近日，南京網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室研發(fā)團(tuán)隊(duì)已成功研制CMOS毫米波全集成4通道相控陣芯片，并完成了芯片封裝和測(cè)試，每通道成本可由1000元降至20元;同時(shí)，其封裝集成了1024通道天線(xiàn)單元的毫米波大規(guī)模有源天線(xiàn)陣列，有望2022年規(guī)模商用于5G系統(tǒng)。中國(guó)工程院院士劉韻潔表示，這是我國(guó)5G毫米波芯片的重大突破，先前毫米波芯片的缺失將部分制約我國(guó)5G的發(fā)展。那么，長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)是什么影響了毫米波的商業(yè)化進(jìn)程？開(kāi)發(fā)毫米波有何必要性？對(duì)5G規(guī)模商用有何意義？

毫米波緣何不是“5G首選”？

從2G到4G，移動(dòng)通信的頻段基本在2.7GHz以下，但當(dāng)?shù)皖l段的頻譜資源被耗盡時(shí)，就只能在高頻段獲取頻譜資源。

5G頻段目前分為兩部分，一個(gè)是FR1（也叫Sub-6GHz），另一個(gè)FR2，也就是毫米波。Sub-6GHz具有頻率低、繞射能力強(qiáng)、覆蓋效果好等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前5G的主用頻譜，在建網(wǎng)初期可以利用舊站址的部分資源實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的快速部署。

不同于早已被業(yè)界熟知的Sub-6GHz頻段，F(xiàn)R2這段頻譜的電磁波波長(zhǎng)大部分都是毫米級(jí)別的。賽迪智庫(kù)無(wú)線(xiàn)電管理研究所副所長(zhǎng)彭健對(duì)《中國(guó)電子報(bào)》記者表示：“受制于無(wú)線(xiàn)電波的物理特性，毫米波的短波長(zhǎng)和窄光束特性讓信號(hào)分辨率、傳輸安全性以及傳輸速度得以增強(qiáng)，但也使得傳輸距離大大縮減，且信號(hào)穿透能力較差，設(shè)備造價(jià)昂貴且功耗也高，因此國(guó)內(nèi)目前主要以Sub-6GHz頻段擴(kuò)展5G網(wǎng)絡(luò)。”

谷歌公司對(duì)相同范圍內(nèi)、相同基站數(shù)量的5G覆蓋測(cè)試顯示，采用毫米波部署的5G網(wǎng)絡(luò)，100Mbps速率的可以覆蓋11.6%的人口，在1Gbps的速率下可以覆蓋3.9%的人口;而采用Sub-6GHz頻段的5G網(wǎng)絡(luò)，100Mbps速率的網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋57.4%的人口，在1Gbps的速率下可以覆蓋21.2%的人口。可以看到，在Sub-6GHz下運(yùn)營(yíng)的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率是毫米波5倍以上，這也讓基于毫米波的通信系統(tǒng)難以短時(shí)間商用化。

開(kāi)發(fā)毫米波仍十分必要

這個(gè)令人“喜憂(yōu)參半”的技術(shù)為何被行業(yè)寄予厚望？據(jù)ITU IMT-2020規(guī)范要求，5G速度需達(dá)到20Gbit/s，因此單靠Sub-6GHz是搞不定的，需要用上毫米波。

毫米波有哪些優(yōu)勢(shì)？一是毫米波的頻譜豐富，可以搭載的寬帶頻段范圍較廣;二是毫米波的傳輸速率快，最低傳輸速率可達(dá)到10Gbps;三是毫米波的波束較窄，在空間中辨別方向能力強(qiáng)，傳輸方向性好;四是由于光束窄，基于毫米波制作出來(lái)的芯片更易做到小型化;五是毫米波的載波間隔較大，單SLOT周期是低頻Sub-6GHz的1/4，空口時(shí)延較低，在一些對(duì)時(shí)延要求較高的場(chǎng)景中大有可為。

一位通信行業(yè)專(zhuān)家曾向《中國(guó)電子報(bào)》記者比喻，Sub-6GHz頻段仿佛是擁擠的地鐵，Wi-Fi、藍(lán)牙、衛(wèi)星廣播等都“擠”在一起，難免會(huì)“打架”。而位于高頻段的毫米波擁有大量未被充分利用的頻譜資源，就像是無(wú)人區(qū)飛馳的敞篷跑車(chē)，時(shí)延低，容量高，可以同時(shí)有更多設(shè)備連接，因此研發(fā)毫米波器件成為未來(lái)推動(dòng)5G發(fā)展的方向之一。

