相比之前的4G，5G有很多优势，但普通消费者最关心的最重要的恐怕还是突破想象中的传输速率。但是不知道大家有没有想过为什么5G的速度可以提升10倍甚至100倍？其实这涉及到一个关键技术：毫米波。

事实上，IT之家边肖在之前的文章中也提到了毫米波的相关技术，但并未深入讲解。所以今天，边肖不妨带你近距离了解一下毫米波。

一、毫米波到底是什么，为什么这么重要？

正如我们前面所说的，高传输速率是5G的一个关键技术指标。那么如何提高传输速率呢？

首先我们明确，这里的传输速率是单位时间内通过信道的数据量。在通信行业中，有这样一个关于信道传输速率的公式：

n=经常预算/B

在这个公式中，n是带宽利用率，Rb是信道传输速率，b是系统带宽。更改此公式：

Rb=nB

不难看出，传输速率与频带利用率和系统带宽成正相关，频带利用率越高，传输速率越高。系统带宽越高，传输速率越高。这说明为了提高信道传输速率，有两种方法可以提高带宽利用率和系统带宽。

好了，这两个方法建立后，让让我们先把它们放在一边，回顾一下无线通信的一些基本概念，这样我们可以对这两种方法有更深的理解。

所谓无线通信，我们指的是使用无线电磁波进行通信。翻看中学物理课本，还是能找到那张熟悉的图片：

上图是电磁波谱，按照电磁波的频率顺序画出来的。频率是电磁波的重要性。

以前中学物理老师带我们研究可见光部分，而在无线通信领域，主要研究的是图中的绿框部分。

我们知道，无线通信的基本原理是将视听信息转换成包含视听信息的电信号，然后加载高频振荡信号上的电信号比信号频率高得多，然后用发射天线以无线电波的形式向四周发射。

比如整个无线电磁波的频段就像一个路，其中高频振荡波(载波)就像一辆车。

如前所述，频率是电磁波的一个重要特征。不同频率的电磁波有不同的特性，也就是说有不同的用途。因此，我们在路并将它们分配给不同的物体和用途。具体划分比较复杂，所以我们用下表来表示：

过去，移动通信主要走的是从如果到超高频。在这条路上划分各国运营商使用的频段，就是我们所说的频谱划分。比如4G lTE标准中，我们国家主要划分UHF频谱资源。而且有一个趋势：从1G到2G，3G到4G，划分的射频越来越高。其实这是为了满足更高传输速率的需要。

我们讨论过这个路刚才。其中一个载体就像车辆，载体携带信号。通过编码、调制、发送、媒体传输、接收、解码、解码的整个路径就是我们所说的广义的信道，就像汽车从原点到目的地的轨迹，信号在信道中传输。具体的传输方式是以符号的形式。

好，现在让让我们回到前面提到的频带利用率。什么是频段？对于信道，它是允许传输的信号的最高频率和最低频率之间的频率范围。提高频带利用率，简单来说就是单位时间内在信道中引入更多的符号，从而提高速率。

但是，也有一些缺点。到底是怎么回事？简单说一下。信号调制是通过操纵无线电波的幅度和相位来形成不同的载波状态。当调制模式从简单变为多系统时，载波状态的数量增加，这意味着由一个符号表示的信息量增加。随着符号的增加，一个符号所代表的信息量增加，但载波的幅度不变，所以每个符号的状态之间的距离变小，所以容易受到噪声的干扰，使符号偏离原来的位置，造成解码错误，同时功耗也会增加。

从简单调制到复杂调制的状态图

这听起来有点复杂，而且也不没关系。大家只需要知道，其实频段利用率越高越好。于是，人们很自然地把目光转向了另一种更简单粗暴的方法，——，来增加频谱系统的带宽。

但问题是，目前常用的6GHz以下频段已经基本没有更多的资源可用了(在4G时代已经很拥挤了)。5G时代呢？这时，人们想到了过去不太被重视的毫米波频段。

毫米波位于微波和远红外波重叠的波长范围内，但也具有两种光谱特性。

所以在3GPP 38.101协议中，5G NR主要使用两个频率：FR1频段和FR2频段。FR1频段的频率范围为450MHz——6GHz，也称Sub 6GHz频段；FR2频段的频率范围是24.25GHz——52.6GHz，也就是我们所说的毫米波(mmWave)。

