毫米波技術(shù)：迎接信息時(shí)代引擎的加速

技術(shù)歷史的特點(diǎn)是創(chuàng)新工具從根本上改變了我們的生活、工作和社交方式。從第一次工業(yè)革命的蒸汽機(jī)和水機(jī)到數(shù)字革命的微處理器標(biāo)志，再到無(wú)線電頻譜被用作傳輸數(shù)據(jù)和能量的工具的信息時(shí)代，每個(gè)時(shí)代都開(kāi)發(fā)了自己的引擎來(lái)轉(zhuǎn)換材料、能源和，最近，知識(shí)和信息。

隨著我們邁向下一次無(wú)線工業(yè)革命，無(wú)線電頻譜是信息時(shí)代引擎中的關(guān)鍵推動(dòng)力。

技術(shù)革命時(shí)期

信息需求

毫無(wú)疑問(wèn)，信息技術(shù)對(duì)我們交流、學(xué)習(xí)和思考的方式產(chǎn)生了巨大影響。隨時(shí)隨地獲取信息在日常生活中發(fā)揮著重要作用。尤其是現(xiàn)在在大流行時(shí)期，我們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的依賴更加增加了。

在 2020 年 2 月至 4 月期間，互聯(lián)網(wǎng)流量飆升了近 40% 1，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流量飆升了 50% 2，而且沒(méi)有跡象表明這一趨勢(shì)會(huì)很快放緩。

信息連接著人，也連接著物體。預(yù)測(cè)顯示，到 2023 年，將有超過(guò) 290 億臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，其中機(jī)器對(duì)機(jī)器連接占總數(shù)的一半。3這種類型的通信需要依靠非常高的傳輸速度和低延遲來(lái)啟用關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)和先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)是傳輸速度和延遲重要性的很好例子。在聯(lián)網(wǎng)駕駛方面，必須實(shí)時(shí)傳輸和分析數(shù)據(jù)，因?yàn)闆Q策必須在幾分之一秒內(nèi)做出，這樣車(chē)輛才能在撞到障礙物之前停下來(lái)或采取行動(dòng)確保乘客安全。高傳輸速度可以挽救生命，使駕駛更安全。

上移至毫米波

無(wú)線電頻譜跨度是電磁頻譜的一部分，頻率為 30 至 300 GHz。直到最近，用于通信目的的頻率僅限于微波頻段，通常定義為覆蓋 3 至 30 GHz 范圍。大多數(shù)商業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用該頻段的較低部分——800 MHz 和 6 GHz 之間，也就是 sub-6-GHz 頻段。這意味著智能手機(jī)上的 3G/4G/5G 蜂窩連接、家庭 Wi-Fi、無(wú)線耳機(jī)上的藍(lán)牙連接以及您能想到的幾乎任何東西都將使用這些頻率來(lái)傳輸信息。這代表了當(dāng)今無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的主要關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

雖然使用數(shù)據(jù)的用戶和設(shè)備的數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)，但電信運(yùn)營(yíng)商可用的無(wú)線電頻譜頻段卻沒(méi)有改變。這意味著為每個(gè)用戶分配了有限的帶寬，從而導(dǎo)致速度變慢和頻繁斷開(kāi)連接。

我們必須解決這個(gè)問(wèn)題的一種方法是在頻譜容易獲得的頻段上傳輸信號(hào)。毫米波 (mmWave) 波段特別有趣，因?yàn)檫@部分電磁頻譜中有大量未充分利用的帶寬。

毫米波的主要優(yōu)勢(shì)是頻率復(fù)用和信道帶寬，使該頻段特別適用于多千兆位移動(dòng)通信系統(tǒng)和高吞吐量衛(wèi)星。

此外，在毫米波頻段工作的組件更緊湊、尺寸更小，這使得它們?cè)谖覀冇懈呙芏仍O(shè)備同時(shí)且靠近運(yùn)行的場(chǎng)景中特別有用。

這些優(yōu)勢(shì)使毫米波技術(shù)成為提高數(shù)據(jù)傳輸性能的方式——信息時(shí)代引擎的渦輪增壓。

讓我們探討一下毫米波技術(shù)是關(guān)鍵推動(dòng)力的四個(gè)用例。

毫米波技術(shù)的四個(gè)用例，指示頻率覆蓋范圍和信號(hào)帶寬

多千兆連接：滿足容量和速度需求

滿足越來(lái)越多的用戶接入移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)高質(zhì)量服務(wù)的需求對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

