中國信通院徐霞艷：5G毫米波關鍵特性分析與應用建議

0 引言

我國5G發展以中低頻段為主，自2019年6月5G牌照發放以來，我國運營商利用2.6 GHz、3.5 GHz等頻段積極開展5G網絡建設，建成開通的5G基站數和5G終端連接數不斷創出新高，5G行業融合應用不斷發展。

5G毫米波技術具有大帶寬、大容量、低時延等特性，將是5G下一步發展的重要方向。在5G中低頻網絡提供連續覆蓋的基礎上，5G毫米波可在室外或室內熱點等場景作為中低頻的容量補充。5G毫米波以其大帶寬、低時延等優勢也有望在5G行業應用等領域得到采用。國內高度重視5G毫米波技術與產業的發展。2019年以來，IMT-2020（5G）推進組組織運營企業和設備企業開展5G毫米波技術研發試驗，對毫米波關鍵技術和基站、終端設備開展了深入測試。

1 對5G毫米波技術與網絡的基本需求

1.1 5G中頻段網絡的基本能力

我國2.6 GHz、3.5 GHz頻段5G商用網絡，采用100 MHz載波帶寬與大規模天線等關鍵技術，在峰值速率、用戶體驗速率、用戶面時延等關鍵性能指標上相比4G網絡均有明顯提升。

1.1.1 峰值速率與用戶體驗速率

考慮增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）下行業務為主的需求，2.6 GHz、3.5 GHz頻段5G網絡采用了下行時隙為主的幀結構。表1給出了5G獨立組網模式下，支持 2T4R（2發4收）能力的終端在100 MHz帶寬時的理論峰值速率^[1]。可以看出，對2.6 GHz、3.5 GHz 頻段，下行峰值速率達到1.745 Gbit/s或1.485 Gbit/s，上行理論峰值速率達到253 Mbit/s或380 Mbit/s。對于4.9 GHz頻段，如采用2.5 ms單周期（DSUUU）這種上行時隙為主的幀結構，則上行理論峰值速率可達到760 Mbit/s。實測表明5G商用終端可達到或接近其理論峰值速率。

表1 5G中頻段100 MHz帶寬終端理論峰值速率

5G商用網絡中的用戶體驗速率，與無線信號覆蓋水平、網絡負荷等直接相關。參考2020年10月中國信息通信研究院發布的《2020年十大城市重點場所移動網絡質量評測排名》，在所選取的合肥、福州、廣州等十大城市重點路段上，實測5G綜合下載速率介于630.34 Mbit/s~994.34 Mbit/s，5G綜合上傳速率介于89.75 Mbit/s~142.99 Mbit/s^[2]。移動網絡質量評測存在一定的偶然性，但該評測仍提供了5G中頻段商用網絡用戶體驗速率的一個直觀參考。

1.1.2 用戶面時延

按照ITU（國際電信聯盟）對5G eMBB場景的指標要求，空口用戶面單向時延應在4 ms以內^[3]。2.6 GHz、3.5 GHz頻段5G商用網絡以eMBB業務需求為主確定了30 kHz子載波間隔和上述表1中所示幀結構等系統配置。實際測試表明，基于2.6 GHz、3.5GHz頻段5G商用網絡的系統配置，空口用戶面單向時延最低可達到2.5 ms ~ 3. 5 ms。

1.2 對5G毫米波技術與網絡的需求

從上面的分析來看，我國5G中頻段商用網絡質量良好，預計在5G商用前期能夠支撐eMBB為主的個人消費者應用和大部分5G行業融合應用的發展。而對部分上行帶寬需求特別大的行業應用（如多路8K視頻上傳，每路需要120 Mbit/s左右上行速率），目前5G中頻段網絡的上行能力仍顯不足。

