丁 海，徐佳琪（.中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京00048；.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京00048）

0 前言

2018年6月15日，全球標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP批準(zhǔn)了5G NR獨(dú)立組網(wǎng)（SA）標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)，加上2018年12月完成的非獨(dú)立組網(wǎng)（NR）標(biāo)準(zhǔn)，意味著5G已經(jīng)完成第1階段全功能標(biāo)準(zhǔn)化工作，進(jìn)入了全產(chǎn)業(yè)向商用全面沖刺新階段。5G規(guī)范中定義的大流量高寬帶業(yè)務(wù)（eMBB）、大規(guī)模海量連接（mMTC）、低時(shí)延、高可靠連接的業(yè)務(wù)（URLLC）三大應(yīng)用場(chǎng)景中，eMBB是所有電信運(yùn)營(yíng)商的首選，2018年12月20日，AT&T宣布啟動(dòng)基于5G毫米波的5G商用業(yè)務(wù)，在北美12個(gè)城市為用戶(hù)提供高速上網(wǎng)業(yè)務(wù)；同時(shí)，Verizon和韓國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商也同步響應(yīng)，表示毫米波應(yīng)用將會(huì)納入未來(lái)5G商業(yè)化的計(jì)劃中。一時(shí)之間，國(guó)內(nèi)部分用戶(hù)也對(duì)5G毫米波產(chǎn)生了極大的興趣。

1 5G毫米波技術(shù)分析

毫米波指的是5G技術(shù)使用的空口頻段，在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中定義了5G新空口技術(shù)主要使用的2類(lèi)段頻：頻率范圍1（FR1）和頻率范圍2（FR2）。FR1頻段的頻率范圍450 MHz～6 GHz，又叫Sub-6 GHz頻段；FR2頻段的頻率范圍為24.25～52.6 GHz，也稱(chēng)為5G毫米波頻段（mmWave）。其中，6 GHz以下頻段的特點(diǎn)是：低頻段穿透力強(qiáng)，覆蓋范圍廣，產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)成熟，是全球主流運(yùn)營(yíng)商5G的首發(fā)頻段。5G低端頻譜有2個(gè)來(lái)源，一是對(duì)現(xiàn)有頻譜的重耕，如2G/3G/4G時(shí)代正在使用的700、800、900 MHz和1.8、2.1 GHz等原有頻段；二是新增頻譜：如3 300～4 200 MHz以及5 GHz頻段WLAN非授權(quán)頻譜的應(yīng)用（LAA）等。國(guó)內(nèi)已將3 400～3 600 MHz頻段分配給了中國(guó)聯(lián)通/中國(guó)電信作為5G試商用頻段，中國(guó)移動(dòng)獲得了 2 515～2 675 MHz、4 800～4 900 MHz頻段的共260 MHz帶寬的5G試驗(yàn)頻率資源，其中2 515～2 575、2 635～2 675和 4 800～4 900 MHz頻段為新增頻段，2 575～2 635 MHz頻段為重耕中國(guó)移動(dòng)現(xiàn)有的TD-LTE（4G）頻段。而對(duì)于6 GHz以上的頻段，考慮到高頻段的衰減特性，主要是希望能夠滿(mǎn)足熱點(diǎn)區(qū)域極高的用戶(hù)體驗(yàn)速率和系統(tǒng)容量需求，現(xiàn)階段國(guó)際產(chǎn)業(yè)鏈及運(yùn)營(yíng)商當(dāng)前重點(diǎn)關(guān)注的是24.5～27.5、31.8～33.4及37～43.5 GHz。

