5G網路商用的王牌兵器：白話講解毫米波意義何在？
筆者曾在不止一篇的文章中提到，5G網路將於今年正式進入預商用落地階段。關於5G網路的好處，對於終端使用者而言，你或許只需要知道它是一種相比4G網路的網速快出數倍、數十倍的全新網路，就像把你們家原有的4M入戶寬頻直接更換成千兆光纖一般。唯一不同的是，這次更換的網路你並不能看到實體的網線。
就在前兩天，筆者的一位友人來電諮詢筆者，5G手機什麼時候出來呀？我今年有沒有必要更換5G的電話卡呀？當然，這些都是一些老掉牙的問題了。正在筆者覺得無聊想要掛掉電話的時候，友人的另一個問題引起了筆者的興致——毫米波究竟是什麼呀？它也是5G網路嗎？
當友人提到了毫米波時，筆者就感到比較的意外了，因為筆者的友人並非一個從事電信、媒體等相關行業的人士，他真的只是一個再簡單不過的終端使用者。他都開始聽過毫米波了？但他似乎並不理解什麼是毫米波。於是乎，筆者覺得，應該會有好多的終端使用者與這位友人的情況相同，因此就有了產出這篇文章的動機。
如何理解毫米波？
毫米波，這其實是一個非常學術的概念。由於筆者這篇文章是想要儘可能將它解釋給“友人”去聽，所以，筆者也在反覆考慮究竟應該如何來比喻更為妥當。
或許我們可以這樣的來理解。筆者日常都生活在帝都，帝都的擁堵是全國人民都知曉的。未來，隨著移動終端裝置（可簡單理解為智慧手機）每月消耗的資料量（流量）不斷上升，資料顯示，從2013年到2023年，移動資料流量將實現超過60倍的增長。但是，用來傳輸移動資料流量的資料路徑如果沒有得到很好的升級的話。那就會好比當下的帝都一樣，車輛不斷增多，但道路並未拓寬，直接導致的問題就像週五下班時的北京三環、四環路況一般擁堵不堪。
5G 新空口（5G網路的全球標準 ）便是第一代使用毫米波的無線通訊系統，而這樣的通訊系統，可以利用毫米波提供的更大的頻寬來解決資料路徑擁堵的問題。也就是說，毫米波可被簡單理解為在現有的擁堵道路上架起一座高架橋，橋上便是更加寬闊的高速公路，從而有效的使得原有堵塞的道路（資料路徑）得以緩解。
根據學術資料顯示，如今，諸如24.25-27.5GHz,27.5-29.5GHz頻段的毫米波，其頻寬可以比當前3G/4G網路頻寬多25倍。
毫米波的優點在於？
那麼毫米波之所以會成為5G新空口其中的一種應用形式，自然也是與其多種優點不可分割的。那麼毫米波究竟有哪些優點呢？
優點一：極寬的頻寬
通常認為毫米波頻率範圍為26.5～300GHz，頻寬高達273.5GHz。超過從直流到微波全部頻寬的10倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時只能使用四個主要視窗，但這四個視窗的總頻寬也可達135GHz，為微波以下各波段頻寬之和的5倍。這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。這種吸引力就像，在紅的發紫的地圖導航上，發現一條綠色捷徑般暢快。
優點二：波束窄
在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個12cm的天線，在9.4GHz時波束寬度為18度，而94GHz時波速寬度僅1.8度。因此能分辨相距更近的小目標或更為清晰地觀察目標的細節。來自Qualcomm的馬德嘉博士也表示，毫米波的波束很窄，可以讓訊號更精準地傳輸給特定的使用者。這就好像手電筒與鐳射筆的區別，手電筒可以照亮一整個屋子的人，而鐳射筆可以具有針對性的準確的指向特定方向。