回到上表，我们可以看到毫米波的波长在1mm-10mm之间，频率大约在30GHz-300GHz。当然是从3GPP规定的24.25GHz开始，根据

波长=光速/频率

这个公式显示其波长为12.37 mm，也可以称为厘米波。其实这里的定义并不是很严格。

毫米波最大的特点是频率高。但是，并不是30和30-300GHz之间的所有频段都可以随意使用，因为有些频段效率很差，所以目前很难使用。在3GPP协议38.101-2表5.2-1中，为5G NR FR2频带定义了三个频率，它们是：

n257(26.5 GHz ~ 29.5 GHz)；

n258(24.25 GHz ~ 27.5 GHz)；

n260(37 GHz ~ 40g Hz)；

他们都使用TDD系统。美国FCC推荐5G NR使用24-25 GHz(24.25-24.45/24.75-25.25 GHz)、32GHz (31.8-33.4GHz)、42GHz (42-42.5GHz)、48GHz (47.2-50.2GHz)、51GHz (51GHz)例如威瑞森和AT & amp他们还没有将目光投向28GHz和39 GHz频谱的很大一部分。高通在16年推出的第一个5G调制解调器骁龙X50也支持28 GHz频段的5G操作。

让以28GHz和60GHz频段为例。在传播领域有一个原则。无线通信的最大信号带宽是载波频率的5%左右，所以它们对应的频谱带宽分别是1GHz和2GHz，而4G-LTE频段中频率最高的载波在2GHz左右，频谱带宽只有100MHz，毫米波的带宽是4G的10倍。这是一片有待开发的蓝海。

那这就是为什么未来5G信号的传输速率将会大大提高。

除了速度快，毫米波还有很多其他优点。首先，毫米波的波束很窄，同样的天线尺寸比微波更窄，因此指向性好，可以分辨彼此距离较近的小目标，或者更清晰地观察目标的细节。

关于这一点，我们在这里展开，以后再说。

有的同学可能会问，什么是梁？

比如你在黑暗中打开手电筒，被光照亮的区域就像光束一样。因为在空间传播的过程中，无线信号的质量会有所衰减，但它的能量传播还是有方向性的，这就形成了波束。就像手电筒是有照明方向的，光线会在这个方向的两边逐渐散开。在通信领域，开始减小固定功率的两边所形成的角度就是波束的宽度。

波束宽度与天线增益有关。所谓天线增益，简单的理解就是天线把能量集中在某个方向的能力，就像手电筒把灯泡的光集中起来的能力一样。一般天线增益越大，波束越窄，这很好理解。

天线增益与什么有关？答案是波长。天线增益有一个公式：

g代表天线增益，Ae代表天线有效孔径。从这个公式可以看出，波长越短，天线增益越大，波束越窄。毫米波的波长很短，导致其具有窄波特性。

说到天线，顺便说一句，根据通信原理，天线长度与波长成正比，比例约为1/10 ~ 1/4。毫米波的波长在毫米量级，所以对应的天线更短。因此，在手机中使用毫米波技术时，天线尺寸可以更小。

当然，他们之间的具体关系还是很复杂的。边肖只是大致梳理了一下关系，不便继续深入。

毫米波的另一个特点是传输质量高。这主要是因为它的频率很高，所以毫米波通信基本没有干扰源，电磁频谱极其干净，信道非常稳定可靠。

此外，毫米波的安全性也比较高，因为毫米波在大气中传播，会被氧气、湿气、降雨等大量吸收衰减，而且点对点的直达距离很短，超出距离的信号会很弱，增加了被窃听和干扰的难度。只是现在毫米波波束窄，旁瓣低，也很难拦截。

