户面ping包的时延测试中，32 B小包ping包的最小时延为2.8 ms，1 500 B年夜包ping包的最小时延为3.5 ms，比拟Sub 6 GHz更易满意XR、产业呆板人等低时延敏感型营业的低时延需要。1.1.4 机动帧构造5G-A时期的安防监控、3D质检等行业对年夜带宽下行的需要日益增加，须要更机动的资本设置跟协同融会的弹性收集。中国联通在2019年提出毫米波的机动帧构造，如图1所示，包含DDDSU、DSUUU、DDSUU 3种帧构造。可依据公、专网差别时光、地区的差别化的营业需要机动调剂帧构造。半静态帧构造调剂方法须要基站重启后终端采取新型帧构造从新接入，存在3～5 min的切换时延。静态调剂方法基于下行链路把持信息（DCI）静态调理调剂帧构造，现实测试时延低于1 min，对端网技巧实现及烦扰和谐请求高。图1 毫米波机动帧构造1.1.5 年夜范围天线跟波束赋形年夜范围天线技巧（Massive MIMO）经由过程构成窄波束来加强笼罩，而波束赋形技巧经由过程下降烦扰晋升信噪比。全数字波束赋形能晋升体系机能，但会增添射频链路数目，招致功耗跟本钱回升；模仿波束赋构成本较低，但机能跟空间分集后果无限。因而，毫米波体系广泛采取混杂波束赋形架构，如图2所示，在波束赋形机能、硬件电路/芯片本钱跟体系功耗等方面到达综合机能最优。在混杂波束赋形架构下，端网侧需保护用于高低行传输的波束对，并停止波束治理。波束治理包含扫描、丈量、上报、唆使跟规复等步调，此中波束掉败与规复的进程如图3所示。在IMT-2020测试中，1 000+天线阵子的毫米波基站其等效全向辐射功率（EIRP）较512阵子基站的EIRP晋升约3 dB。毫米波波束赋形后的SSB宽波束数目为16～32个，窄波束最高可达100多个。终端在差别挪动速度下波束切换均能坚持吞吐量稳固，从而验证了毫米波波束治理技巧的成熟度。图2 混杂波束赋形构造图3 波束掉败跟规复流程1.1.6 高精度感知毫米波年夜带宽通感技巧比拟Sub 6 GHz更有助于辨认小型物体跟精准定位人及物体的门路轨迹。如式（1）所示，间隔辨别率Rres与感知带宽Bsw成正比关联，此中c为光速。表1所示为角度辨别率与感知带宽的关联，3.5 GHz频段100 MHz带宽的实践感知间隔辨别率为1.5 m，毫米波800 MHz带宽的实践感知间隔辨别率为0.19 m，精度达分米级。（1）表1 角度辨别率与感知带宽的关联感知角度辨别率Ares的盘算如式（2）所示：（2）此中D为天线阵列孔径，λ为波长，3.5 GHz的波长为0.086 m，26 GHz的波长约为0.01 m。由式（2）可知，频段越低波长越年夜，要到达雷同的角度辨别率，对应的天线尺寸越年夜，因而雷同口径面下，26 GHz毫米波角度辨别率约为3.5 GHz角度辨别率的8.6倍。借助毫米波高精度感知及年夜带宽才能，可满意无人机羁系、车路协同、灾祸预警、医疗康养的感知及通讯需要。在现实测试中，基于毫米波频段的通感测试可到达分米级感知精度。只管毫米波技巧存在明显上风，但因为其高频率的特征，其也存在一些笼罩受限及高穿透消耗等方面的挑衅，这些挑衅须要在现实收集安排中充足斟酌，从而下降毫米波在公、专网中的机能丧失，使毫米波技巧可能在现实利用中施展其最年夜带宽、容量、低时延等潜力。1.2 毫米波技巧毛病1.2.1 高门路消耗依据3GPP TR 38.901中划定的0～100 GHz无线电波在都会地区内直射门路的消耗模子：PL1=28.0+22lgd3D+20lgfc?（3）由式（3）可知，自在空间消耗PL1与载波频率fc成正相干。在雷同发送功率设置下，毫米波的实践通讯笼罩间隔也远小于5G低频装备。