5G落地进入爆发期，是时候让毫米波登场了
2021年，全球5G网络建设和发展取得了不俗的成绩。
根据GSA于8月发布的数据，已有70多个国家及地区的超过175家运营商，推出了5G商用服务。还有285家运营商，正在投资部署5G。
中国的5G建设步伐，更是走在了世界的前列。国内5G基站数已经突破百万，达到惊人的115.9万个，占比全球70%以上。也就是说，全球每3个5G基站，就有2个位于中国。
5G基站
5G网络基础设施的不断完善，加速了5G在消费互联网及产业互联网的落地。尤其是垂直行业方面，目前国内已经拥有超过1万个5G应用案例，覆盖了工业制造、能源电力、港口矿山、物流运输等众多领域。
毫无疑问，5G已经成为国内企业数字化转型的利器，也是整个社会数字经济高质量发展的引擎。
然而，就在5G应用加速落地的同时，我们会发现，现有的5G技术，在一些特殊的行业应用场景中，已经开始表现出“力不从心”的状态。速率、容量、时延以及可靠性方面，并不能100%满足场景的需求。
这是为什么呢？难道被人们寄予厚望的5G，还是难当大任？
当然不是。之所以会出现5G“力不从心”的情况，主要原因在于——我们现在只用了“半个5G”。
相信很多人都知道，5G虽然标准是唯一的，但频段却有两种。一种叫Sub-6 GHz频段，频率范围是6GHz以下（准确来说，是7.125GHz以下）。另一种叫毫米波频段，频率范围是24GHz以上。
2个频段的范围对比
我们国内目前只商用了Sub-6 GHz频段的5G，没有商用毫米波频段的5G。所以，5G的全部能量，并没有得到彻底释放。
毫米波的技术优势
Sub-6 GHz频段的5G，和毫米波频段的5G，虽然都是5G，但性能特点差异巨大。
根据中学物理课本上的知识，无线电磁波，频率越高，波长越短，绕射能力越差。而且，频率越高，穿透损耗越大。所以，毫米波频段的5G，覆盖能力明显弱于前者。这是国内没有第一时间商用毫米波的主要原因，也是人们质疑毫米波的理由。
其实，这个问题的深层次逻辑和事实真相，和大家的想象并不太一样。或者说，我们对毫米波，其实存在一些错误的偏见。
首先，从技术的角度来说，我们必须拥有一个共识，那就是——在现有通信基础理论没有革命性变化的前提下，想要进一步显著提升网络的速率带宽，只能在频谱上做文章。
向更高的频段寻求更丰富的频谱资源，是移动通信技术发展的必然选择。现在的毫米波是如此，将来6G可能采用的太赫兹，也是如此。
毫米波频谱示意图
目前，Sub-6 GHz频段最大100MHz的频宽（国外有的地方甚至只有10MHz或20MHz），想要实现5Gbps乃至10Gbps的速率，难度实在太大。
而5G毫米波，频带达到200MHz-800MHz，实现上述目标就变得容易很多。
不久前，2021年8月，高通携手中兴通讯，实现国内首次采用5G SA双连接（NR-DC），基于26GHz毫米波频段的200MHz载波信道以及3.5GHz频段的100MHz带宽，合力实现超过2.43Gbps的单用户下行峰值速率。
两家公司还基于26GHz毫米波频段的四个200MHz载波信道，利用载波聚合技术，实现了超过5Gbps的单用户下行峰值速率。
今年6月，在MWC巴塞罗那展上，高通利用骁龙X65，基于n261毫米波频段的8路聚合（单载波带宽为100MHz）以及n77频段的100MHz带宽，实现了高达10.5Gbps的峰值速率。这是目前业界最快的蜂窝通信速率。
单载波带宽100MHz和200MHz就能达到这样的效果，未来基于单载波400MHz、800MHz，无疑能够实现远超10Gbps的速率！
除了速率的显著提升之外，毫米波的另外一个优势，就是更低的时延。
因为子载波间隔方面的原因，5G毫米波的时延可以做到Sub-6GHz的四分之一。根据测试验证，5G毫米波的空口时延可以做到1ms，往返时延可以做到4ms，表现极为出色。
毫米波的第三个优势，就是体积小巧。
毫米波的波长很短，所以，它的天线非常短。这样一来，毫米波设备的体积就可以进一步缩小，拥有更高的集成度。厂商设计产品的难度有所降低，有利于促进基站和终端的更加小型化。
