5G高頻應(yīng)用前瞻

費(fèi)佩燕　常歡　王飛

摘??要：本文從各行各業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)，結(jié)合通訊技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展，分析第5代通訊技術(shù)的應(yīng)用，并給出第5代通訊技術(shù)高頻通訊技術(shù)在不同場景下的應(yīng)用特點(diǎn)，將高頻通訊應(yīng)用與智能應(yīng)用結(jié)合起來，給出了高頻在各個(gè)行業(yè)可期的應(yīng)用場景，挖掘高頻更多的未來可開拓空間，呈現(xiàn)了高頻未來在各個(gè)行業(yè)蓬勃發(fā)展的可能。

關(guān)鍵詞：高數(shù)據(jù)速率;智慧交通;垂直行業(yè)：無線連接

1.引言

當(dāng)今世界是通訊技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，通訊行業(yè)日新月異。2G、3G、4G還在應(yīng)用，5G已經(jīng)走進(jìn)我們的生活。5G的大帶寬、低時(shí)延、海量連接等特點(diǎn)，倍受各行各業(yè)關(guān)注，并已在世界范圍步入商用之路。5G包含兩大頻段，分別是sub6GHz和高頻頻段，其中高頻對(duì)5G更具有革命性意義。隨著5G在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，6GHz以下的頻段會(huì)出現(xiàn)頻率資源不足的問題，而具有大帶寬和高數(shù)據(jù)速率優(yōu)點(diǎn)的高頻頻段必然成為移動(dòng)通信新的資源藍(lán)海，同時(shí)，也會(huì)成為眾多電訊運(yùn)營商和企業(yè)在5G領(lǐng)域發(fā)展、競爭的焦點(diǎn)。

目前高頻主要的代表頻段是在24.25GHz-300GHz之間，具有頻率高、波長短、可靠性高、方向性好等特點(diǎn)，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)5G對(duì)高速率、低能耗、多連接的要求。

與4G相比，5G的子載波有更多的細(xì)分，帶寬配置更加靈活，參考信號(hào)配置更加多元，幀結(jié)構(gòu)配置更加豐富等等，這些特點(diǎn)更利于5G實(shí)現(xiàn)低時(shí)延，大容量，高可靠性。5G的這些特點(diǎn)同樣適用于5G高頻，這將增進(jìn)5G高頻應(yīng)用更廣泛和豐富。

2.高頻應(yīng)用

高頻頻譜范圍從24.25GHz到300GHz，帶寬資源豐富，其應(yīng)用將非常多元，而且不同應(yīng)用采用的空口技術(shù)可以不同。高頻可能應(yīng)用的場景有：智能交通;人口聚集的大型場館、室內(nèi)熱點(diǎn)等的大數(shù)據(jù)回傳，工業(yè)loT等等。

2.1智能交通

智能交通可安全有效的利用運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)輸工具達(dá)到智慧物流和智慧客運(yùn)的目的。如車輛間無線連接，以及車和路邊通信設(shè)備間的無線連接，這些都可基于24.25GHz以上的高頻來實(shí)現(xiàn)。這些網(wǎng)絡(luò)在高帶寬通信下使用，覆蓋范圍小。可采用不同的定向中/高增益天線，還可做到高頻譜復(fù)用。高頻的研究和開發(fā)有待深入，以滿足不同小覆蓋下的ITS和V2X的低時(shí)延、高可靠性、高數(shù)據(jù)速率的需求。未來，智慧交通可助推新業(yè)務(wù)發(fā)展，如擴(kuò)展傳感器、自動(dòng)駕駛中的精確定位等。

2.2接入回環(huán)-?-體化

在光纖或?qū)Ｓ玫臒o線回環(huán)拿不到或不方便情況下，IAB?設(shè)備可用于回環(huán)部署。IAB?技術(shù)的應(yīng)用，可增加NR的優(yōu)勢，有些節(jié)點(diǎn)可兼顧回環(huán)和接入功能。這種應(yīng)用，設(shè)備-?-般在LOS場景下運(yùn).作，采用IAB直接傳輸可拓展gNBs間的距離。

當(dāng)有線連接不可行時(shí)，可采用各種無線技術(shù)來進(jìn)行回環(huán)/中繼服務(wù)，例如PtP?微波鏈接。IAB通過單個(gè)節(jié)點(diǎn)（如：gNB）為多個(gè)設(shè)備（如：UE）提供寬帶服務(wù)，或給其它節(jié)點(diǎn)（可以是多個(gè)節(jié)點(diǎn)）提供中繼服務(wù)，或綜合服務(wù)。在MBB網(wǎng)絡(luò)增長期，IAB?能帶來的好處是確定的。