以26 GHz跟3.5 GHz为例，比拟跟评价高频毫米波段与5G sub 6 GHz低反复段的传布路损差别，成果如图4所示，假设f1与f2分辨代表高下频载波，则频点带来的路损差值为20×lg（f1/f2），盘算可得26 GHz载波比3.5 GHz载波路损高20×lg（26/3.5）≈17.42 dB，也即在发射天线跟接受天线增益稳定的情形下，3.5 GHz载波的实践传布间隔是26 GHz载波实践传布间隔的1017.42/22≈6.2倍。图4 差别毫米波频点比拟3.5 GHz频点的路损差在现实测试中，对照26 GHz与3.5 GHz频段在LOS门路上的下行拉远笼罩间隔，在毫米波DDDSU帧构造设置下，26 GHz手持原型终端与3.5 GHz手机在直射（LOS）门路的下行笼罩间隔均超越1 600 m，但3.5 GHz频段的下行拉远失落线间隔比26 GHz的下行拉远失落线间隔远170 m。在现实组网中，叠加庞杂的情况遮挡、非直射（NLOS）等要素，26 GHz频段的现实笼罩间隔会进一步下降。1.2.2 高穿透消耗毫米波在传布进程中轻易遭到降雨、树丛以及其余遮挡物的遮挡与接收，毫米波基础无奈穿透传统混凝土承重墙。别的，差别降雨量跟雨水麋集水平对毫米波速度也有差别水平的影响，差别遮挡物、差别情形的毫米波穿透消耗相干测试成果如表2所示。表2 毫米波穿透差别材质的消耗在26 GHz毫米波与3.5 GHz的穿透对照测试中，3.5 GHz穿透树木的消耗比毫米波约低10 dB、穿透人体的消耗比毫米波约低5 dB、穿透玻璃的消耗比毫米波约低2.5 dB，且3.5 GHz能够穿透混凝土墙。由此可见，在室外组网时，毫米波在面临玻璃、车辆、人体等罕见遮挡物时较3.5 GHz的穿透消耗更年夜，从而招致毫米波笼罩间隔较3.5 GHz进一步缩小。在公网安排初期，招考虑毫米波以热门笼罩为主，在室外笼罩时应优先将毫米波安排在直射LOS场景或近似LOS场景下，如年夜型露天运动场、机场、年夜型广场等，搭配其余中低频挪动通讯体系保障接受终真个通讯品质，并须要充足斟酌恶劣气象如雨、雪、雾对毫米波的影响。别的，毫米波外场测试中验证，非直射NLOS场景比LOS场景下的SSB RSRP衰减10～14dB，因而能够断定毫米波合适安排在旌旗灯号反射丰盛的室外NLOS场景，如贸易区、写字楼、贸易街、工场等。在室内笼罩方面，因为毫米波无奈穿透混凝土墙，且穿透玻璃时存在较高消耗，因而采取毫米波室外穿透室内停止笼罩时，只能满意室内浅层或楼宇楼道等进口处的笼罩需要，楼宇内的毫米波室内深度笼罩还须要采取毫米波室内散布式一体化微站停止笼罩。同时，室内组网时只管在宽阔无遮挡情况安排基站。毫米波挪动通讯工业化过程2.1 毫米波频谱调配及应用近况国际电信同盟（ITU）在2019年将24.25～27.5 GHz等毫米波频率标识为用于寰球5G及国际挪动通讯体系（IMT）将来开展。3GPP RAN4任务组牵头发展FR1（450 MHz～6 GHz）、FR2-1（24.25～52.6 GHz）、FR2-2 （52.6～71 GHz）相干频段的尺度探讨与制订。西欧、日、韩等国度已率先发展高频毫米波频段的拍卖及商用安排，我国也踊跃摸索高频毫米波技巧。2017年，中国产业跟信息化部批复24.75～27.5 GHz跟37～42.5 GHz频段用于我国5G技巧研发毫米波试验频段，从2019年开端，IMT-2020（5G）推动组连续构造发展毫米波表里场实验验证任务。2.2 海内外毫米波行业尺度研讨近况3GPP在5G NR尺度框架中为Sub 6 GHz跟毫米波频段供给同一的技巧标准，此中在Rel-15至Rel-18版本界说了毫米波的要害技巧参数，包含子载波距离、载波带宽等，别的在Rel-17版本中研讨FR2-2频段（52.6～71 GHz），在Rel-18版本中引入基于AI/ML的波束治理优化。