圖1示出的是5G毫米波頻段。

為了達(dá)到5G宣傳的百倍4G速率的帶寬能力，考慮到Sub-6 GHz頻段的稀缺性，只有指望毫米波，毫米波頻段資源豐富，是未來(lái)通信技術(shù)發(fā)展的重要方向。全球主要國(guó)家和地區(qū)均對(duì)毫米波頻譜資源做了戰(zhàn)略規(guī)劃，其中美國(guó)于2018年11月15日開(kāi)始進(jìn)行28 GHz的頻譜拍賣(mài)，并在2018年底之前進(jìn)行24 GHz的頻譜拍賣(mài)。目前對(duì)毫米波的規(guī)劃總量達(dá)到13 GHz，包含了27.5～28.35、37～40 GHz的毫米波頻段；韓國(guó)于2019年6月完成了5G頻譜拍賣(mài)，除了完成3.5 GHz的拍賣(mài)外也完成全球首個(gè)28 GHz頻段的頻譜拍賣(mài)。其中SK電信獲得了 28.1～28.9 GHz頻段，KT 獲得了 26.5～27.3 GHz頻段，LG Uplus獲得了27.3～28.1 GHz頻段。我國(guó)工信部批復(fù)了24.75～27.5 GHz及37～42.5 GHz為我國(guó)毫米波的主力試驗(yàn)研發(fā)頻段。我國(guó)工信部還在5G第2階段試驗(yàn)開(kāi)展了高頻系統(tǒng)測(cè)試，各個(gè)設(shè)備商都參與其中，主要測(cè)試頻段集中在26 GHz頻段。

圖2示出的是全球毫米波頻段使用情況。

從技術(shù)角度來(lái)看，毫米波使用的頻段比較干凈，能夠同時(shí)使用1 GHz以上的頻段作為空口傳輸，傳輸質(zhì)量高，可支持的帶寬容量巨大；同時(shí)波束很窄，抗干擾性能強(qiáng)；適合密集部署，頻譜授權(quán)費(fèi)用極低，部分地區(qū)甚至免費(fèi)，有利于電信運(yùn)營(yíng)商部署商業(yè)化業(yè)務(wù)。但是，由于頻譜太高，路徑損耗大，不適合遠(yuǎn)程通信，受空氣和雨水影響較大，易受阻擋，繞射能力差，非視距（NLOS）受限，因此業(yè)界主要觀點(diǎn)都認(rèn)為5G毫米波將主要應(yīng)用于近距離傳輸，以其大帶寬特性滿(mǎn)足熱點(diǎn)高容量和室內(nèi)覆蓋需求，如固定無(wú)線(xiàn)接入（最后1 km）、熱點(diǎn)地區(qū)的擴(kuò)容等場(chǎng)景。

圖1 5G毫米波頻段

圖2 全球毫米波頻段使用情況

從工藝來(lái)看，由于頻段高、帶寬大、路損大、器件口徑小等特性，5G毫米波對(duì)射頻前端器件的工藝和材料、終端的功耗和散熱、毫米波終端測(cè)試、成本都有著相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，毫米波對(duì)芯片及終端帶來(lái)的挑戰(zhàn)主要來(lái)自于基帶及射頻（含天線(xiàn)）2部分。

對(duì)于基帶來(lái)說(shuō)，其難點(diǎn)主要源于毫米波的超高帶寬設(shè)計(jì)需求，其對(duì)硬件處理能力、功耗及電源管理提出了更高的要求；同時(shí)毫米波更多的難點(diǎn)在于終端的射頻及天線(xiàn)，包括射頻器件工藝的選擇、射頻器件及天線(xiàn)的高度集成化、高頻陣列天線(xiàn)的設(shè)計(jì)及功耗提升等；對(duì)射頻前端器件的工藝和材料要求較高，成本較高，國(guó)內(nèi)高頻器件發(fā)展仍處于初步階段，目前5G毫米波大規(guī)模商用仍需一定時(shí)間及技術(shù)積累，用于民用移動(dòng)通信還需考慮規(guī)模化量產(chǎn)和低成本等問(wèn)題。

表1示出的是5G器件工藝要求。

表1 5G器件工藝要求

由于工藝、成本和技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)的毫米波產(chǎn)業(yè)鏈才剛剛起步，國(guó)際上主要是高通和三星正在積極布局，高通于2018年7月23日宣布推出全球首款面向智能手機(jī)和其他移動(dòng)終端的全集成5G NR毫米波射頻模組，名稱(chēng)為QTM052毫米波天線(xiàn)模組。高通目前Sub-6 GHz頻段和毫米波射頻模組分為2套系統(tǒng)來(lái)做。三星推出了針對(duì)5G固定無(wú)線(xiàn)接入（FWA）的端到端商用解決方案，并成為了Verizon的FWA設(shè)備提供商。