毫米波對(duì)5G發(fā)展的重要性不可言喻。在5G網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，移動(dòng)行業(yè)可以利用毫米波無(wú)線(xiàn)電頻譜為5G網(wǎng)絡(luò)提供所需要的帶寬，以滿(mǎn)足高速的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需求。根據(jù)GSMA報(bào)告，在5G毫米波所帶來(lái)的創(chuàng)新服務(wù)推動(dòng)下，到2034年中國(guó)將占亞太地區(qū)2120億美元經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)額的53%。

中國(guó)移動(dòng)研究院首席科學(xué)家易芝玲表示，毫米波在未來(lái)可能會(huì)帶來(lái)室內(nèi)超高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)景，這樣也可能會(huì)帶來(lái)一些上層業(yè)務(wù)應(yīng)用的創(chuàng)新，包括基于XR的教育、電影、游戲等業(yè)務(wù)，相關(guān)的產(chǎn)業(yè)相應(yīng)的也會(huì)有很大的收益。

GSMA大中華區(qū)公共政策總經(jīng)理關(guān)舟表示，只有通過(guò)毫米波頻譜的使用，中國(guó)才能全面釋放5G的能力，并由此從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、娛樂(lè)服務(wù)和智能交通領(lǐng)域的最高標(biāo)準(zhǔn)以及更好的醫(yī)療保健和教育中進(jìn)一步受益，從而改善居民的生活，并改變其工業(yè)并創(chuàng)造更多發(fā)展新動(dòng)能。

彭健指出，Sub-6GHz頻段覆蓋廣，信號(hào)強(qiáng)且穩(wěn)定;而毫米波速度快，時(shí)延低，能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)超高速傳播，兩者各有優(yōu)勢(shì)，具體還要看是看哪個(gè)更適合運(yùn)營(yíng)商建設(shè)和使用場(chǎng)地的實(shí)際需要。未來(lái)毫米波系統(tǒng)可以用于室內(nèi)場(chǎng)館及辦公區(qū)覆蓋，也可應(yīng)用于室外熱點(diǎn)覆蓋、無(wú)線(xiàn)寬帶接入等，與Sub-6G協(xié)同組成雙連接異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大容量和廣覆蓋的有機(jī)結(jié)合，可見(jiàn)未來(lái)市場(chǎng)空間可觀。

毫米波技術(shù)水平有待加強(qiáng)

“受制于相關(guān)器件的成本和技術(shù)水平，我國(guó)毫米波器件還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)和商用，整個(gè)產(chǎn)業(yè)仍屬于起步階段。”彭健說(shuō)。

易芝玲也指出，我國(guó)的毫米波相對(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。中國(guó)目前重點(diǎn)關(guān)注于Sub-6GHz的5G商用，在這個(gè)窗口期，國(guó)內(nèi)的毫米波上下游產(chǎn)業(yè)應(yīng)該盡快積累技術(shù)，縮小與國(guó)外頂尖水平的差距。

毫米波發(fā)展雖面臨許多挑戰(zhàn)與瓶頸，但是業(yè)界均對(duì)其發(fā)展抱有極大希望。對(duì)于5G毫米波系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，業(yè)界希望將微波器件安裝在天線(xiàn)基站背面，這就要求微波芯片的集成度大大提高，因此，具備經(jīng)濟(jì)成本低、高集成度優(yōu)勢(shì)的CMOS工業(yè)則具備明顯優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)工程院院士劉韻潔日前宣布，南京網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室已研制出CMOS毫米波全集成4通道相控陣芯片，并完成了芯片封裝和測(cè)試。據(jù)了解，此次封裝和測(cè)試的全集成4通道相控陣芯片，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)將其每通道成本由1000元降至20元，同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)室封裝集成1024通道天線(xiàn)單元的毫米波大規(guī)模有源天線(xiàn)陣列，這也將為商用市場(chǎng)提供更強(qiáng)的性能支持。劉韻潔透露，此次封裝和測(cè)試的芯片與天線(xiàn)陣列有望在2022年商用于我國(guó)的5G系統(tǒng)。

業(yè)內(nèi)專(zhuān)家向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，由于沒(méi)有披露更多細(xì)節(jié)，該款芯片是如何實(shí)現(xiàn)成本降低90%以上的，還不太好分析。但該款芯片將毫米波天線(xiàn)與毫米波芯片封裝在一起，采用了AiP封裝技術(shù)，在某種意義上有利于促進(jìn)我國(guó)的5G毫米波商用進(jìn)程，對(duì)國(guó)內(nèi)其他5G毫米波商用技術(shù)的研發(fā)奠定了一定基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商也可將5G毫米波傳輸技術(shù)與Sub-6GHz良好結(jié)合。
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