2.3高數(shù)據(jù)速率傳輸（eMBB）

在高清多媒體流量高和用戶數(shù)高的場景，比如室內(nèi)，室外開闊地，體育場館，娛樂場館，運(yùn)動(dòng)場所等等，高頻eMBB應(yīng)用可以滿足個(gè)人和群體的需求。并且，可滿足更高的客戶消費(fèi)能力，比如超高清顯示，多視覺超高清顯示，3D展示，全息視頻會(huì)議，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR），混合現(xiàn)實(shí)顯示、交互等。這些會(huì)引發(fā)非常高的數(shù)據(jù)量需求以及超大帶寬需求，豐富的高頻頻譜，使得超大帶寬應(yīng)用成為可能。

密集城區(qū)和室內(nèi)熱點(diǎn)，eMBB不斷增長的速率需求，是高頻的主要驅(qū)動(dòng)力。高頻頻譜資源豐富，會(huì)促進(jìn)高頻頻段成為這一應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn).

2.4垂直行業(yè)應(yīng)用

在工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)，不只要提供一類服務(wù)，而是多種不同需求要同時(shí)滿足，例如：馬達(dá)控制、移動(dòng)控制、機(jī)器人控制、AR等等，這就要求系統(tǒng)有高的適應(yīng)性和柔性。有的工業(yè)級(jí)別的通訊服務(wù)對(duì)端到端低延時(shí)要求高，如AR，需要高速數(shù)據(jù)傳輸和低時(shí)延。有的應(yīng)用有安全、保密和私密需求。高頻技術(shù)是十分適合垂直行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)，其傳輸特點(diǎn)以及大帶寬，使其十分適合私密/保密性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求。

2.5寬帶分布式網(wǎng)絡(luò)

無線以太網(wǎng)可提供寬帶連接給室外街道、大學(xué)校園，體育館、賣場等等。在24.25GHz以上頻譜工作時(shí)，NR可作為無線以太網(wǎng)的延伸，可替代或補(bǔ)充現(xiàn)有以太網(wǎng)絡(luò)。單站給固定設(shè)備提供預(yù)期的寬帶服務(wù)（大于20Gbps），可支持大約300m到500m的傳輸距離。網(wǎng)絡(luò)可以是公網(wǎng)，也可以是非公網(wǎng)。PtP，PtMP，都可以。

現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，采用寬帶以太網(wǎng)布網(wǎng)進(jìn)行最后-?-?公里接入（例如，光纖），而采用24.25GHz以上授權(quán)/非授權(quán)高頻頻譜，以固定無線接入來替代現(xiàn)有有線接入，在光纖無法布置的條件下，其應(yīng)用前景廣闊。

2.6工廠自動(dòng)化/?IloT

機(jī)器人應(yīng)用是屬于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用，傳輸距離大約是50m到100m，移動(dòng)速度大約5km/h。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，工業(yè)loT是工廠自動(dòng)化中工業(yè)批量生產(chǎn)降成本的關(guān)鍵因素之一。未來工廠，靜態(tài)順序生產(chǎn)系統(tǒng)將越來越多的被新的生產(chǎn)系統(tǒng)取代，新的系統(tǒng)具有高度的靈活性和多樣性。工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域IIOT應(yīng)用特點(diǎn)是：基礎(chǔ)設(shè)施無線連接需求高，特別是在低時(shí)延和高可靠性方面。高精度時(shí)間同步，低時(shí)延抖動(dòng)，保護(hù)性時(shí)延約束方面，等等，這些指標(biāo)是lloT的重要特征。

室內(nèi)-to-室外存在干擾問題的場景，在高頻段上，問題反倒化解了，因?yàn)楦哳l穿透能力相對(duì)低頻弱，混泥土建筑材料將室內(nèi)到室外/室外到室內(nèi)間可能存在的干擾阻斷。在IloT應(yīng)用場景，采用高頻傳輸技術(shù)，從而達(dá)到工廠需要的高可靠和低時(shí)延需求。

2.7.AR/NR頭盔及其它高端穿戴產(chǎn)品

高端AR/VR穿戴設(shè)備，如眼鏡，其典型要求是大數(shù)據(jù)速率、低時(shí)延、低傳輸功率。對(duì)于AR/VR應(yīng)用，由于時(shí)延要求小，這些視頻不能壓縮，需要超過10Gbps數(shù)據(jù)速率。傳輸功率要求低，因?yàn)楦叩膫鬏敼β市枰箅姵兀矔?huì)增加可穿戴設(shè)備的重量。還有，AR依賴傳感器信息來處理和辨識(shí)環(huán)境。高頻高帶寬可提高傳感器可傳遞的分辨率，降低時(shí)延。

