彻底了解毫米波：驾驭它，就算掌握5G终极武器

作为被普遍认为将变革社会生活方方面面的下一代无线通信技术，5G将凭借超高的无线网络的速度、覆盖范围和响应能力在未来迸发出无限能量。

5G相比以往4G的优势有很多，不过最重要、普通消费者最关心的，恐怕还是突破想象的传输速率了。但是不知大家有没有想过，5G的速度为何能实现10倍甚至100倍的提高？其实这背后涉及一个关键技术：毫米波。

事实上，IT之家小编在此前的文章中也曾提到过毫米波的相关技术，但并没有深入讲解，那么今天，小编不妨就带大家近距离认识一下毫米波。

一、毫米波究竟是什么，为什么这么重要？

前面我们说到，“高传输速率”是5G的一项关键技术指标。那么怎样提高传输速率呢？

首先我们明确，这里的传输速率，即单位时间里通过信道的数据量。在通信行业，关于信道传输速率，有这样一个公式：

n=Rb/B

这个公式中，n为频带利用率，Rb为信道传输速率，B则为系统带宽。将这个公式变一下：

Rb=n×B

不难看出，传输速率和频带利用率以及系统带宽为正向关系，当频带利用率越高，传输速率越高；系统带宽越高，传输速率也越高。这就说明，要想提高信道传输速率，就有提高频带利用率和系统带宽两种方法。

OK，确立了这两种方法后，我们先放一放，来复习一下无线通信的一些基本概念，这样才能对这两种方法有更深的理解。

我们所说的无线通信，就是利用无线电磁波进行通信，翻中学的物理课本，我们还能找到那张熟悉的图：

上面这张图是电磁波谱，它是按照电磁波的频率顺序进行排列而画出来的。频率，是电磁波的重要属性。

中学物理老师曾经带着我们研究的是可见光部分，而在无线通信领域，主要研究的是图中绿色框线框起来的部分。

我们知道，无线通信的基本原理是将声画信息变换为含有声画信息的电信号，再把电信号“寄载”在比该信号频率高得多的高频振荡信号上去，然后用发射天线以无线电波的形式向周围传播。

打个比方，整个无线电磁波的频段就像一条“大路”，其中的高频振荡波（载波）就像运载工具。

前面说了，频率是电磁波的重要特性，不同频率的电磁波有不同的特性，也就意味着有不同的用途，所以我们在电磁波这条“大路”上进一步划分车道，分配给不同的对象和用途。具体的划分比较复杂，我们用下面这张表来展示：

以往的移动通信，主要走的是“中频”到“超高频”这段道路。在这段路上给各个国家运营商划分使用的频段，就是我们所说的频谱划分。例如4G lTE标准中我们国家划分的主要是超高频的一部分频谱资源。并且有一个趋势：从1G到2G、3G再到4G，划分的电波频率越来越高。这其实是为了满足更高传输速率的需要。

刚才我们说到这条“大路”，其中的一个载波就像运载工具，而载波载着信号，经历编码、调制、发送、媒介传输、接收、解码、译码的整个路径，就是我们广义所说的信道，就像是一辆汽车从出发地到目的地的行进轨迹，而信号，就是在信道中传输的。具体的传输方式，是以码元（symbol）的形式传输。

好，这时我们回到前面说的频带利用率。什么是频带？对于信道来讲，就是允许传送的信号的最高频率与最低频率之间的频率范围。提高频带利用率，简单说就是让信道中单位时间里引入更多的码元，从而提升速率。

但是这样做也有不足。具体是怎么回事呢？简单说一下。信号的调制是通过操纵无线电波的幅度和相位来形成载波的不同状态，当调制方式由简单到多进制时，载波状态数增加，就表示一个码元代表的信息量增加了。码元增加，一个码元代表的信息量增加，但是载波的幅度不变，那么每个码元状态之间的间距变小了，所以容易受到噪声干扰而令码元偏离原本应该在的位置，造成解码出错，同时功耗也会增大。

▲由简单调制到复杂调制的状态图

听起来略复杂，没关系，大家只要知道其实频带利用率不是越高越好就行。所以，人们很自然地将目光转向另一个更简单粗暴的方法——提高频谱系统带宽。

但问题是目前常用的6GHz以下的频段已经基本没有更多的资源可利用了（到4G时代已经非常拥挤）。5G时代怎么办呢？这时候，人们想到了过去一直没太关注的毫米波频段。

毫米波就位于微波与远红外波相交叠的波长范围，其实它也是兼有两种波谱特点的。

于是，在3GPP 38.101协议的规定中，5G NR主要使用两段频率：FR1频段和FR2频段。FR1频段的频率范围是450MHz——6GHz，又叫Sub 6GHz频段；FR2频段的频率范围是24.25GHz——52.6GHz，也就是我们这里所说的毫米波（mmWave）。