毫米波天线（黄色颗粒为天线振子）
更加密集的大规模天线阵列，更多的天线振子，对波束赋形的运用也极为有利。毫米波天线的波束可以打得更远，抗干扰能力更强，有利于弥补覆盖劣势。
振子越多，波束越窄，距离越长
毫米波的第四个优势，就是高精度的定位能力。
无线系统的定位能力，和它的波长有密切的关系。波长越短，定位精度越高。
毫米波的定位，可以精确到厘米级甚至更低。这也是为什么现在很多汽车都在采用毫米波雷达的原因。
说完了毫米波的优点，我们再回过头来，说说毫米波的缺点。
任何（通信）技术都有自己的优点和缺点。毫米波的缺点，大家应该都很清楚，就是穿透能力弱，覆盖距离短。
前文中，我们提到，毫米波可以通过波束赋形增强的方式，增强覆盖距离。也就是说，将大量天线的能量都集中到某个方向，从而使信号向特定的方向增强。
现在的毫米波，都采用了高增益定向阵列天线，通过多波束技术，应对移动性挑战。根据实践结果，支持窄波束的模拟波束赋形，可以有效克服24GHz以上频段的显著路径损耗。
高增益定向天线阵列
除了波束赋形之外，毫米波的多波束，还可以更好地实现波束切换、波束导向和波束追踪。
波束切换，是指终端在持续变化的环境中，可以选择更适合的候选波束，进行合理切换，达到更好的信号效果。
波束导向，则是指终端可以改变上行波束方向，以匹配来自gNodeB的入射波束方向。
而波束追踪，是指终端可以区分来自gNodeB的不同波束。波束可以随着终端的移动而移动，从而实现很强的天线增益。
毫米波增强的波束管理能力，可以有效改善信号的可靠性，实现更强的信号增益。
毫米波还可以采用路径分集的方式，通过垂直分集和水平分集，应对阻挡问题。
路径分集的仿真效果演示
在终端侧，通过终端天线分集，也可以提升信号的可靠性，缓解手部阻挡问题，并降低用户随机方位造成的影响。
终端分集的仿真效果演示
综上所述，随着毫米波反射技术和路径分集的深入研究，通过更先进的多波束技术，已经极大地改善了毫米波的覆盖问题，实现了非视距（NLOS）传输。毫米波在技术方面，已经解决了此前的瓶颈，变得越来越成熟，完全可以满足商用需求。
在产业链方面，5G毫米波也远比大家想象中更成熟。
上个月，中国联通研究院无线技术研究中心总监李福昌就明确表示：“目前，毫米波产业链能力已趋于成熟。”
在年初的MWC上海展上，国内运营商也表示：“在频谱、标准和产业的支持下，毫米波已经取得积极的商业化进展，到2022年，5G毫米波将具备规模化的商用能力。”
毫米波的应用场景
说完了毫米波的技术优势，我们再来看看它的具体应用场景。
众所周知，对技术进行运用，最重要的就是“扬长避短”。也就是说，一个技术，要用在最能发挥它优势的场景下。
5G毫米波的优势是速率、容量、时延。所以，它最适合的地方，就是机场、车站、剧院、体育馆等人员密集场所，以及工业制造、远程控制、车联网等对时延非常敏感的垂直行业场景。
从具体的应用领域来说，虚拟现实、高速接入、工业自动化、医疗健康、智能交通等，都是5G毫米波的用武之地。
我们先来看看消费互联网场景。
对于普通个人用户来说，最大的带宽需求来自视频，最大的时延需求来自于游戏。对带宽和时延有双重需求的，就是VR/AR技术（虚拟现实/增强现实）。
VR/AR技术现在发展迅速，包括最近非常火的元宇宙，也和它们有着密不可分的关系。
想要获得完美的沉浸式体验，彻底消除眩晕感，VR的视频分辨率必须在8K以上（甚至16K、32K），时延必须在7ms以内。毫无疑问，5G毫米波是最适合的无线传输技术。
高通和爱立信基于5G毫米波，进行了XR测试，为每位用户带来了每秒90帧、2K×2K分辨率的XR体验，并实现低于20ms的时延，下行链路平均吞吐量超过50Mbps。
测试结果表明，仅部署1个系统带宽为100MHz的gNodeB，就可以同时支持6个XR用户的5G接入。在未来5G特性的支持下，更有望支持超过12位用户同时接入。
XR测试
5G毫米波面向C端消费者用户的另一个重要应用场景，就是大型体育赛事的直播。
