无线设备和其处理的数据量每年都呈指数递加(53% 复合年增长率[1])。跟着这些设备发生并处理的数据量越来越多，衔接这些设备的无线通讯基础设施也有必要持续开展才干满意需求。如图 1 所示，4G 网络频谱功率的进步现已不足以供给 3GPP[2] 界说的三大高档 5G 用例所需数据速率的阶梯函数了，这些用例旨在供给无处不在的即时移动宽带数据。认识到这一点后，研讨人员开端寻觅更高的频率作为或许的处理方案。前期信道声探作业带来的活跃效果使全球无线规范化安排把要点转移到下一代 5G 无线体系该怎样整合，以及怎样重新的频率和更广的带宽中获益。
1. 界说5G的要害绩效目标
一切用例的规划都旨在使未来的无线规范可以处理现有无线规范不足以应对的新运用，每一个都需求一整套全新的要害绩效（KPI）。IMT 2020 用例界说的增强移动宽带（eMBB）估计最大数据速率可达 10 Gb/s，是 4G 的 100 倍[3]。依据香农定理总结的信道容量与带宽（频谱）和信道噪声的联系[4]，数据速率与可用频谱休戚相关。鉴于小于 6 Ghz 的频谱现已悉数分配，所以超越 6 Ghz 的频谱，特别是在毫米波规模中的频谱就成为应对 eMBB 用例的绝佳挑选。
Figure 1: Three high level 5G use cases as defined by 3GPP and IMT 2020
2. 毫米波：三个频率的故事
为服务客户，全球的服务运营商在频谱上花费了几十亿美元。频谱昂扬的拍卖价格也突显了其商场价值以及这种宝贵资源的稀缺性。开发新的频谱可以让服务运营商包容更多用户，并供给更高功能的移动宽带数据体会。与小于 6Ghz 的频谱比较，毫米波愈加丰厚，需求的答应也更少，也便是说全球的服务运营商都能用上。先进的硅制造工艺大幅下降了毫米波设备的价格，彻底可用于消费电子产品。现在影响毫米波运用的首要问题在于这个频谱的许多方面都没经过研讨，需求回答技能问题。
服务运营商现已开端研讨毫米波技能，以评价适用于移动运用的最佳候选频率。国际电信联盟（ITU）和 3GPP 就 5G 规范研讨的 2 个阶段规划达成了一致。第一个阶段研讨 40 GHz 以下的频率，以满意较为紧迫的商业需求，将于 2018 年 9 月完结。第二个阶段方案从 2018 年开端，到 2019 年 9 月完结，以处理 IMT 2020 概述的 KPPI，该阶段专心于最高 100 Ghz 的频率。
为使毫米波频率完成全球一致规范化，在最近的国际无线电通讯大会 (WRC)[5] 完毕后，ITU 发布了从 24 Ghz 到 86 Ghz 的全球可用频率主张列表：
在 ITU 发布主张后不久，美国联邦通讯委员会（FCC）于 2015 年 10 月 21 日发布了规矩拟定主张告诉（NPRM），主张选用 28 GHz、37 GHz、39 Ghz 和 64-71 Ghz 频段[6]灵敏的新服务规矩。
图 2：合适移动运用的 FCC 主张频段[6]
虽然 ITU、3GPP 和其他规范组织决定将 2020 年作为规则 5G 规范的终究时限，但手机供货商正尽力加速供给 5G 服务的脚步。美国的 Verizon 和 ATT 方案在 2017 年就推出 5G 的前期版别。韩国方案在 2018 年奥运会推出 5G 试用，而日本期望在 2020 年的东京奥运会上展现 5G 技能。经过各集体在各种要素推进下的不断尽力，一些频率现已开端成为 5G 的候选项：28 GHz、39 Ghz 和 72 GHz。
这 3 个频段锋芒毕露是有原因的。首要，与 60 Ghz 会因氧吸收[7]发生约 20 dB/km 损耗不同，如下图所示，这些频段的氧吸收率要低得多，更适用于长间隔通讯。这些频率在多通道环境中也体现杰出，可用于非视距通讯。毫米波将高度定向天线与波束成形和波束追寻相结合，可供给极为安全可靠的链路。纽约大学理工学院的 Ted Rappaport 博士和他的学生现已开端研讨 28GHz、38GHz 和 73Ghz 的通道特性与潜在效能。他们宣告了数篇论文，评论这些频率的传达丈量以及潜在服务中止研讨。经过这些频率的现有数据和研讨加上全球可用频谱，就能从这 3 种频率开端制造毫米波的原型。
图3：毫米波频率的大气吸收率（dB/km）[7]
3. 28 GHz