基于上述情況，下一階段在我國發展5G毫米波，特別是將5G毫米波應用在對帶寬、時延等指標有更高要求的行業場景，毫米波應在部分性能指標上相對5G中頻段具有比較優勢，能提供有競爭力的網絡質量。5G毫米波的峰值速率與用戶體驗速率至少應與5G中頻段基本相當，并著重彌補5G中頻段的上行能力短板。基于與5G中頻段網絡能力的對比，建議5G毫米波的下行理論峰值速率高于1.745 Gbit/s，如達到2 Gbit/s或以上；上行理論峰值速率高于380 Mbit/s，如達到500 Mbit/s或以上。

2 5G毫米波關鍵特性分析

與5G中低頻相同，5G標準對毫米波也采用了靈活的系統設計，支持靈活配置毫米波的子載波間隔、載波帶寬與幀結構等關鍵系統參數；在組網方式上標準也支持毫米波與5G中低頻協同組網或毫米波獨立組網等多種方式。然而，從靈活的標準設計到毫米波的實際商用，需要根據應用場景需求等因素進行合理選擇。

2.1 載波帶寬與系統帶寬

5G標準可支持毫米波采用100 MHz、200 MHz或400 MHz的載波帶寬，再通過載波聚合或雙連接技術將多個載波聚合為更大的系統帶寬。如圖1所示，4個200 MHz帶寬的載波可以聚合成800 MHz的系統帶寬。不同載波帶寬在網絡覆蓋、容量、用戶體驗方面各有優劣，總體上看，載波帶寬越大，網絡性能和網絡可維護性方面越占優，但同時需要考慮實現復雜度等因素。基于這些考慮，在2020年的5G毫米波技術研發試驗中，經研究討論，在毫米波載波帶寬上達成一致：毫米波基站、終端必選支持200 MHz載波帶寬。至于系統帶寬，在下行時隙為主的幀結構（如DDDSU）配置下，要滿足上述2 Gbit/s或以上的下行峰值、500Mbit/s或以上的上行峰值需求，則系統帶寬至少需要400 MHz。基于200 MHz載波帶寬疊加多載波聚合技術，要充分發揮毫米波大帶寬的優勢，建議毫米波的系統帶寬能達到800 MHz或以上。

圖1 毫米波載波帶寬與系統帶寬

2.2 子載波間隔與幀結構

子載波間隔是基于正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）的5G系統的關鍵參數之一。子載波間隔越大，OFDM符號長度、時隙長度相應縮小，有利于在數據傳輸時減小時隙邊界對齊時延、數據包傳輸時間等^[6]，整體上降低空口用戶面時延；但子載波間隔越大，對抗多徑能力變差^[4]。在5G毫米波技術研發試驗中，綜合考慮多方面因素影響，明確5G毫米波業務信道物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）/物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）的子載波間隔取120 kHz，相應一個時隙的長度為0.125 ms。

在幀結構上，5G標準支持以時隙為基礎進行半靜態配置和動態配置^[4-5]。基于120 kHz子載波間隔、0.125 ms時隙長度，5G毫米波技術研發試驗中研究了下列3種幀結構。

Option 1: DDDSU；Option 2: DDSUU；Option 3:DSUUU。

其中，D為下行時隙，U為上行時隙，S為特殊時隙（一個時隙包括14個OFDM符號，S時隙典型配置為10個下行符號、2個符號作上下行的保護間隔、2個上行符號）。這3種幀結構的周期都是0.625 ms，均通過半靜態方式配置；區別在于下行時隙、上行時隙的比例不同，由此導致上下行峰值速率與容量上存在明顯差異。

按照毫米波終端上下行2流MIMO傳輸、64QAM調制等典型配置，不同系統帶寬、不同幀結構時終端的下行、上行峰值速率經計算如表2所示。

表2 5G毫米波終端理論峰值速率

而對于覆蓋、用戶面時延等性能，經分析或仿真可以看出，上述3種幀結構的差異較小，不是影響幀結構選擇的主要因素。

上述3種毫米波幀結構的周期均為0.625 ms，僅相當于2.6 GHz、3.5 GHz頻段5G系統幀周期的1/4或1/8，有利于降低空口傳輸時延。實際測試表明，5G毫米波系統空口用戶面單向時延可低至1 ms ~ 1.5 ms，明顯低于5G中頻段系統。