现在，在Rel-19版本中，3GPP进一步探讨采取AI加强毫米波的牢靠性跟挪动性。在海内，IMT-2020（5G）推动组制订了公、专网场景下的毫米波端网装备请求及测试方式等标准，CCSA也发展了毫米波宏站跟终端装备的技巧及测试标准制订任务，为毫米波端网装备正式商用做筹备。2.3 海内外毫米波基站装备演进近况海内外主流厂商已推出室外宏站、微站以及室分一体化微站装备，可实现3.5 GHz+26 GHz高下频组网，供给超越10 Gbit/s的下行容量跟超越7.2 Gbit/s的下行容量，合乎3GPP Rel-16协定。装备后续开展趋向重要会合在高带宽聚合、高阶MIMO层数、高EIRP输出跟融会才能晋升。针对毫米波高精度定位跟高牢靠性晋升，以及引入3GPP Rel-17、Rel-18的功效等方面，现在仍需进一步推进其研发跟验证任务。2.4 海内外毫米波终端及芯片开展近况依据GSA讲演，寰球已有65家以上终端供给商推出5G毫米波终端装备，包含智妙手机、客户终端装备（CPE）、电脑等。海内如MeiG等厂商也推出可商用毫米波终端。在芯片模组方面，高通X75芯片已正式商用，X80芯片也已于2024年MWC宣布。海内在高频功率缩小器、低噪声缩小器、滤波器等要害器件的研发方面也获得停顿，但在资料工艺成熟度上与国际当先企业仍有差距。2.5 毫米波要害利用场景瞻望停止2023年8月尾，中国5G基站总数达404.2万个。在公网方面，5G收集应用率仍处于晋升阶段；在专网产业场景方面，仅靠3.5 GHz频段无奈满意局部Gbit/s+的年夜下行、高精度定位、超低时延等场景需要。同时，中国宽带营业飞速开展，停止2023年9月尾，我国已建成开明光纤到户（FTTH）端口10.8亿个，光纤收集基础灵通天下现有行政村，因而现在采取毫米波FWA作为无线宽带接入的方法仅合适光纤不易达的极一般场景。联合毫米波优毛病，毫米波可重要用于5G-A热门年夜容量及XR场景、感知定位、产业互联网（年夜下行+产业超低时延）三年夜典范场景。a）年夜容量及XR场景。现网5G流量散布不平衡，无线侧部分热门地区（如购物核心、交通枢纽）的PRB应用率达80%至90%，对千兆无线网下行形成压力，亟需加强无线收集才能，毫米波是实现无线收集扩容的首选频段。万兆网开展进程中，将连续赋能全新视听休会变更。为满意XR/裸眼3D新营业的营业需要，实现8K及90FPS舒服沉迷式休会，须要300～500 Mbit/s的速度，要到达16K及120FPS愉悦休会请求，则须要1 Gbit/s的速度。因而，XR等新营业范围化利用的开展须要借助年夜带广大容量的毫米波来实现。b）感知定位场景。在无人机轨迹跟踪导航、帮助主动驾驶等场景中，对感知精度的需要已到达分米级，现在仅靠Sub 6 GHz无奈满意请求。由1.1节可知，毫米波频段具有高感知精度及低杂波特征，因而是树立通感专网的幻想抉择。经由过程联合毫米波与中频的多频协同感知计划，可满意高感知精度需要。同时，在工场中的AGV小车等利用须要厘米级高精度定位效劳，而传统的超宽带、蓝牙、激光跟红外等定位技巧跟计划很难满意此请求，且传统定位技巧无奈与工场中的通讯技巧融会治理。业界发展了基于Sub 6 GHz NR的定位测试，3.5 GHz频段的室内定位精度到达米级，而26 GHz年夜带宽毫米波实践上可达厘米级的定位才能。因而，毫米波收集同样实用于室内高精度定位场景。c）产业互联网场景。产业场景的多样化需要涵盖对低耽误跟高牢靠性至关主要的营业，如呆板人把持跟柔性产线，以及须要年夜下行容量的利用，比方3D质检跟呆板视觉。