2 毫米波在國(guó)內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景分析

從以上分析可以看出，5G毫米波的主要應(yīng)用場(chǎng)景還是在特定區(qū)域的家庭寬帶補(bǔ)充和熱點(diǎn)區(qū)域容量覆蓋。

a）固定無(wú)線(xiàn)接入：家庭寬帶占據(jù)運(yùn)營(yíng)商收入體系的重要份額，是全業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)的重要資源，也是獲取用戶(hù)生活場(chǎng)景中大量短距離連接的重要入口。光纖部署的最后1 km是寬帶競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)，5G FWA將提供一種新型無(wú)線(xiàn)寬帶接入方式。北美的兩大電信運(yùn)營(yíng)商AT&T和Verizon都把5G毫米波優(yōu)先用在了家庭寬帶領(lǐng)域。

b）熱點(diǎn)高流量區(qū)域容量覆蓋：在4G時(shí)代，隨著視頻直播等業(yè)務(wù)的發(fā)展，移動(dòng)流量業(yè)務(wù)激增，熱點(diǎn)地區(qū)的擴(kuò)容已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)商迫切的需求；5G時(shí)代將面臨海量連接和超高速率的需求，毫米波技術(shù)將是熱點(diǎn)地區(qū)擴(kuò)容的重要發(fā)展方向。

雖然北美電信運(yùn)營(yíng)商推出了5G home等基于5G毫米波的家庭寬帶業(yè)務(wù)，但是國(guó)內(nèi)情況和北美的情況差距較大，首先從居住環(huán)境上，北美絕大多數(shù)家庭住宅區(qū)域是以house為主，人口密度低，可視距離內(nèi)干擾物少，同時(shí)管道施工成本高、時(shí)間長(zhǎng)，最后北美很多區(qū)域還是以cable和銅線(xiàn)接入為主，缺少光纖覆蓋基礎(chǔ)；而國(guó)內(nèi)情況確實(shí)截然相反，以高人口密度的高塔樓房為主，單位面積內(nèi)的用戶(hù)人群是北美的數(shù)十倍，同時(shí)鋼筋水泥環(huán)境，3.5 GHz為主的5G Sub-6 GHz頻段的室內(nèi)覆蓋都是一個(gè)大問(wèn)題，更不要提毫米波了；最后，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)已經(jīng)步入了光纖時(shí)代，預(yù)計(jì)2019年6月，寬帶接入端口數(shù)達(dá)到8.3億個(gè)，覆蓋全國(guó)96%以上的行政村，光纖端口占比提升至86.3%，因此國(guó)內(nèi)的5G毫米波家庭寬帶市場(chǎng)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

a）建設(shè)成本對(duì)比：FTTH的建設(shè)成本主要包含了接入網(wǎng)OLT部署、ODN鋪設(shè)和光貓采購(gòu)成本；而5G毫米波的FWA由于無(wú)法和Sub-6 GHz頻段無(wú)線(xiàn)網(wǎng)共用，因此需要新加毫米波基站及配套電源、傳輸?shù)仍O(shè)備，以及用戶(hù)家中的毫米波CPE，初步估計(jì)兩者的建設(shè)成本對(duì)比如表2所示。

表2 建設(shè)成本對(duì)比

b）帶寬對(duì)比：雖然5G號(hào)稱(chēng)是4G速度的百倍，按照FDD LTE平均容量計(jì)算，約為300 Mbit/s，基本預(yù)估5G毫米波的單站點(diǎn)速率可能達(dá)到30 Gbit/s，如果按照單小區(qū)的覆蓋用戶(hù)為300戶(hù)，考慮到并發(fā)效率為20%，基本可保障速率最高可達(dá)500 Mbit/s，但是由于無(wú)線(xiàn)干擾、覆蓋等問(wèn)題，面向用戶(hù)的簽約速率可能只以300 Mbit/s為主；但是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)三大電信運(yùn)營(yíng)商的家庭寬帶基本上以百兆起步，部分一二線(xiàn)城市普遍達(dá)到了200 Mbit/s，按照國(guó)家和工信部要求，未來(lái)1～2年，部分城市已經(jīng)提出了全面千兆的口號(hào)，因此在帶寬上，5G FWA相比FTTH差距巨大。

