跟着国际规范化安排着手界说下一代无线网络，5G的愿景正在迫使研讨人员改动他们的考虑方法。添加4G网络的频谱功率并不足以供给三个高档5G用例所需的数据速率、推迟和容量（图1），这三个用例由3GPP界说，期望未来能够供给无处不在的瞬间移动宽带数据。
图1. 这三个5G用例是由3GPP和IMT-2020界说的。
增强型移动宽带(eMBB)用例由IMT-2020界说，该用例想象了一个超越10Gbps的峰值数据速率，是4G网络的100倍。经实践证明，数据速率与可用频谱直接相关，而依据香农定理，容量是带宽（即频谱）和信道噪声的函数。低于6GHz的频谱现已分配殆尽，而6GHz以上的频谱，特别是毫米波频率现已成为一个十分有远景的代替计划来完成eMBB用例。可是，哪些毫米波频率会被选用呢？
频谱选项
国际电信联盟(ITU)和3GPP在关于5G规范两个研讨阶段的计划上现已达成了共同。第一阶段首要研讨低于40GHz的频率，致力于在2018年9月之前处理一些更急迫的商业需求；第二阶段从2018年开端，到2019年12月，致力于处理IMT-2020提出的要害绩效目标。第二阶段的焦点是高达100GHz的频率。
为了在毫米波频率规范化上达成全球共同，ITU在上一年11月举办的国际无线电通讯大会(WRC-15)上发布了一个拟定的24GHz~86GHz范围内的全球可行频率列表，如表1所示。国际电联发布该提案不久，美国联邦通讯委员会(FCC)于2015年10月21日发布了一条规矩拟定主张告诉(NPRM)，引荐了28GHz、37GHz、39GHz和64-71GHz频段的新灵敏服务规矩（如图2所示）。
图2. FCC提议用于移动通讯的毫米波频段。
虽然ITU、3GPP等规范安排将2020年定为对5G规范进行界说的终究期限，但移动运营商正在加速5G服务的时刻发展。在美国，Verizon和AT＆T计划在2017年对5G的前期版别进行测验。韩国打算在2018年的冬奥会上进行5G实验，而日本则想要在2020年的东京奥运会上展现5G技能。经过各方安排的尽力和推进，现在最有或许用于5G的候选频率包含：28GHz、39GHz和73GHz。
这三个频段的提出有以下几个原因。首要，60GHz的频率由于氧吸收的原因会发生大约20dB/km的衰减，与60GHz不同的是，这些频率的氧吸收率低得多。这使其有或许适用于长间隔通讯。这些频率在多径环境下也能牢靠运转，可用于非视距(NLoS)通讯。经过将波束赋形和波束盯梢与高度定向天线结合，毫米波能够供给牢靠且十分安全的链路。纽约大学工程学院的Ted Rappaport博士和他的学生现已开端了28GHz、39GHz和73GHz信道特性和潜在功能的研讨。他们现已宣告了多篇关于传达丈量的论文以及这些频率的或许服务中止研讨。这些频率的数据和研讨结合全球频谱的可用性，使这三个频率成为毫米波原型验证的起点。
服务供给商都巴望取得这些许多未分配的毫米波频谱，他们是决议5G运用哪些频率的要害力气。在日本，NTT DoCoMo与诺基亚、三星、爱立信、华为和富士通协作，对28GHz以及其它频率进行现场测验。2015年2月，三星进行了信道丈量，并证明了28GHz是蜂窝通讯的一个可行频率。这些丈量验证了城市环境中的预期途径衰减：非视距链路的途径衰减指数是3.53。三星标明，该数据标明毫米波通讯链路能够支撑超越200米的间隔。其研讨还包含相控阵天线方面的作业。三星现已开端对或许合适手机相控阵列的规划进行特性剖析。
2015年9月，Verizon公司宣告将在2016年与三星等重要协作伙伴展开现场实验。2015年11月，高通运用128根天线在28GHz频率下进行实验，演示密布城市环境下的毫米波技能。它展现了定向波束赋形在非视距通讯中的运用。跟着FCC宣告28GHz可用于移动通讯，估计美国将进行更深化的实验和现场实验。Verizon公司还与XO CommunicaTIons签订了28GHz频谱租借协议，可在2018年年末前购买该频谱。
可是请留意，28GHz频带并不包含在国际电联的全球可行频率列表中。它是否将成为5G毫米波运用的长时刻频率挑选仍有待确认。不管全球规范怎样拟定，美国、韩国、日本的频谱可用性，以及美国服务供给商对前期现场实验的许诺有或许将28GHz引进到美国移动技能中。在规范安排终究确认5G规范之前，韩国期望在2018年冬奥会上展现5G技能的希望也将会推进28GHz运用到消费产品中。事实上，该频率并没有由于不在国际移动通讯(IMT)频谱名单上而被忽视，反而引起了FCC的留意。
2016年7月14日，整体委员共同投票拥护敞开近11GHz高频频谱用于灵敏、移动和固定无线宽带的规矩，其间包含3.85GHz需答应的频谱和7GHz免答应频谱。这些规矩还在28GHz (27.5-28.35GHz)、37GHz (37-38.6GHz)和39GHz (38.6-40GHz)频段，以及一个新的免答应频段64-71GHz推出一项新的超高微波灵敏运用（Upper Microwave Flexible Use）服务。