对年夜下行利用，如钢板检测须要22～24台摄像机停止视频上传，上传速度需要达3.7～5.5 Gbit/s，仅靠现在5G单一频率才能无奈满意。别的高精度活动把持、柔性产线加强等营业请求端到端时延低于4 ms，需毫米波来满意。因而，联合NR低频、RedCap跟毫米波的产业专网处理计划，可能支撑室内牢靠性、年夜下行带宽跟低耽误衔接等特征，满意产业场景的综合性需要。毫米波通讯研讨与利用挑衅及开展偏向3.1 毫米波通讯研讨与利用挑衅3.1.1 打造万兆无线网需加强高频无线笼罩毫米波频段的宽带特征使其成为年夜容量场景下的幻想抉择，但其高门路消耗跟穿透消耗也带来笼罩挑衅，影响效劳休会。别的，浩繁手机的发射功率远小于基站装备的发射功率，招致高低行笼罩不均衡，毫米波收集下行笼罩才能较下行笼罩才能更受限。现在，毫米波笼罩困难招致其商用重要会合在FWA跟eMBB部分热门场景，尚未实现5G-A时期所需的持续组网，限度毫米波公网范围化安排商用。3.1.2 实现高精度通感效劳需推动工业链成熟为实现高精度的通感效劳，需进一步晋升工业链的成熟度。只管通感技巧开展敏捷，但在技巧计划、尺度制订、装备工业跟利用落地等方面仍有待完美。3GPP仍处在通感技巧的需要研讨跟仿真阶段，尚未有尺度化的计划计划。基站装备尚处于原型阶段，且在庞杂场景下的多用户高精度感知需要，尚未被完整满意。3.1.3 实现数字产业化须要打造综合处理计划数字产业化对毫米波技巧提出明白需要，但现在缺少一个融会NR中频、RedCap跟毫米波的综合处理计划，以及该综合处理计划在庞杂工场情况中的详细营业需要的落地利用。毫米波的易遮挡特征也请求对毫米波专网安排的牢靠性停止进一步研讨跟验证。3.1.4 沉迷式媒体营业较少，影响毫米波收集范围化开展沉迷式媒体营业，如XR跟裸眼3D视频，对毫米波大众收集的范围化开展影响较年夜。现在，XR装备的通讯方法重要依附有线衔接或家庭Wi-Fi收集衔接，缺少支撑毫米波直连的装备，装备才能方面也尚未能应用户到达完整沉迷式休会，且营业平台尚未呈现翻新情势或“杀手级”利用。3.1.5 高频芯片器件的自立可控率较低对毫米波基站装备高速高精度的数模及模数转换芯片、高频功率缩小器、低噪声缩小器、滤波器、集成封装天线等方面，现在海内在技巧原型方面已获得停顿，但在资料工艺成熟度上与国际当先企业仍存在较年夜差距。在毫米波终端SoC芯片跟射频芯片方面，要到达自立可控另有必定的艰苦。3.2 毫米波通讯研讨及开展偏向摸索3.2.1 推动高频笼罩加强技巧研讨为了补充毫米波本身的高消耗易遮挡的优势，需停止毫米波+RIS、超年夜范围天线、低频帮助高频等毫米波笼罩加强计划研讨与验证，促使高频与Sub 6 GHz低频（如3.5 GHz）实现共站址笼罩。基于RIS的笼罩加强计划需研讨低本钱、可控波束治理等特征的计划及装备，基于年夜范围天线阵列的笼罩加强计划需研讨MIMO加强、波束治理及装备研发，基于高下频协同的计划须要基于NR-CA跟NR-DC 2条技巧门路，应用低频笼罩加强处理毫米波高低行笼罩不均衡成绩，研讨笼罩加强技巧及端网实现。高下频NR-DC组网可将下行数据承载到低频，高下频NR-CA组网可将下行数据+下行链路把持信息承载到低频，在毫米波弱笼罩地区，能够采取低频段供给无线通讯效劳，保证营业的持续性。别的，在NR-CA组网时，毫米波频段的PUCCH等下行把持信息能够只承载在Sub 6 GHz上（1PUCCH计划），进一步扩大毫米波笼罩。3.2.2 推动通感端网工业链成熟经由过程完美实践、架构计划、端到端研发、外场验证4步推动通感工业链的成熟。需完美通感实践，构建成熟的指标系统。而后经由过程空口计划、站间交互计划、中心网计划等端到端架构相干计划研讨，推动通感技巧尺度化成熟。