如上文所述，服务供货商巴望取得还未分配的许多毫米波频谱，它们将成为 毫米波频谱将运用哪些频率的要害影响要素。2015 年 2 月，三星独自进行了信道丈量，发现 28 Ghz 可用于手机通讯。此次丈量证明城市环境的确存在途径损耗（非视距（NLoS）链路的途径损耗指数为 3.53），三星表明该数据阐明毫米波通讯链路可支撑 200 米以上的间隔[8]。他们的研讨还包括相位阵列式天线，并开端打造能使手机选用杂乱的相位阵列式天线的特征规划。在日本，NTT Docomo 与诺基亚、三星、爱立信、华为以及富士通协作，成功进行了 28 Ghz 及其他频率的现场测验。
2015 年 9 月，Verizon 宣告将于 2016 年与包括三星在内的首要协作伙伴在美国进行现场测验。这比到 2020 年完成 5G 规范的期限还提早了 4 年，使 Verizon 成为了 5G 商场的先行者。2015 年 11 月，高通用 128 根天线在 28 Ghz 进行了试验，以展现毫米波技能在密布城市环境中的运用以及怎样将定向波束成形用于非视距通讯。在 FCC 宣告 28 GHz 频谱可用于移动通讯后，估计美国将进行进一步的试验和现场测验。Verizon 还宣告向 XO communicaTIons 租借 28 Ghz 频谱，并具有在 2018 年末买下的购买挑选权。
但值得注意的是，28 Ghz 频段并不在 ITU 全球可用频率列表之中，所以是否能成为 5G 毫米波运用的长时刻频率还未确认。但该频谱已用于美国、韩国和日本，而不管其是否成为全球规范，美国服务供货商都许诺尽早进行现场测验以推进 28 GHz 进入美国移动技能。韩国期望能在 2018 年奥运会上展现 5G 技能， 因而也在规范组织敲定 5G 规范前推进 28 GHz 进入消费产品范畴。该频率不在国际移动通讯（IMT）频谱列表之中的现实并没有被疏忽，几位 FCC 委员都表达了重视。委员 Jessica Rosenworcel 于 2016 年 2 月在华盛顿的讲演中说道：
“从长远来看，我以为美国需求在某些方面独自前行，其间就包括 28Ghz 频段。很惋惜，去年在日内瓦举办的国际无线电大会没有评论这一频段，也未将其列入 5G 频谱研讨列表。但该频段可用于全球移动分配，所以我以为美国应该持续探究这个前沿频谱。韩国和日本现已开端了对该频段的测验，所以咱们不能在这个时分畏缩。咱们有必要靠着自己行进，并在今年末搭建好 28Ghz 频段的结构。”
委员 Michael O’Rielly 乃至撰写了一篇博文向 FCC 表达他对 2015 国际无线电大会（WRC）成果的不满：
“这让我开端考虑 2015 国际无线电大会发生的实际效果以及在未来对 ITU 的效果形成的影响。这些做法很或许会危害 WRC 未来的价值，使 ITU 沦为政府和现有频谱用户的东西，阻止频谱功率和技能进步[9]”
28 GHz 是否会成为广泛选用的 5G 频率还有待调查，但它在现在明显非常重要。
4. 73 GHz
在环绕 28 Ghz 开展作业的一起，E-band 频率在近几年也引起了移动通讯范畴的重视。依据纽约大学对 73 GHz 进行的信道丈量，诺基亚开端研讨这一频率。在 2014 年国家仪器公司的年会 NI 周上，诺基亚运用国家仪器公司的原型硬件展现了首个在 73 Ghz 运转的空中传输运用。该体系还将跟着研讨的进行持续开展，并不断揭露展现新的技能效果。在 2015 全球移动大会上，该原型体系凭仗透镜天线和波束追寻使数据传输速率超越了 2Gbps。2015 年的布鲁克林 5G 峰会展现了该体系的多输入输出（MIMO）版别，运转速率高达 10 Gbps。不到一年，全球移动大会又用该原型展现了运转速率超越 14 Gbps 的双向空中链路。
诺基亚并不是唯一在 MWC 2016 上展现 73 GHz 技能的企业，华为和德国电信也展现了 73Ghz 的原型。该原型选用多用户（MU）MIMO，展现出高频率功率，个别用户的速率有或许超越 20 Gbps。
现已有针对 73 Ghz 的研讨启动了，估计未来 3 年还会更多。73 Ghz 不同于 28 Ghz 和 39 Ghz 的一项底子特征便是支撑接连带宽。73 Ghz 的移动通讯可选用 2 Ghz 的接连带宽，是主张频率频谱中最宽的。比较之下，28 Ghz 供给 850 MHz 带宽，39 GHz 邻近有 2 个频段在美国别离供给 1.6 Ghz 和 1.4 Ghz 的带宽。如之前所述，依据香农定理，更多带宽就等于更多的数据吞吐量，这是 73 Ghz 相对上述其他频率的巨大优势。