毫米波將面向室內外熱點、大型場館等應用場景，既有下行業務為主的場景，也要考慮上行業務為主的應用場景（如高清/超高清視頻上傳）。因此，從需求角度看，希望毫米波的幀結構能靈活配置，適應不同場景的需求。從技術可行性上看，毫米波具有傳播與穿透損耗大、覆蓋距離小的特點，具備根據局部區域業務上下行比例靈活設置幀結構的可行性。

在前期的5G毫米波技術研發試驗中，毫米波基站、終端普遍支持上述Option 1（DDDSU）幀結構，這種幀結構以下行時隙為主，適合于下行業務為主的應用場景。針對上行帶寬需求特別高的應用場景，當前業界也在逐步實現上述Option 3（DSUUU）等上行增強的幀結構，通過在時域上給上行鏈路分配更多資源，這樣相同系統帶寬上可大幅提升上行速率與容量。建議在5G毫米波的商用中根據具體應用場景對上、下行容量的不同需求，靈活配置幀結構。

2.3 波束管理與波束圖樣設計

為了彌補信號傳播損耗大的影響，5G毫米波采用了大規模天線技術，并基于實現復雜度、成本和功耗等因素綜合考慮，采用數字與模擬混合波束賦形方式，在基站與終端間通過寬度較窄、增益較高的波束進行通信。考慮到基站需要覆蓋一定的范圍（如水平方向120°、垂直方向30°），因此系統需要設計一組窄波束，通過波束的掃描來實現無縫覆蓋，這組波束的設計方案可稱之為“波束圖樣”。由于終端移動或無線環境變化，需要對基站與終端間的收發波束進行管理，以維持基站與終端的收發波束對齊，保證良好的通信性能。為此，3GPP R15標準設計了包括波束選擇、波束測量與上報、波束切換、波束指示等一系列機制來支持毫米波的波束管理過程^[7]。

5G毫米波系統的波束圖樣設計，可采用如下兩種方案。

方案 1：基于同步廣播信息塊（Synchronization Signal/Physical Broadcast Channel，SS/PBCH）的波束方案。

方案2：基于SS/PBCH的較寬波束+基于信道狀態信息參考信號（Channel-State Information-Reference Signal，CSI-RS）的窄波束相結合方案，即兩級波束。

波束圖樣多采用水平與垂直結合的三維立體形式，即在垂直方向分為若干層，每一層在水平方向又分為若干個波束。圖2是3種波束圖樣的示意圖。其中，（a）是按照方案1設計的基于SS/PBCH的波束圖樣，垂直方向分為4層、每一層又分為6個波束，一共有24個波束。按照方案1設計的波束圖樣，業務信道與控制信道的發送、接收均基于SS/PBCH波束進行，波束管理過程相對簡單。但由于SS/PBCH需要周期性發送，如果配置數目較多的SS/PBCH波束，則SS/PBCH將占用較多的時頻資源開銷。

圖2 毫米波波束圖樣示例

圖2中(b) (c) 均為按照上述方案2設計的兩級波束圖樣，區別在于圖( c) 中波束數目更多，波束更窄。以圖(b) 為例，在一個較寬的 SS/PBCH波束（如“0”號波束）內又進一步基于CSI-RS設計細分為2個窄波束（即“0-0”“0-1”波束）。在這種兩級波束圖樣下，較少數目的SS/PBCH波束有利于降低開銷，有利于UE初始波束搜索；較多的CSI-RS窄波束可進一步優化波束，提升覆蓋性能。

毫米波的波束圖樣設計需要綜合考慮覆蓋場景、系統資源開銷、用戶行為模式變化和實現復雜度等因素，根據實際應用場景合理選擇。建議在今后的商用中，通過多種場景下的測試驗證形成波束圖樣庫，根據覆蓋場景選擇最優的波束圖樣。