虽然28GHz或许不会在全球范围内用于移动通讯，但美国正在积极地朝这个方向行进。
原型验证推进毫米波研讨的发展
虽然5G广泛选用28GHz频率或许还需求很长的时刻，但就现在来说，该频率显着十分重要。曩昔几年的移动通讯首要专心于73GHz（E频段）。诺基亚运用纽约大学在73GHz下的信道丈量成果，开端其对该频率的研讨。在2014年NI公司的年度用户大会NIWeek上，诺基亚运用NI原型硬件演示了第一个在73GHz下作业的无线demo。该公司将继续改善这个原型，并向大众展现这些最新的成果。在2015年国际移动通讯大会(MWC)上，该原型体系运用透镜天线和波束盯梢，完成了超越2Gbps数据吞吐量。诺基亚在2015年布鲁克林5G峰会上展现了该体系的MIMO版别，其运转速率超越10Gbps，并且在之后不到一年的时刻里，诺基亚又在2016年的MWC展现了一个超越14Gbps的双向无线链路。诺基亚并不是仅有一家在MWC2016上展现73GHz demo的公司，华为也展现了一个与德国电信协作开发的73GHz作业原型。该demo选用多用户MIMO机制，展现了高频谱运用率以及可为个人用户供给超越20Gbps吞吐量的潜力。
未来几年预期会有更多关于73GHz的研讨。该频率不同于28GHz和39GHz的一个重要特性是可用的接连带宽很高（大于2GHz），这是现在提出的最宽的频谱。经过比较，28GHz供给了850MHz的带宽，在美国，39GHz邻近的两个频带供给了1.6GHz和1.4GHz带宽。咱们前面说过，更高的带宽意味着更高的数据吞吐量，这使得73GHz在这一方面比其他频率更有优势。
39GHz频带正在研讨傍边，但没有得到大众的许多支撑和重视。可是，该频段具有的部分特性使其或许成为一个折中的挑选来取得广泛运用。FCC提议将39GHz作为或许的移动频率。Verizon公司在专心于2017年的28GHz初次现场实验的一起，现现已过其与XO CommunicaTIons的事务联系开端研讨39GHz，XO CommunicaTIons现已具有39GHz的实质答应证。可是，大众对28GHz和73GHz的支撑和研讨显着比对其它频率的更为显着。
为了运用毫米波来完成5G网络，研讨人员有必要开发新的技能、算法和通讯协议，由于毫米波信道的根本性质与当时的蜂窝形式天壤之别，并且是相对不知道的。树立毫米波原型的重要性再怎样着重都不过火，尤其是在时刻如此急迫的情况下。树立毫米波体系原型可经过某种方法展现某个技能或概念的可行性，这是经过仿真无法完成的（如图3所示）。毫米波原型可在各种场景下经过无线方法进行实时通讯，这揭开了毫米波信道的实质，为立异、技能的选用和遍及供给了或许性。
图3. NI mmWave收发仪体系供给了一组可装备的毫米波原型硬件以及一个包含源代码的毫米波物理层。
应战
毫米波用于移动通讯给工程师带来了许多应战，包含商用现成硅芯片的可用性、模仿组件以及其它用于开发体系的元素构建块。这阻止了该技能的商业化。想象一个能够处理多千兆赫兹信号的基带子体系。当今大多数的LTE计划一般运用10MHz的信道（最大20MHz），并且核算负荷跟着带宽的添加而线性添加。换句话说，核算才干有必要以100倍乃至更多的倍数添加才干处理5G数据速率需求。假如要履行基础设施的毫米波体系物理层核算，FPGA将是开发实时原型的要害技能。究竟,推进毫米波技能发展的驱动力是许多接连带宽。
除了FPGA板卡，毫米波原型体系还需求最先进的DAC和ADC来捕获高达2GHz的接连带宽。现在市场上的一些射频%&&&&&%包含了可将基带和毫米波频率彼此转化的芯片，但挑选十分有限，并且大部分掩盖免答应的60GHz频带。工程师们能够运用IF和RF级来代替RFIC。开宣布基带和IF处理计划后，工程师能够挑选由供给商供给的毫米波射频头，而不需求自己开发RF%&&&&&%，但这样的产品依然不是许多。开发毫米波射频头需求射频和微波规划的专业知识。这与开发FPGA板卡彻底不同，由于开发一切必需的硬件需求一个具有不同专业知识的团队。在开发毫米波基带原型体系时，FPGA有必要作为中心组件进行考虑，并且给能够处理数千兆赫兹信道的多FPGA体系编程会添加体系复杂性。
毫米波势在必行
虽然5G的未来尚不明亮，但毫米波无疑将成为界说5G的要害技能。咱们需求24GHz以上的许多接连带宽才干满意数据吞吐率要求，研讨人员现现已过原型来展现毫米波技能能够供给超越14Gbps的数据速率。虽然全球频谱分配依然存在许多问题，但美国正毫不犹豫地朝着28、37和39GHz方向行进。
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