當(dāng)今最新通信系統(tǒng)中使用的 sub-6-GHz 蜂窩頻段非常擁擠和分散。因此，為了滿足預(yù)期和期望的數(shù)據(jù)吞吐量，需要采用毫米波范圍內(nèi)的高頻段，以便在仍然沒(méi)有干擾且尚未分配的頻譜段中容納更多用戶。

毫米波頻段提供了新的空間和更大的信息帶寬，允許高達(dá) 10 Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。這一速度可與光纖媲美，比當(dāng)前的 4G 技術(shù)快 100 倍。

更多的用戶和更多的連接意味著網(wǎng)絡(luò)壓力。雖然我們假設(shè)空氣被用作無(wú)線傳輸介質(zhì)并且沒(méi)有帶寬限制，但事實(shí)上它確實(shí)如此。

如果連接數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)無(wú)法適應(yīng)這種新需求，我們的生活就像在一個(gè)大體育場(chǎng)觀看足球比賽一樣，由于用戶數(shù)量過(guò)多，無(wú)法給朋友打電話或發(fā)消息。想同時(shí)做同樣的事情。

5G 或 Wi-Fi (802.11ay) 等新技術(shù)旨在克服這些挑戰(zhàn)并保證所謂的“人群中的優(yōu)質(zhì)服務(wù)”。

例如，毫米波特性對(duì)于應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)非常重要。由于與大氣吸收有關(guān)的高頻特性，當(dāng)您移動(dòng)到更高頻率時(shí)，傳輸范圍會(huì)變短。毫米波允許近距離通信長(zhǎng)達(dá) 100 米，而不是千米。在這種情況下，可以重復(fù)使用頻率，從而允許同時(shí)運(yùn)行互不干擾的網(wǎng)絡(luò)。波束成形等技術(shù)還增加了蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量，提高了針對(duì)用戶的傳輸效率。

衛(wèi)星通信：實(shí)現(xiàn)更靈活的方法

衛(wèi)星通信在全球電信系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前有 3,000 多顆運(yùn)行中的衛(wèi)星在地球軌道上運(yùn)行，其中 1,800 多顆是通信衛(wèi)星。

過(guò)去兩年，多家商業(yè)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始發(fā)射高通量衛(wèi)星星座。

與傳統(tǒng)的固定、廣播和移動(dòng)衛(wèi)星服務(wù)相比，這些下一代衛(wèi)星將能夠提供高達(dá) 400% 的吞吐量。與傳統(tǒng)衛(wèi)星技術(shù)中使用的寬波束相比，這種容量的顯著增加是通過(guò)使用“點(diǎn)波束”架構(gòu)覆蓋所需的服務(wù)區(qū)域來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中。

這種架構(gòu)受益于更高的發(fā)射/接收增益，允許使用更高階的調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。此外，作為由多個(gè)點(diǎn)波束覆蓋的服務(wù)區(qū)域，運(yùn)營(yíng)商可以配置多個(gè)波束以重復(fù)使用相同的頻帶和極化，從而在需要和請(qǐng)求的地方提高容量。4

目前運(yùn)行的大多數(shù)高通量衛(wèi)星工作在 Ku（12-18 GHz）和 Ka 波段（26.5-40 GHz），但頻率越來(lái)越高，Q 和 V 波段（40-75 GHz）正在部署中）。

汽車(chē)?yán)走_(dá)：利用毫米波分辨率

汽車(chē)?yán)走_(dá)是檢測(cè)物體距離（范圍）和運(yùn)動(dòng)的最可靠技術(shù)，包括幾乎所有條件下的速度和角度。它使用反射的無(wú)線電波來(lái)檢測(cè)其他障礙物后面的障礙物，并且對(duì)信號(hào)處理的要求很低。

以 24 GHz 窄帶傳感器為主流的汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感技術(shù)現(xiàn)在正迅速向 76 至 81 GHz 高頻頻段和 5 GHz 寬帶寬發(fā)展，提供卓越的距離分辨率和對(duì)霧等遮擋物的免疫能力和煙霧。更高頻率和更寬帶寬的汽車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)在距離分辨率方面的改進(jìn)幅度很大，因?yàn)榫嚯x測(cè)量誤差和最小可分辨距離與帶寬成反比。

從 24 GHz 過(guò)渡到 79 GHz 可在距離分辨率和準(zhǔn)確度方面提供 20 倍的性能提升。此外，波長(zhǎng)越小，速度測(cè)量的分辨率和精度也會(huì)成比例地增加。因此，通過(guò)從 24 GHz 過(guò)渡到 79 GHz，速度測(cè)量可以提高 3 倍。