回到前面的那张表，可以看到，毫米波的波长在1mm-10mm之间，频率则约为30GHz-300GHz。当然，3GPP规定中是从24.25GHz开始，根据

波长=光速/频率

这个公式可知，它的波长是12.37毫米，也可以叫厘米波，其实这里的定义并不是非常严格。

毫米波的最大特点是频率很高，但是，在30-300GHz之间也不是所有频段都可以随意使用的，因为有些频段效能比较差，所以目前很难被使用。3GPP协议38.101-2 Table 5.2-1中，为5G NR FR2波段定义了3段频率，分别是：

n257（26.5GHz~29.5GHz）；

n258（24.25GHz~27.5GHz）；

n260（37GHz~40GHz）；

它们都使用TDD制式。美国FCC则建议5G NR使用24-25 GHz (24.25-24.45/24.75-25.25 GHz)、32GHz (31.8-33.4 GHz)、42 GHz (42-42.5 GHz)、48 GHz (47.2-50.2 GHz)、51 GHz (50.4-52.6GHz)、70 GHz (71-76 GHz)和80 GHz(81-86 GHz)这几个频段。例如Verizon和AT&T已经将目光瞄准了28 GHz和39 GHz频谱的很大一部分，芯片巨头高通在16年推出的第一款5G调制解调器骁龙X50也支持28GHz频段的5G运行。

我们以28GHz和60GHz频段为例，通信领域有一个原理，无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%，所以两者对应的频谱带宽分别为1GHz和2GHz，而4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下，频谱带宽只有100MHz，毫米波的带宽相当于4G的10倍，这是一个有待开发的蓝海。

这也就是未来5G信号传输速率会有极大提升的原因。

除了速率高，毫米波还有不少其他的好处。首先是，毫米波的波束很窄，相同天线尺寸要比微波更窄，所以具有良好的方向性，能分辨相距更近的小目标或更为清晰地观察目标的细节。

关于这一点，这里要展开一下，后面也会讲到。

可能有同学会问，什么是波束？

小编打个比方，在黑暗中打开手电筒，光线照射的区域就很像波束。因为在空间传播过程中，无线信号的质量会出现衰减，但是它的能量传播仍然是有方向的，这就形成了波束。就像手电筒有照射方向，光线会在这个方向的两侧逐渐分散，通信领域里，开始下降固定功率的两侧形成的夹角，就是波束的宽度。

波束宽度和天线增益有关，所谓天线增益，简单理解就是天线能将能量集中到一定方向的能力，就像手电筒能将灯泡光线多大程度聚集到一起的能力。一般天线增益越大，波束就越窄，这很好理解。

那天线增益和什么有关呢？答案是波长。关于天线增益有一个公式：

G表示天线增益，Ae表示天线有效孔径。从这个公式中能够看出来，波长越短，天线增益越大，波束就越窄。毫米波的波长很短，也就造成了它的窄波特性。

这里说到天线，顺便说一下，根据通信原理，天线长度与波长成正比，比例大约是1/10~1/4，毫米波的波长在毫米级，对应的天线也就更短了，所以，在手机中使用毫米波技术，天线尺寸也可以更小。

当然，具体它们的关系还很复杂，小编只是大致梳理了一下关系，深入地就不方便继续展开了。

毫米波还有一个特点，就是传输质量高。这主要是由于它的频率非常高，所以毫米波通信基本上没有什么干扰源，电磁频谱极为干净，信道非常稳定可靠。

另外毫米波的安全性也比较高，因为毫米波在大气中传播受氧、水气和降雨的吸收衰减很大,点对点的直通距离很短,超过距离信号就会很微弱，这增加了被窃听和干扰的难度。刚才说到毫米波波束窄，副瓣低，这也让它很难被截获。

毫米波可以极大提升无线通信传输速率，这已经足够诱人，并且还有这些附带的优势，那么为什么这么多年一直没有被商用在手机通信领域中呢？这是因为，毫米波也有一些天然的缺陷，所谓硬币的两面，同样的特性，有优势，也有不足，这些不足很多年来令人们对毫米波的商用“望洋兴叹”。

毫米波最主要的不足，就是传输性能比较差，这体现在三个方面：

第一是这些频谱传得不太远，比如在全向发射时，这些频谱的能量发散比较快，容易衰弱，无法传播到很远；

第二是绕射能力差，容易被楼宇、人体等阻挡、反射和折射，这很容易理解，想一个极端的例子，可见光，可见光的波长比毫米波更短，频率更高，它就很难穿过大部分物体；

第三是毫米波还受限于很多空间因素，其中一个主要因素就是水分子对于这些频谱的吸收程度很高，比如这些频谱在下雨时、穿过树叶、穿过人体时，它们衰弱非常快。

还有一个原因是，生产能工作于毫米波频段的亚微米尺寸的集成电路元件在过去一直比较困难，需要比较大的金钱投入，这样阻碍了它的商用。