優點三：探測能力強
可以利用寬頻廣譜能力來抑制多徑效應和雜亂回波。有大量頻率可供使用，有效的消除相互干擾。在目標徑向速度下可以獲得較大的多譜勒頻移，從而提高對低速運動物體或振動物體的探測和識別能力。
這一特性一般會被廣泛應用於軍用雷達等技術領域。
優點四：安全保密好
毫米波通訊的這個優點來自兩個方面：
1）由於毫米波在大氣中傳播受氧、水氣和降雨的吸收衰減很大，點對點的直通距離很短，超過這個距離訊號就會變得十分微弱，這就增加了敵方進行竊聽和干擾的難度。
2）毫米波的波束很窄，且副瓣低，這又進一步降低了其被截獲的概率。
優點五：傳輸質量高
由於頻段高毫米波通訊基本上沒有什麼干擾源，電磁頻譜極為乾淨，因此，毫米波通道非常穩定可靠，其誤位元速率可長時間保持在10-12量級，可與光纜的傳輸質量相媲美。
優點六：全天候通訊
毫米波對降雨、沙塵、煙霧和等離子的穿透能力卻要比大氣鐳射和紅外強得多。這就使得毫米波通訊具有較好的全天候通訊能力，保證持續可靠工作。
優點七：元件尺寸小
和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統更容易小型化。
如此多的優點，無疑使得毫米波成為了5G時代的一顆耀眼的明珠。但是，毫米波也並不是那麼的完美無限。
Qualcomm驍龍X55 5G調變解調器
毫米波的缺點是？
凡是有利便有弊，對於毫米波而言，它還是擁有三大天然缺陷的。
缺點一：訊號衰耗大
無線訊號通過大氣傳播時，由於無線訊號的吸收和散射，會產生訊號衰減。通常認為，無線訊號頻率越高，傳播損耗越大，覆蓋距離越近。但是，在毫米波這裡有些例外。毫米波在大氣傳播中主要受氧氣、溼度、霧和雨的影響。
1.氧氣
關於氧氣的影響也不是一概而論的，不同毫米波波段受氧氣的影響是不一樣的。
比如，60GHz必須承受約20dB/km的氧氣吸收損耗，而28GHz、38GHz與73GHz情況就好多了，這也正是目前一些運營商將28GHz定為主要測試物件的原因。
2.溼度
相對於氧氣，溼度對於毫米波的衰減影響較大。在高溫和高溼度環境下，其訊號在1公里內可衰減一半（3dB/km）。和溼度同理，毫米波在通過霧和雲層時，也會產生衰減。
3.雨
雨是毫米波最大的敵人。極端情況下，在特大暴雨天氣下（降雨強度為50毫米/小時），毫米波傳播損耗可達到18.4dB/km。毫米波真正面臨的最大問題是——天氣。雖然暴雨會引起毫米波訊號大幅度衰減，但是隻要做好足夠的鏈路預算，並不會導致毫米波資料鏈路中斷。
我們在進行網路規劃時，可根據不同地區的歷史最大降雨量來預算毫米波無線鏈路損耗，確定毫米波的最大傳輸距離。
缺點二：容易受到阻擋
毫米波除了訊號衰耗大外，還有另一大硬傷——阻擋。這硬傷很難克服，毫米波不但容易被建築物阻擋，還會被人體本身阻擋，甚至是在手握手機時，手也能阻擋它。
Qualcomm通過技術解決人手對毫米波的阻擋
缺點三：傳播距離短
這主要是因為毫米波是一種高頻電磁波，是無法避免的根本缺點。
是否有技術可以解決毫米波的缺陷？
針對三大缺點，目前的工程師早已想出了相應的解決方式，比如針對毫米波傳播距離短、容易受阻擋的問題，工程師們考慮過採用天線陣列進行波束成形，將無線電能量集中起來以增加傳播距離。但這樣的解決方案直接導致天線陣列的體積過大，無法更好的適用於移動終端裝置上。這也是導致業界一直不看好將毫米波應用於移動終端通訊的原因。