c）資費(fèi)對(duì)比：眾所周知，由于無(wú)線(xiàn)頻譜的稀缺性，無(wú)線(xiàn)寬帶的計(jì)價(jià)模式都是以流量為主，甚至有達(dá)到流量上限后自動(dòng)降速的策略，雖然現(xiàn)階段還無(wú)法得知準(zhǔn)確的5G流量套餐價(jià)格，但是以4G時(shí)代不限量套餐作為參考，基本上是在100元左右；而查看三大電信運(yùn)營(yíng)商的家庭寬帶資費(fèi)，大多數(shù)ARPU值在45元左右，且基本上是100 Mbit/s不限流量，因此5G FWA的資費(fèi)相比FTTH也無(wú)任何優(yōu)勢(shì)。

d）運(yùn)維難度對(duì)比：5G FWA由于沒(méi)有ODN資源限制，其業(yè)務(wù)使用體驗(yàn)可以保障，且后期故障點(diǎn)少、維護(hù)成本非常?。坏?，由于中國(guó)政府規(guī)定，固定寬帶的簽約速率必須是可以重復(fù)測(cè)量并且測(cè)速不能小于簽約速率的90%，因此對(duì)于無(wú)線(xiàn)接入的5G FWA來(lái)說(shuō)，如何保障所有用戶(hù)的接入速率將是重大難題之一。

而對(duì)于日韓電信運(yùn)營(yíng)商推動(dòng)的5G毫米波的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，在特定場(chǎng)景下提供大容量覆蓋和融合場(chǎng)景應(yīng)用，5G FWA卻有一定的優(yōu)勢(shì)。

a）快速部署且成本較低：通過(guò)在火車(chē)站、體育館等部署多個(gè)5G毫米波CPE，將無(wú)線(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)化成Wi-Fi信號(hào)，為高密度人群提供高速寬帶接入服務(wù)，將可能是未來(lái)5G FWA的重要部署場(chǎng)景之一；對(duì)于這些高密度人群的特定區(qū)域，考慮到場(chǎng)館已經(jīng)建成，新入和擴(kuò)容成本高，在場(chǎng)館周?chē)渴?G FWA基站，場(chǎng)館內(nèi)部部署5G FWA CPE，能夠快速實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容能力。

b）5G特性能夠帶來(lái)創(chuàng)新業(yè)務(wù)：雖然5G FWA是以高帶寬為主，但是不可否認(rèn)5G FWA也能夠具備5G的mMTC、uRLLC等特性，可以根據(jù)用戶(hù)需要，將其中2點(diǎn)甚至3點(diǎn)組合到一起帶來(lái)創(chuàng)新業(yè)務(wù)，如NTT DOCOMO就考慮用5G FWA支持車(chē)聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，即考慮的是eMBB+uRLLC。

c）特定業(yè)務(wù)分流將是趨勢(shì)之一：5G時(shí)代8K、VR/AR等新視頻業(yè)務(wù)將是流量大戶(hù)，雖然3.5 GHz是后期5G部署重點(diǎn)，但是考慮到只有100 MHz頻寬，其系統(tǒng)總?cè)萘繉o(wú)法承擔(dān)特定區(qū)域的熱點(diǎn)事件，如演唱會(huì)高清甚至VR直播等，因此使用5G FWA能夠?yàn)橹飨到y(tǒng)提升更大的容量。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著5G標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，系統(tǒng)廠商、電信運(yùn)營(yíng)商、芯片廠商等產(chǎn)業(yè)鏈所有參與者都在為5G規(guī)模商用努力，5G毫米波作為5G的一部分，自然也是產(chǎn)業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域之一，國(guó)外的部分電信運(yùn)營(yíng)商也做了很多的嘗試。本文分析了5G毫米波的技術(shù)背景和前期產(chǎn)業(yè)鏈情況，同時(shí)分析了國(guó)內(nèi)家庭寬帶領(lǐng)域現(xiàn)狀，對(duì)比了傳統(tǒng)的FTTH和FWA的優(yōu)劣勢(shì)，最后建議5G FWA初期應(yīng)該重點(diǎn)發(fā)展企業(yè)客戶(hù)。