2.4 5G毫米波的組網方式

在組網方式上，存在5G毫米波與5G中低頻協同組網或毫米波完全獨立組網等多種方式。考慮5G毫米波覆蓋距離小、易受遮擋等特點，5G毫米波可與5G中低頻協同組網，利用連續覆蓋的5G中低頻網絡為用戶提供控制面連接，5G毫米波則主要提供大帶寬的用戶面數據傳送。具體而言，5G毫米波與5G中低頻的協同組網又有載波聚合（Carrier Aggregation，CA）、雙連接（Dual Connectivity，DC）這兩種方式。所謂載波聚合，即 5G中低頻作為主載波、毫米波作為輔載波，在無線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）層實現數據分流，分別在5G中低頻、毫米波鏈路上傳送。而雙連接指5G中低頻作為主節點，毫米波作為輔節點，在分組數據匯聚協議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）層實現數據的分流。

面向工廠等行業應用場景，毫米波也可以完全獨立工作，無需部署5G中低頻基站，由毫米波基站承擔控制面連接與用戶面數據傳送等所有功能。

在5G毫米波的后續商用中，建議根據應用場景的要求、5G中低頻網絡的可用性等因素，選擇合適的組網方式，從組網層面為5G毫米波發揮優勢創造條件。

3 對毫米波基站與終端產品技術規格的思考

根據應用場景的不同，當前5G毫米波基站主要有兩類產品形態。一類是由基帶單元（BaseBand Unit，BBU）與毫米波有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）組成的宏基站，發射功率較大、等效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）可達65~70 dBm，通道較多，以4T4R數字通道為主；宏基站可以覆蓋較遠距離和較復雜場景，主要用于室外熱點作容量補充。另一類是微基站，其功率較小、EIRP一般在55 dBm左右，通道少，以2T2R數字通道為主；微基站體積小、重量輕，覆蓋距離較小，主要應用于街邊桿站或室內熱點容量補充等場景。

為擴展5G毫米波使用場景，建議根據應用需求靈活定義基站產品規格，包括針對室外大容量場景進一步研發容量更大、規格更高（如8T8R數字通道）、支持MU-MIMO特性的宏基站產品；針對室內熱點和工業廠區廠房等行業應用場景研發毫米波數字室內分布系統或毫米波一體化小站。

對毫米波終端，3GPP定義了多種終端功率等級（見表3）^[8]。毫米波手機需符合功率等級3。采用專門面向高功率用戶駐地設備（Customer-Premises Equipment，CPE）的毫米波天線模塊，CPE的功率可更高，達到功率等級1。通過5G毫米波技術研發試驗的實測驗證，高功率CPE可提升覆蓋能力，特別是上行覆蓋改善明顯，用戶的速率（特別是上行速率）也有明顯提升。

表3 毫米波終端功率等級及26 GHz頻段主要指標要求

面向部分行業應用，毫米波需要提供更高的上行峰值速率與體驗速率，從系統參數與產品層面可多方面進行針對性設計：上行采用更大頻率帶寬、采用上行增強的幀結構（如DSUUU）、采用高功率終端等。由于終端發射功率受限，單純增大上行頻率帶寬會導致終端發射信號的功率譜密度降低，在實際工作時當終端與基站間傳播損耗稍大就會導致性能下降，難以有效提升上行峰值與體驗速率。因此，建議采用上行增強的幀結構必要時根據應用場景可采用高功率終端產品（如高功率CPE），在滿足覆蓋要求下可向用戶提供更高的上行峰值與體驗速率。在終端產品形態上，針對行業應用場景,可根據需求選擇采用CPE或模組等不同形態。在終端產品實現上，為了有效應用上行增強的幀結構和高功率等特性，毫米波終端產品需要解決功耗、散熱和工作穩定性等挑戰。

4 結束語

為促進毫米波在我國5G下一階段發展中的應用，需要業界共同努力，根據毫米波的應用場景規劃產品特性與規格，提升毫米波產品性能，提高毫米波技術與產品的競爭力，支持商用部署。可以預見，5G毫米波將充分發揮超大帶寬等優勢，在5G中后期釋放更高的技術紅利，促進5G應用的發展。

參考文獻

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