第五代移动通讯体系 （5th generation mobile networks，简称5G）离正式商用（2020年）越来越挨近，这些日子华为、三星等各大厂商也纷繁发布了自己的解决方案，可谓“八仙过海，各显神通”。
5G的一个要害目标是传输速率：依照通讯职业的预期，5G应当完成比4G快十倍以上的传输速率，即5G的传输速率可完成1Gb/s。这就意味着用5G传输一部1GB巨细的高清电影仅仅需求10秒！别的如此高的传输速度也会带来一些其他的运用，比方云端游戏（游戏在云端服务器履行，直把履行画面传回手机，这样手机装备不高也能玩大型游戏），虚拟现实（同理把运算放到云端，手机端只担任输出画面）等等。
5G怎么完成如此高的传输速率呢？
无线传输添加传输速率大体上有两种办法，其一是添加频谱运用率，其二是添加频谱带宽。在无线传输中，数据以码元（symbol）的办法传送。在码元传送速率（码率）不变的状况下，信号占用的无线带宽不变，而每个码元传送的信息数据量是由调制办法决议的。
调制办法是指怎么用信号传递信息。
在古代，人们用烽烟台传递信息，有状况的时分点着烽烟，每有状况的时分平息烽烟。从现代通讯理论来说，便是咱们调制了烽烟。因为一般的烽烟总共只需两种状况（点着和平息），因而烽烟台一次只能传递1比特的信息（0=平息=没有敌人，1=点着=有敌人）。烽烟台能不能改进一下来一次传递更多信息呢？咱们能够经过引进更多状况来完成这一点。例如，改进的烽烟台里边咱们能够操控烽烟的火势，将火势分为平息、小火、中火和大火四种状况，这样咱们就能够一次传递两比特的信息（00=平息=没有敌人，01=小火=有敌人且离咱们很远，10=中火=有敌人且离咱们不远，11=大火=有敌人且现已十万火急）。
可是，不能一举两得的是，引进更多状况的一起也会添加信息传递犯错的或许。假如气候欠好的时分或许会把中火当作小火，这样信息的传递就犯错了。相对地，假如只需两种状况（平息和点着），则犯错的几率比较小。
无线通讯中的调制也是这个道理，经过操作无线电波的起伏和相位能够发生载波的不同状况。当调制办法由简略变到杂乱时，载波状况数量添加，一个码元所代表的信息量（比特数）也添加。
但另一方面每个码元状况之间的间隔也变小，因而简略遭到噪声搅扰使得码元违背本来应该在的方位然后构成解码犯错。所以杂乱调制对信道的要求比较高，在信道噪声很大的状况下运用杂乱调制会导致数据传输误码率很高，并且解码所需求的电路也会十分杂乱，导致功耗很大。
由简略（左）到杂乱（右）调制的状况图
相对于进步频谱运用率，添加频谱带宽的办法显得更简略直接。在频谱运用率不变的状况下，可用带宽翻倍则能够完成的数据传输速率也翻倍。但问题是，现在常用的5GHz以下的频段现已十分拥堵，到哪里去找新的频谱资源呢？各大厂商不谋而合想到的办法便是运用毫米波技能。
毫米波是什么？毫米波的特色？
毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波，其频率大约在30GHz~300GHz之间。
依据通讯原理，无线通讯的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右，因而载波频率越高，可完成的信号带宽也越大。在毫米波频段中，28GHz频段和60GHz频段是最有期望运用在5G的两个频段。28GHz频段的可用频谱带宽可达1GHz，而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则到了2GHz（整个9GHz的可用频谱分成了四个信道）。
比较而言，4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下，而可用频谱带宽只需100MHz。因而，假如运用毫米波频段，频谱带宽轻轻松松就翻了10倍，传输速率也可得到巨大提高。5G年代，咱们能够运用毫米波频段轻轻松松用手机5G在线看蓝光质量的电影，只需你不怕流量用完！
各个频段可用频谱带宽比较
毫米波频段的另一个特性是在空气中衰减较大，且绕射才干较弱。换句话说，用毫米波完成信号穿墙基本是不或许。可是，毫米波在空气中传输衰减大也能够被咱们所运用，所谓”It‘s not a bug，it’s a feature！”：你手机运用的毫米波信号衰减的确比较大，可是同样地其他终端发射出的毫米波信号（对你而言是搅扰信号）的衰减也很大，所以毫米波体系在规划的时分不必特别考虑怎么处理搅扰信号，只需不同的终端之间不要靠得太近就能够。挑选60GHz更是把这一点运用到了极致，因为60GHz正好是氧气的共振频率，因而60GHz的电磁波信号在空气中衰减十分快，然后能够完全避免不同终端之间的搅扰。