毫米波可以大大提高无线通信的传输速率，足够吸引人，而且它还有这些额外的优势。那么，为什么没有这么多年在手机通讯领域没有商业化吗？这是因为毫米波也有一些天生的缺陷。所谓硬币的两面，有相同的特点，也有相同的优点和缺点。这些缺点使人们看着大海，感叹毫米波的商业应用已经很多年了。

毫米波的主要不足是传输性能差，体现在三个方面：

首先，这些频谱不不要扩散太远。比如全向传输时，这些频谱的能量发散很快，所以很容易减弱，无法传播很远。

二是衍射能力差，容易被建筑物、人体等遮挡、反射和折射。这个很好理解。想一个极端的例子。可见光，其波长比毫米波更短，频率比毫米波更高，使其难以穿过大多数物体；

第三，毫米波还受到许多空间因素的限制，其中一个因素是水分子对这些光谱的吸收程度很高。比如这些光谱下雨的时候，穿过树叶，穿过人体，很快就减弱了。

另一个原因是，过去很难生产能够在毫米波频段工作的亚微米集成电路元件，这需要大量资金，从而阻碍了其商业应用。

二、毫米波很难用，但是有办法控制。

毫米波具有上述缺陷，因此在很长一段时间内难以商业化。但随着通信技术的发展，业界已经有了成熟的控制毫米波的方法。主要有波束形成技术、大规模MIMO(Massive MIMO)天线技术等等。

在这一部分中，我们将介绍克服毫米波缺陷并使其适用于消费场景的技术。

首先是大规模天线技术。我们在解释毫米波束宽的时候说过，毫米波波长很窄。其实毫米波波长短影响天线增益，间接影响接收功率。

上述公式是计算空间自由传播模型(理想传播模型)的接收天线功率的公式。结合前面提到的天线增益计算公式可以看出，当发射端的发射功率和天线增益固定时，接收端的接收功率与天线a的有效口径成正比

所以波长对天线口径大小的影响也会间接影响功率。与以前使用的厘米波甚至更长的波段相比，毫米波的波长更短，信号衰减严重，导致接收天线接收到的信号功率降低。但是，降低接收端的功率显然是不可能的。

在这种情况下，我们可以不要随意加大功率，因为国家对天线功率有限制，而且减少发射天线和接收天线之间的距离是不现实的。毕竟人在拿着手机的时候是处于一个不断运动的状态，所以人们想到了一个解决办法：增加发射天线和接收天线的数量。

大规模MIMO技术就是基于这种思想，而且它还有一个名字，叫做多输入多输出其中多天线发射和多天线接收。

实际上，MIMO技术并不是一项新技术。传统的TDD网络可以实现2天线、4天线甚至8天线的MIMO。但在5G大规模MIMO概念下，天线数量理论上可以是几百个，也可以是几千个。考虑到成本等各种因素，现阶段主要是64/128/256。

在大规模MIMO技术下，主要优势自然是单个天线即使功率很低也能获得很好的信号质量，因为有很多天线同时工作。在波束形成技术(后面会讨论)的支持下，对信号进行增益叠加，以满足系统的功率需求，同时避免了使用大动态范围功放带来的硬件成本。

另一个重要的优点是增加了通信容量。大规模MIMO具有波束空间复用的特点，充分利用空间传播中的多径分量，利用多个数据信道(MIMO子信道)在同一频段传输信号，使容量随着天线数的增加而线性增加。

在大规模MIMO系统中，基站天线的数量增加以形成阵列。除了水平方向，还可以在垂直方向进行波束形成和波束转向，以提高整个空间的覆盖范围。而且通过使用波束形成技术，可以将发射的信号集中在空间的一点，使基站能够准确区分每个用户，从而提高空间分辨能力。

在大规模MIMO技术中，我们反复提到一种技术，即波束形成，可以说是大规模MIMO的基础技术。前面我们提到过，毫米波的波束很窄，在各个方向传输时，会有高达几十dB的信号衰减损耗，导致传播距离有限。

波束形成技术的主要思想是使用一个手集中散射的光束，形成定向发射。具体来说，通过调整每个天线的相位，可以有效地叠加信号，产生更强的信号增益来克服损耗，从而可以在用户处收集发射能量的位置。