2021年2月，美国橄榄球赛季总决赛“超级碗”在雷蒙德·詹姆斯体育场举办。
美国知名运营商Verizon在高通的助力下，利用5G毫米波技术，把该体育场打造成了世界上网速最快的体育场。
比赛期间，5G毫米波网络承载了超过4.5TB的总流量，部分场景下峰值速率高达3Gbps，约为4G LTE的20倍。
上行速度方面，这届超级碗是全球首个使用5G毫米波上行链路传输的重要赛事。毫米波的帧结构灵活，可以调整上下行帧配比，实现更高的上行带宽。
根据现场的数据，即便是高峰时刻，5G毫米波都比4G LTE快50%以上。借助强大的上行能力，球迷可以上传照片和视频，分享比赛精彩瞬间。
Verizon还打造了一款应用，支持球迷同时观看7路串流高清赛事直播，7个摄像头从不同角度呈现比赛。
2022年，第24届冬奥会将在北京开幕。届时，现场既会有观众手机带来的接入和流量需求，也会有媒体转播带来的回传数据需求。尤其是多路4K高清视频信号，全景摄像机视频信号（用于VR观赛），对移动通信网络的上行带宽提出了严峻的挑战。
针对这些挑战，中国联通就打算使用5G毫米波技术，进行积极应对。
今年5月，中兴、中国联通和高通做过测试，采用5G毫米波+大上行帧结构，可以将实时采集的8K视频内容实现稳定的回传，并最终在接收端成功接收进行回放。
再来看看垂直行业应用场景。
5G毫米波在toB方面，应用前景更为广阔，可以说是如鱼得水。
首先，前面说的VR/AR，其实也是可以用于toB行业的。
例如，工程师可以通过AR，对异地的设备进行远程巡检，对异地工程师进行远程指导，还可以对异地货物进行远程验收。在疫情期间，这些应用可以帮助企业解决实际问题，大幅削减成本
再看看视频回传应用。现在很多工厂生产线都安装了大量的摄像头，包括一些用于质检的高清摄像头。这些摄像头通过拍摄大量的高清产品图片，进行缺陷分析。
例如，中国商飞公司就通过这种方式，对产品焊点以及喷涂表面进行金属裂缝分析。照片拍摄之后，需要上传到云端或MEC边缘计算平台，需要700-800Mbps的上行速度。采用5G毫米波大上行帧结构，可以轻松应对。
还有一个和5G毫米波技术关系密切的场景，那就是AGV无人车。
5G毫米波支持AGV运行
AGV其实就是一个小型化的无人驾驶场景。AGV的定位导航、调度避障，对网络时延和可靠性要求很高，对精确定位能力的要求也很高。大量AGV的实时地图更新，也对网络的带宽提出了要求。
采用5G毫米波，能够充分满足AGV应用场景的上述要求。
2020年1月，爱立信和奥迪在瑞典基斯塔的工厂实验室，成功地测试了基于5G毫米波的5G uRLLC功能和实际工业自动化应用。
其中，他们共同构建了一个机器人单元，采用5G毫米波进行连接。
如上图所示，机器人手臂在制造方向盘的时候，激光幕可以保护着机器人单元的开口侧。如果工厂工人伸手进来，基于5G uRLLC的高可靠性，机器人将立即停止工作，避免工人受到伤害。
这种保证可靠性的即时响应，在传统Wi-Fi或4G中是不可能实现的。
以上所举的例子，只是5G毫米波的部分应用场景。除了工业互联网领域之外，像智慧医疗里的远程手术，车联网里的无人驾驶，都是5G毫米波的强项。
作为一个拥有高速率、大容量、低时延、高可靠性、高定位精度等诸多优点的先进技术，5G毫米波已经得到了各行各业的广泛关注。
结语
21世纪，是属于数据的世纪。
数据中所蕴含的巨大商业价值，已经被世人所认可。如今，几乎所有的产业，都在寻找自身与数据之间的关系，参与数据价值的挖掘。
以5G为代表的连接技术，以及以云计算、大数据、人工智能为代表的计算技术，都是挖掘数据价值不可或缺的重要工具。
充分运用5G，尤其是毫米波频段的5G，无异于掌握了一把数字化转型的“金钥匙”，不仅能够实现生产力的革新飞跃，也能够在未来的激烈竞争中立于不败之地。
总而言之，5G毫米波的技术和产业已经全面走向成熟。随着5G行业应用逐渐走入深水区，我们应该加紧推动5G毫米波的国内商用落地，实现Sub-6与毫米波的协同发展。
唯有如此，我们才能真正释放5G全部的潜能，为整个社会注入5G之心！