最后，联合智能化，停止成熟可商用的通感融会基站、终端、中心网等装备研发，面向无人机羁系、边路协等同高精度感知场景停止端网验证，逐渐推进商用落地。3.2.3 推动多频协同综合专网处理计划落地推动基于NR Sub 6 GHz、NR RedCap、毫米波3种技巧融会的综合处理计划的研讨落地，在保证毫米波年夜吞吐量、超低时延机能的条件下，研讨实现毫米波的高牢靠计划，推进基于厂房内、产线上的NR综合处理计划的落地实现。同时，面向公专网同频差别帧构造的混杂安排近况，基于公专网完整断绝、局部断绝等场景，研讨验证同频异帧构造的烦扰打消计划，增加、躲避公专网烦扰。3.2.4 推动XR、裸眼3D营业翻新结合端、网、利用工业链高低游，在装备方面推进研发支撑NR高频毫米波直连的、用户沉迷式休会佳的XR及裸眼3D终端装备。在收集方面研讨并实现XR等超高清内容新型紧缩编码计划及支撑XQI、QoE评价的XR营业感知跟营业保证计划，研讨基于3GPP Rel-18～Rel-19的XR计划落地实现。在内容方面结合内容供给商翻新打造笼罩文娱、经济、生涯、产业、教导等多样化的沉迷式媒体新营业。3.2.5 推进高频装备/终端芯片器件完整自立可控经由过程整合工业界的基本研讨结果跟现实利用需要等产学研配合，逐渐晋升海内芯片器件的成熟度，进步高频器件资料工艺成熟度。重点存眷数模及模数转换芯片、高频功率缩小器、低噪声缩小器、滤波器以及集成封装天线等要害技巧的研发跟利用，并停止端、网装备集成，经由过程迭代式现网验证提醒芯片器件成熟度，终极实现毫米波要害芯片、器件的自立可控。总? 结毫米波通讯技巧作为5G-Advanced的要害赋能技巧，以其奇特的年夜带宽、低时延、机动安排才能跟高精度感知等特征，日益展示出满意XR、高空经济、聪明交通、数字制作等前沿范畴营业需要的潜力。跟着国际与海内工业链在毫米波技巧、尺度化、终端与收集装备等方面的连续成熟，毫米波收集将在公网安排、专网利用、通感技巧、XR营业翻新以及要害技巧的自立可控等范畴实现主要冲破，逐渐修建起下一代挪动通讯的坚固基石。本文先容了毫米波的优毛病，并经由过程毫米波频谱近况、尺度停顿、基站及终端/芯片开展近况来剖析毫米波挪动通讯工业链开展近况，探究了毫米波的要害利用场景。同时，面向毫米波的商用远景，剖析了毫米波通讯研讨及利用的挑衅，并针对性地给出了研讨及开展偏向的倡议。参考文献［1］ RAPPAPORT T S，SUN S，MAYZUS R，et al.Millimeter wave mobile communications for 5G cellular：It will work!［J］.IEEE access，2013（1）：335-349.［2］ RANGAN S，RAPPAPORT T S，ERKIP E，et al. 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Enhanced analog beamforming for single carrier millimeter wave MIMO systems［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2017，16（7）：4261-4274.作者简介高帅，工程师，硕士，重要研讨偏向为5G-A/6G高频毫米波、QoE、AI/ML等；李福昌，教学级高等工程师，博士，国度常识产权局中国专利检察技巧专家，重要从事挪动通讯及固网挪动融会等专业的尺度制订、测实验证、课题研讨等任务；张忠皓，教学级高等工程师，博士，北京邮电年夜学兼职教学，重要从事挪动网无线新技巧相干课题研讨、尺度制订、装备验证跟新营业研讨任务；马静艳，工程师，博士，重要研讨偏向为太赫兹、毫米波、5G通讯等。