这样，有了波束形成技术，isn 指出该打哪里不好吗？

不，不，实际上，这有一个缺点，它不像全向传输。一旦波束方向偏离用户，用户将收不到高质量的无线信号。面对这个问题，除了大规模MIMO，还需要结合波束管理技术来解决。

波束管理技术的具体实现非常复杂，但简单来说就是在大规模MIMO的众多波束中，以最快的速度找到基站和目标用户之间的最佳发射波束和接收波束，从而大大提高波束对准的精度。

这里以高通去年推出的QTM052毫米波天线模块为例，支持大规模MIMO和波束形成技术。在该模块中，高通使用多根天线组成相控天线阵，天线之间的信号可以将信号能量集中在一个方向，通过相互干扰进行传输。同时，他们不再使用全向发射，而是选择定向发射，让能量传输得更远，提高覆盖范围。

在此基础上，高通还采用了波束转向技术和波束跟踪技术，可以更加智能地跟踪传输对象，控制波束方向。

三、毫米波，应用场景比想象的更广。

说了这么多关于

事实上，未来毫米波的应用场景可能超乎想象。首先，毫米波的特性决定了它主要可以应用在高带宽、大容量的场景，面向高频段的eMBB场景，以及人口密度大、对网络容量需求高的热点区域。

首先，毫米波非常适合部署在大型场馆如演唱会、体育馆等人口密集区域，可以带来几千兆的体验，低时延，容量不限。以往在万人体育场观看演出时，手机信号几乎为零、无法上网的情况不会再发生，可以给观众带来独特的个性化体验。

还有这里需要补充一点，毫米波的波长很小，所以天线也可以做得很小。这样，未来5G毫米波部署的时候，在普通宏基站的基础上会部署很多微型基站(也就是小型基站)，你可能会在城市街道、室内角落看到。

这样毫米波可以更好的部署在室内场景，这是它的强项。采用1: 1或部分同址，实现堪比WiFi的上下行覆盖，还可以利用更大的带宽，满足实现千兆中指突发速率的需求。简而言之，就是让你的上网体验更好。

此外，毫米波还可用于固定无线宽带接入业务，满足典型4K和8K电视的传输需求以及郊区居民区的文章需求。典型的场景是在家里买一个CPE设备部署无线网络，然后就可以通过电视联网观看高达8K的超高清文章，当然前提是你有足够的流量。

未来毫米波在车联网领域也会有非常重要的应用。可以为网联汽车通信提供更高的数据传输速率和精度，同时提高雷达运行的分辨率，实现更精准的驾驶安全辅助。

毫米波的另一个重要应用领域是军事。事实上，毫米波目前已经应用于军事领域，其丰富的频率资源不仅是宽带通信的重要手段，也提供了另一种抗干扰和截获的有效途径。然而，这与我们普通消费者相去甚远。

四、毫米波，已经上路了

说了这么多，你对毫米波在未来的应用有期待吗？或者说，越来越期待即将到来的5G时代？

实际上，唐别担心。今年开始，首批5G手机将陆续上市。比如安卓阵营，大部分都会采用高通骁龙855+骁龙X50 5G调制解调器的方案。正如我们之前所说，骁龙X50是首款支持28GHz毫米波频段数据连接的5G调制解调器芯片组。也就是说，高通已经给出了成熟的、商业化的毫米波应用解决方案。当然，在今年的MWC2019期间，高通还发布了第二代5G射频前端解决方案，支持更纤薄、更高效的5G多模移动终端，包括新一代毫米波天线模块QTM525。

相信随着5G商用部署进程的不断推进，未来5G终端将陆续上市，毫米波将切实服务于我们的日常网络需求。甚至，毫米波的超强性能会催生出新鲜的终端设备，给我们过去的生活、娱乐、工作方式带来翻天覆地的变化。这一天，在基础连接技术提供商、运营商、终端厂商的协同努力下，正在一步步走来。

审计福冈江

标签：天线信号技术