当然，毫米波在空气中衰减十分大这一特色也注定了毫米波技能不太合适运用在室外手机终端和基站间隔很远的场合。各大厂商对5G频段运用的规划是在户外开阔地带运用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率，而在室内则运用微型基站加上毫米波技能完成超高速数据传输。
毫米波有必要合作微型基站（或接入点）运用
毫米波比较于传统6GHz以下频段还有一个特色便是天线的物理尺度能够比较小。这是因为天线的物理尺度正比于波段的波长，而毫米波波段的波久远小于传统6GHz以下频段，相应的天线尺度也比较小。因而咱们能够方便地在移动设备上装备毫米波的天线阵列，然后完成各种MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，指在发射端和接纳端别离运用多个发射天线和接纳天线，使信号经过发射端与接纳端的多个天线传送和接纳，然后改进通讯质量）技能，包含波束成型（有关波束成型，咱们会在下一篇文章里边具体介绍）。
毫米波收发机芯片怎么完成
N%&&&&&%T研制的毫米波收发机架构图
商用的毫米波收发机芯片会运用CMOS（CMOS=complementary metal-oxide-semiconductor，指用半导体-氧化层-金属堆叠构成半导体器材的工艺，是最常用的%&&&&&%制作工艺）工艺，这一方面为了能够和数字模块集成，另一方面为了节约本钱。
毫米波收发机芯片的结构和传统频段收发机很相似，可是毫米波收发机有着共同的规划应战。
其一是怎么操控功耗。毫米波收发机要求CMOS器材能作业在毫米波频段，所以要求CMOS器材对信号的灵敏度很高。咱们能够参照日常日子中的水龙头来阐明这个问题。
咱们一定都常常有开关水龙头的经历，许多水龙头在关着时，需求拧许多下才会出来一点点水，然后跟着水流越来越大，只需多拧一点点水流就会变大许多。在这里，手拧龙头的动作便是鼓励信号，而对应的水流改变便是输出呼应。CMOS器材本质上和水龙头很像，都是经过操控端（即CMOS的栅极）调整输出流量（对水龙头是水流，对CMOS则是输出电流）。
因而，假如需求CMOS器材对弱小的毫米波信号能快速呼应，有必要把它的直流电流调到很大（相当于把水龙头设置在水流很大的状况）。这样一来，CMOS电路就需求很大的功耗才干处理毫米波信号。
另一个毫米波芯片有必要考虑的问题是传输线效应。
信任咱们还记得高中物理里边的受力剖析，（下图左）剖析一根停止绳子的受力状况（静力剖析）是很简略的，绳子的弹力即等于人对绳子的拉力，并且每一点都相同，这样的问题在高中物理考试里边归于送分题。但假如不是停止地拉绳子，而是用手挥动绳子呢（下图右）？这时在绳子上发生了一列机械波，每一点的受力状况都不相同，并且受力的改变不只取决于手挥动绳子手的施力还取决于绳子的原料（决议了波长）。这时分剖析受力就比较困难，归于高中物理比赛等级的标题。
毫米波电路规划也会遇到相似的应战。咱们能够把电路中的导线类比成绳子，而把电路中的信号源类比为对绳施力的人。当信号改变的频率很慢的时分，就近似地等于静力剖析，此刻导线上每一点的信号都近似地等于信号源的信号。当信号改变很快时，因为信号的波长挨近或小于导线的长度，咱们有必要细心考虑导线上每一点的状况，并且导线的性质（特征阻抗）会极大地影响信号的传达。
这种效应在电磁学中被称为“传输线效应”，在规划毫米波芯片时有必要细心考虑传输线效应才干保证芯片正常作业。
不过，虽然规划充溢应战，毫米波芯片大规模商用化现在已现曙光。Broadcom现已推出了60GHz的收发机芯片（BCM20138），该产品首要针对60GHz频段的WiFi规范（802.11.ad），也能够看作是为5G毫米波芯片解决方案投石问路。Qualcomm也于两年前不甘落后收买了专心于毫米波技能的Wilocity。一起，三星，华为海思等重量级选手也在赶紧研制毫米波芯片。信任在近期咱们就会看到毫米波射频芯片商场变得热闹非凡。
Wilocity推出的60GHz芯片
结语
毫米波技能能够经过提高频谱带宽来完成超高速无线数据传达，然后成为5G通讯技能中的要害之一。毫米波芯片规划有必要战胜功耗和电磁规划两大难关，当这两个问题解决后大规模商用仅仅时间问题。