從傳統(tǒng) 24-GHz 系統(tǒng)過(guò)渡到 79-GHz 系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是尺寸和重量的增加。由于 79-GHz 信號(hào)的波長(zhǎng)是 24-GHz 系統(tǒng)的三分之一，因此 79-GHz 天線的總面積是類似 24-GHz 天線的九分之一。開(kāi)發(fā)人員可以使用更小更輕的傳感器并更輕松地隱藏它們，以實(shí)現(xiàn)更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和汽車(chē)設(shè)計(jì)。5

擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)：新時(shí)代的開(kāi)始

擴(kuò)展現(xiàn)實(shí) (XR) 是一個(gè)新興的總稱，涵蓋了所有沉浸式技術(shù)—— ?增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR)、虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)、混合現(xiàn)實(shí) (MR)以及在它們之間插值的區(qū)域。XR 將在娛樂(lè)、醫(yī)學(xué)、科學(xué)、教育和制造等不同領(lǐng)域產(chǎn)生令人興奮的應(yīng)用，改變我們看待和與周?chē)澜缁?dòng)的方式，無(wú)論是真實(shí)的還是計(jì)算機(jī)生成的。

雖然市場(chǎng)上已經(jīng)存在 VR 和 AR 應(yīng)用程序，但采用速度很慢，主要原因是帶寬和延遲。今天的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些應(yīng)用程序施加了嚴(yán)重的限制，例如延遲和容量，這可能會(huì)完全否定用戶體驗(yàn)。

由于傳輸帶寬增加和低延遲，5G 中實(shí)施的毫米波技術(shù)將加強(qiáng)現(xiàn)有體驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)新體驗(yàn)，為大規(guī)模采用鋪平道路。然而，要提供真正身臨其境的 AR，至少需要將數(shù)據(jù)速率提高十倍，從而對(duì)實(shí)際的 5G 技術(shù)提出重大挑戰(zhàn)。6然而，技術(shù)不斷創(chuàng)新，而這一次，無(wú)線電頻譜將成為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。

6G 將是第六代廣域無(wú)線技術(shù)，將頻段的可用性擴(kuò)展到太赫茲頻段，高于 5G 運(yùn)行的毫米波頻率范圍。

6G 還將數(shù)據(jù)速率從 5G 的 20 Gbps 提高到 1 Tbps。此外，6G 將延遲降低到 1 毫秒以下。如此一來(lái)，6G 的流量容量將從 5G 的 10 Mbps/m 提高到 10 Gbps/m 的理論最大值。

全息通信、觸覺(jué)互聯(lián)網(wǎng)和完全沉浸式 AR/VR 是這項(xiàng)未來(lái)技術(shù)將成為可能的其他應(yīng)用之一，而毫米波再次成為這種變化的引擎，并且可能是新時(shí)代開(kāi)始的觸發(fā)器，在這個(gè)時(shí)代，創(chuàng)造力和想象力將在我們的存在中占據(jù)中心位置。

參考

1 https://www.iea.org/reports/data-centres-and-data-transmission-networks

2 https://www.ericsson.com/en/mobility-report/dataforecasts/mobile-traffic-update?gclid=EAAIQobChMI183k18nh7gIVitPtCh3NsA-tEAAYASAAEgJksPD_BwE&gclsrc=aw.ds

3 https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/executive-perspectives/annual-internet-report/white-paper-c11-741490.html

4 https://www.avantiplc.com/wp-content/uploads/2018/08/ADL_High_Throughput_Satellites-Main_Report.pdf

5 https://www.keysight.com/us/en/assets/7018-06176/white-papers/5992-3004.pdf

6 https://cdn.codeground.org/nsr/downloads/researchareas/20201201_6G_Vision_web.pdf

關(guān)于作者

Giovanni D'Amore 是是德科技的產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)射頻和微波產(chǎn)品。在此之前，他曾在 Hewlett-Packard、Agilent Technologies 以及現(xiàn)在的 Keysight Technologies 的多個(gè)產(chǎn)品線中擔(dān)任過(guò)多個(gè)營(yíng)銷、業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用支持職位。Giovanni 是一名擁有理學(xué)碩士學(xué)位的工程師。在意大利巴勒莫大學(xué)獲得電子和電信博士學(xué)位，并撰寫(xiě)了幾篇有關(guān)微波測(cè)量技術(shù)的文章。他經(jīng)常在 IMS 和 EuMW 等微波會(huì)議上發(fā)表演講。

審核編輯 黃昊宇