分析5G关键的毫米波技术

5G如何实现如此高的传输速率呢？

无线传输增加传输速率大体上有两种方法，其一是增加频谱利用率，其二是增加频谱带宽。在无线传输中，数据以码元（symbol）的形式传送。在码元传送速率（码率）不变的情况下，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方式决定的。

调制方式是指如何用信号传递信息。

无线通讯中的调制通过操纵无线电波的幅度和相位可以产生载波的不同状态。当调制方式由简单变到复杂时，载波状态数量增加，一个码元所代表的信息量（比特数）也增加。

但另一方面每个码元状态之间的间距也变小，因此容易受到噪声干扰使得码元偏离原本应该在的位置从而造成解码出错。所以复杂调制对信道的要求比较高，在信道噪声很大的情况下使用复杂调制会导致数据传输误码率很高，而且解码所需要的电路也会非常复杂，导致功耗很大。

由简单（左）到复杂（右）调制的状态图

相对于提高频谱利用率，增加频谱带宽的方法显得更简单直接。在频谱利用率不变的情况下，可用带宽翻倍则可以实现的数据传输速率也翻倍。但问题是，现在常用的5GHz以下的频段已经非常拥挤，到哪里去找新的频谱资源呢？各大厂商不约而同想到的方法就是使用毫米波技术。

毫米波是什么？其特点有哪些？

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。

根据通信原理，无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右，因此载波频率越高，可实现的信号带宽也越大。在毫米波频段中，28GHz频段和60GHz频段是最有希望使用在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）。

相比而言，4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下，而可用频谱带宽只有100MHz。因此，如果使用毫米波频段，频谱带宽轻轻松松就翻了10倍，传输速率也可得到巨大提升。5G时代，我们可以使用毫米波频段轻轻松松用手机5G在线看蓝光品质的电影，只要你不怕流量用完！

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，且绕射能力较弱。换句话说，用毫米波实现信号穿墙基本是不可能。但是，毫米波在空气中传输衰减大也可以被我们所利用，所谓”It‘s not a bug，it’s a feature！”：你手机使用的毫米波信号衰减确实比较大，但是同样地其他终端发射出的毫米波信号（对你而言是干扰信号）的衰减也很大，所以毫米波系统在设计的时候不用特别考虑如何处理干扰信号，只要不同的终端之间不要靠得太近就可以。选择60GHz更是把这一点利用到了极致，因为60GHz正好是氧气的共振频率，因此60GHz的电磁波信号在空气中衰减非常快，从而可以完全避免不同终端之间的干扰。

当然，毫米波在空气中衰减非常大这一特点也注定了毫米波技术不太适合使用在室外手机终端和基站距离很远的场合。各大厂商对5G频段使用的规划是在户外开阔地带使用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率，而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据传输。

毫米波必须配合微型基站（或接入点）使用

毫米波相比于传统6GHz以下频段还有一个特点就是天线的物理尺寸可以比较小。这是因为天线的物理尺寸正比于波段的波长，而毫米波波段的波长远小于传统6GHz以下频段，相应的天线尺寸也比较小。因此我们可以方便地在移动设备上配备毫米波的天线阵列，从而实现各种MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量）技术，包括波束成型。