5. 38 GHz
虽然现在 38 Ghz 的揭露研讨是最少的，但该频率依然有望进入 5G 规范。ITU 将其列为了全球可用频率，纽约大学也依据现有信道数据证明这是一个可用频率。与 28 Ghz 或 73 Ghz 比较，该频率面对的一大应战便是其现在的运用量较多。FCC 为潜在移动运用提出了主张频谱，以促进美国未来对该频段的研讨。
Verizon 在专心于 2016 年初次 28 Ghz 现场测验的一起，还方案着测验 39 GHz。XO CommunicaTIons 不只具有 28 Ghz 的答应，还具有许多 39 GHz 的答应。该频谱取得了服务供货商对如此巨大的出资，且坐落 IMT 列表，因而必将是 2020 5G 规范的有力抢夺者。
6. mmWave原型验证
为促进毫米波在 5G 范畴的运用，研讨人员有必要开发新的技能、算法和通讯协议，由于毫米波信道的底子特点与现有手机形式不同，因而不知道事宜许多。制造毫米波原型的重要性怎样着重都不为过，特别是在前期阶段。制造毫米波体系原型可证明技能或理念的可行性，而单凭模仿无法做到这一点。运用毫米波原型在各种场景进行实时空中通讯有助于提醒毫米波信道的隐秘，完成技能运用和开展。
制造完好的毫米波通讯原型面对许多应战。假设有一个可以处理多 GHz 信号的基带子体系，现在大都 LTE 履行一般都运用 10 Mhz （最大 20 MHz ）信道，核算负载与带宽成正比。也便是说，核算才干有必要添加 100 倍以上才干满意 5G 的数据速率要求。考虑到毫米波体系的物理层核算，FPGA 对原型制造至关重要。
开发可以验证毫米波运用原型的定制硬件非常困难。毫米波频率如此招引通讯业的原因之一便是大容量的接连带宽。为 5G 运用寻觅 1 到 2 Ghz 带宽的现有硬件发射器或接收器非常贵重，而有的频率底子找不到。即便能找到这样的硬件，其装备和处理原始数据的才干也有限。因而，规划定制 FPGA 处理板卡就成为一个有招引力的挑选。虽然为 FPGA 板规划硬件所需的工程时刻并不多，可是还要开发与其通讯的软件接口，即便是最有经历的工程师也需求在规划流程花上一年乃至更久，而这仅仅原型体系的一个组件。
除了 FPGA 板，毫米波原型体系还需求最先进的数模和模数转化器捕捉 1-2 Ghz 的带宽。现在商场上有部分 RFIC 包括能转化基带和毫米波频率的芯片，但挑选有限，并且大都只能用于 60 Ghz 频段。 IF 和 RF 阶段可替代 RFIC。一旦工程师有了基带和 IF 处理方案，供货商就能为毫米波无线电头供给更多基带 RF%&&&&&% 以外的挑选，但依然非常有限。开发毫米波无线电头需求 RF 和微波规划的专业知识，和开发 FPGA 板所需的技能彻底不同，也便是说整个团队有必要具有开发一切所需硬件的各种技能。有必要将 FPGA 作为毫米波基带原型体系的中心组件，而编写能处理多 Ghz 信道的多 FPGA 体系会添加体系的杂乱度。为处理服务供货商和通讯研讨人员面对的体系杂乱度和软件问题，国家仪器公司供给了一系列可装备的毫米波原型硬件以及毫米波物理层源代码，其间包括毫米波体系基带的底子层面，还将多 FPGA 的数据传输和处理抽象化，然后简化使命。这些东西都旨在将新原型转变为对 5G 技能的开展至关重要的体系和产品。
7. 总结
虽然 5G 未来的详细完成方法没有清晰，但可以必定毫米波必将成为其技能之一。为满意数据吞吐量的要求，有必要选用 24Ghz 以上的大容量接连带宽，而研讨人员现已过原型证明毫米波技能可供给 14Gbps 以上的速率。没有处理的最大问题便是移动通讯要运用哪一个毫米波频率。ITU 或许能协助确认 5G 移动运用的一个频率。现在的手机仅需开发并运用一套硅芯片而不是多套芯片组就能掩盖全球，手机制造商和顾客都能从下降的本钱中获益。可是，重新分配现有频率本钱昂扬。抱负状况是全球都能赞同运用一个频带，但终究或许无法完成。为了赶时刻，各地服务供货商都挑选疏忽 ITU 的主张，选用虽然不能扩展到全球，可是最为便利的频谱。他们还利用了在现场测验和试验中精确制造双向通讯链路原型的才干，这是 5G 开发的要害部分。研讨人员由此得以展现这一新技能，以史无前例的速度推进规范化进程。
虽然依然充溢不知道，但可以必定的是，未来一定会布置毫米波技能，并且会非常快。新一代无线通讯行将到来，全国际都在重视其详细的完成方法。