當然，解決的辦法不止這一種。例如Qualcomm便採用尖端的波束成形技術打造了一個解決方案，成功將毫米波應用到移動終端上。例如2018年高通曾推出的QTM052毫米波天線模組，很好的將天線體積進行了縮小，使其更加方便的應用到移動終端當中。而2019年初，高通再度推出了比QTM052更小的QTM525 5G毫米波天線模組，使得應用該款天線設計出的移動終端產品基本可以保持機身厚度在8毫米以下。
QTM525 5G毫米波天線模組
此外，為了解決毫米波其他的傳播缺點，必須要讓基站更加靠近使用者，也正因為這樣，業界傳出了很多聲音認為，毫米波的佈網勢必帶來使用者身邊基站的增加，其實也不盡然。根據高通在2019年MWC上的演示，如今通過技術手段，無論是在室內還是室外場景下采用毫米波進行組網，所用的天線、基站都與Wi-Fi情況下相同甚至更低。根本不存在部署小基站成本過高的問題。
關於使用者擔心的輻射問題，外國專家在研究過程中也確定，用於5G網路的毫米波均屬於非電離式的，這就意味著，它並沒有足夠的能量來傷害人體，所以使用者大可放心。
毫米波目前有哪些應用場景？
目前，毫米波具體會被應用到哪些場景下呢？經過Qualcomm之類的技術公司的努力，毫米波已經得到了廣泛的應用場景：
場景一：會議中心的網路覆蓋
相信很多參加過展會的使用者都有這樣的體驗，在參觀大型展會的情況下，現場的網路覆蓋總是十分的不理想，但毫米波便可很好的解決這一問題。如下圖，面積約為130萬平方英尺的拉斯維加斯會議中心，現有（X134）LTE/3G DAS安裝在天花板上，通過5G新空口毫米波gNodeB天線與3G/LTE DAS共址，在28GHz頻段下實現了顯著的覆蓋，下行鏈路覆蓋約95% ，MAPL為115dB；上行鏈路覆蓋約95% ，MAPL為117dB。
當然，在低密度會議中心，毫米波也得到了很好的應用，以下圖為例，總面積約為18萬平方英尺的低密度會議中心，同樣是以5G新空口毫米波gNodeB天線與現有Wi-Fi接入點共址的方式，在28GHz頻段實現顯著覆蓋，下行鏈路覆蓋約87%，MAPL為115dB；上行鏈路覆蓋約92%，MAPL為117dB。
簡而言之，上兩張圖就是簡明扼要的描繪了在不同規模的會議中心下，採用25GHz頻段的毫米波成功的實現了網路的全面覆蓋。
場景二：預測室內體育館的網路覆蓋
毫米波另一個典型的應用場景便是體育館等場地的網路覆蓋。如圖所示，是一座總面積約為3000平方英尺大型室內體育館，圖示中採用了過道天線位置（即高處安裝）便可提供最佳的毫米波覆蓋。同樣是在28GHz頻段下，下行鏈路與上行鏈路覆蓋100%，其中下行鏈路MAPL為110dB、上行鏈路MAPL為112dB。
場景三：室內企業場景的網路覆蓋
在室內企業場景下部署5G新空口毫米波，僅需採用1：1或部分共址，便可實現媲美當下Wi-Fi的網路覆蓋效果，同時實現5G網路的高速率傳輸。
毫米波的未來前景
當然，上述的應用場景還僅僅是一個實驗的環境下，具體應用還需要進行更多的驗證。但可以肯定的是毫米波現已成為5G網路商用落地的主要技術。全球各國也已經正在開始分配毫米波主流頻譜的資源，如下圖所示：
全球通訊技術研發公司也已經開始在3GPP Rel-15以後版本中演進5G新空口毫米波，以便帶來功能、效率、頻譜和部署方面的全新機遇。
簡而言之，對於終端使用者而言，5G新空口毫米波將成為未來直接改變使用者上網體驗的關鍵技術。你只要知道，在毫米波的幫助下，5G網路將會更加迅速的實現商用落地。當5G網路商用落地之後，筆者猜想必將會出現更多現在意想不到的全新使用場景，這些場景，是現在無法想象的，但必將是顛覆使用者體驗的！