2.8.數(shù)據(jù)中心間連接

當(dāng)數(shù)據(jù)中心不同框架間的光纖連接失敗時(shí)，可采用無線連接作為數(shù)據(jù)中心間的備用接口。依賴無線技術(shù)來為網(wǎng)絡(luò)提供備份，可以提升通信服務(wù)實(shí)用性。一些框架間的鏈接，可采用高帶寬高可靠的NR通信來替換。采用非授權(quán)頻譜，使得框架間通信的高帶寬、高可靠、可用授權(quán)頻譜高EIRP）成為可能。數(shù)據(jù)中心間的無線通信應(yīng)用，可避免電纜復(fù)雜性，可以在工廠內(nèi)部實(shí)現(xiàn)按需靈活進(jìn)行設(shè)備重組。

2.9雷達(dá)/定位

誤差0.5m或更小的高精度定位，對(duì)于室內(nèi)、室外業(yè)務(wù)至關(guān)重要。

復(fù)用。高頻的研究和開發(fā)有待深入，以滿足不同小覆蓋下的ITS和V2X的低時(shí)延、高可靠性、高數(shù)據(jù)速率的需求。未來，智慧交通可助推新業(yè)務(wù)發(fā)展，如擴(kuò)展傳感器、自動(dòng)駕駛中的精確定位等。

低頻下的定位，位置不確定性比較高。與低頻不同，高頻下的定位精度高，如果能在交通系統(tǒng)應(yīng)用起來，有希望避免通行堵塞。

定位信息可增強(qiáng)波束對(duì)齊處理。波束信息可以用于確定用戶在波束內(nèi)，還是在波束間，可增強(qiáng)現(xiàn)有定位系統(tǒng)的定位精度。

高定位精度的應(yīng)用可從寬帶獲益，定位精度通過信號(hào)ToA的精確估計(jì)獲得。高頻相對(duì)低頻，多徑稀少，天線系統(tǒng)又是窄波束，有利于提升AOA估計(jì)，從而增進(jìn)定位的精度。

此外，受益于室內(nèi)分格和密集分布，高頻可提供更大的空間分辨率，可為運(yùn)營商和私網(wǎng)提供新的有針對(duì)性的服務(wù)和解決方案。

3.高頻面臨的問題

由于5G高頻可提供更大的連續(xù)帶寬，所以高頻頻譜可提供更高的數(shù)據(jù)速率，低時(shí)延，高容量。然而，在高頻段運(yùn)行，設(shè)備性能會(huì)受限，例如，PA效率變差，更大的相位噪聲修復(fù)，來自前后端LNA（低噪放大器）和ADC轉(zhuǎn)換噪聲的插入損失。此外，還有高頻段的高衰落，高穿透損耗。5G首次將毫米波應(yīng)用于蜂窩通信，之前都是用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)中繼或室內(nèi)WLAN為主，在蜂窩通信中應(yīng)用，需要的產(chǎn)業(yè)鏈與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸會(huì)有所不同，包括對(duì)性能的需求，處理能力與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸不會(huì)完全一-致，所以很多方面需要完善。

毫米波相對(duì)于低頻段，整體產(chǎn)業(yè)鏈完善程度還不足夠，包括器件的成熟度等，還需要進(jìn)-一步推動(dòng)整體產(chǎn)業(yè)鏈成熟。另外，在什么樣的應(yīng)用場景下能充分發(fā)揮毫米波的優(yōu)勢，降低劣勢，也需整個(gè)行業(yè)充分論證。

4.小結(jié)

5G高頻頻譜使用，可全面釋放5G能力，并可以讓人們從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、娛樂服務(wù)、智能交通領(lǐng)域、更好的醫(yī)療保健、更好的教育等各個(gè)領(lǐng)域，進(jìn)-一步受益，從而改善生活，同時(shí)促進(jìn)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展，創(chuàng)造更多發(fā)展新動(dòng)能。5G高頻有希望繼續(xù)加強(qiáng)數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是其在全面展開的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型進(jìn)程中，為創(chuàng)新型帶來新動(dòng)能。5G加上毫米波頻譜可幫助釋放低時(shí)延、數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的潛力，這些應(yīng)用可為各行業(yè)帶來變革。