Varför välja mmWave för 5G?

 Enligt 3GPP 38.101-avtalet använder 5G NR huvudsakligen två frekvensband: FR1 frekvensband och FR2 frekvensband. Frekvensområdet för FR1-frekvensbandet är 450MHz-6GHz, även känt som sub 6GHz-frekvensbandet; frekvensområdet för FR2-frekvensbandet är 24,25GHz-52,6GHz, vilket vanligtvis kallas millimetervåg (mmWave)

Under lång tid i historien tillhörde millimetervågbandet det vilda. Varför? Anledningen är enkel, eftersom få elektroniska komponenter eller enheter kan sända eller ta emot millimetervågor. Varför finns det ingen elektronisk enhet för att skicka eller ta emot mmWave? Det finns två skäl.

Det första skälet är att även om millimetervågor kan ge större bandbredd och högre datahastigheter, krävde tidigare mobilapplikationer inte så stora bandbredder och så höga datahastigheter, och det fanns ingen marknadsefterfrågan på millimetervågor. Och millimetervåg har några uppenbara begränsningar, som för stor utbredningsförlust, för liten täckning och så vidare.

Det andra skälet är att mmWave är för dyrt. Att producera integrerade kretskomponenter i submikronstorlek som kan arbeta i millimetervågsfrekvensbandet har varit en utmaning. Att övervinna spridningsförluster och förbättra täckningen innebär också mycket pengar. Men under de senaste tio åren har allt förändrats.

Med den snabba utvecklingen av mobil kommunikation är frekvensresurserna inom 30GHz nästan förbrukade. Regeringar och International Organization for Standardization har allokerat alla "bra" frekvenser, men det finns fortfarande frekvensbrist och frekvenskonflikter. Utvecklingen av 4G-cellsystem och det kommande 5G beror på korrekt frekvensallokering. Problemet är att det finns väldigt få frekvenser kvar.

Millimetervågor är som en ny kontinent i Amerika och ger mobilanvändare och mobiloperatörer "ändlösa" frekvensresurser.

Millimetervågor ger stor bandbredd och hög hastighet. Den maximala bandbredden som kan användas av ett 4G LTE-cellsystem baserat på sub6GHz-bandet är 100MHz, och datahastigheten överstiger inte 1Gbps. I mmWave-bandet är den maximala bandbredden som kan användas av mobilapplikationer 400MHz, med datahastigheter så höga som 10Gbps eller mer.

Efterfrågan är alltid den största drivkraften för innovation. Den tekniska svårigheten att producera billiga och högkvalitativa integrerade kretskomponenter med millimetervågband övervanns snabbt. Genom att använda nya material som SiGe, GaAs, InP och GaN, såväl som nya produktionsprocesser, har transistorer så små som tiotals eller till och med flera nanometer integrerats på chips som arbetar i millimetervågbandet, vilket kraftigt minskar kostnaden.

Är vi nu fria att använda vilken millimetervåg som helst mellan 20GHz och 300GHz? Inte än. Varför kan millimetervågsfrekvenser inte användas godtyckligt? När radiovågor utbreder sig kommer atmosfären selektivt att absorbera elektromagnetiska vågor av vissa frekvenser (våglängder), vilket resulterar i särskilt allvarliga utbredningsförluster av dessa elektromagnetiska vågor. Det finns huvudsakligen två atmosfäriska komponenter som absorberar elektromagnetiska vågor: syre och vattenånga. Resonansen som orsakas av vattenånga absorberar elektromagnetiska vågor runt 22 GHz och 183 GHz, medan resonansabsorptionen av syre påverkar elektromagnetiska vågor runt 60 GHz och 120 GHz. Så vi kan se att oavsett vilken organisation som allokerar millimetervågresurser kommer den att undvika frekvensbanden nära dessa fyra frekvenser.

En av de mest kritiska begränsningarna är att mmWave-resor är verkligen begränsade. Fysikens lagar säger oss att ju kortare våglängd, desto kortare utbredningssträcka under samma sändningseffekt. I många scenarier kommer denna begränsning att resultera i mmWave-utbredningsavstånd på högst 10 meter. Allt har två sidor. Det lilla utbredningsavståndet är ibland en fördel med millimetervågsystemet. Det kan till exempel minska interferens mellan millimetervågsignaler. Högförstärkningsantennerna som används i mmWave-system har också bra riktningsförmåga, vilket ytterligare eliminerar störningar. Sådana smalstrålande antenner ökar kraften och täckningen, samtidigt som de ökar säkerheten och minskar sannolikheten för att signaler ska fångas upp.

Dessutom minskar den "högfrekventa" begränsande faktorn antennens storlek, vilket är en annan oväntad överraskning. Om vi antar att storleken på den antenn vi använder är fixerad i förhållande till den trådlösa våglängden, som 1/2 våglängd eller 1/4 våglängd, så innebär en ökning av bärfrekvensen att antennen blir mindre och mindre. Till exempel är längden på en 900M GSM-antenn cirka tiotals centimeter, medan millimetervågsantennen kanske bara är några millimeter. Som sagt, vi kan tränga in fler och fler högbandsantenner i samma utrymme. Baserat på detta faktum kan vi kompensera för högfrekvent vägförlust genom att öka antalet antenner utan att öka storleken på antennuppsättningen. Detta gör det möjligt att använda massiv MIMO-teknik i 5G mmWave-system.

Efter att ha övervunnit dessa begränsningar kan 5G-system som arbetar på millimetervågor tillhandahålla många tjänster som 4G inte kan tillhandahålla, såsom högupplöst video, virtuell verklighet, förstärkt verklighet, trådlös basstationsbackhaul (backhaul), radardetektering med kort räckvidd, tät stadsinformation tjänster, arenor/Konserter/Trådlösa kommunikationstjänster för köpcentrum, fabriksautomationskontroll, telemedicin, säkerhetsövervakning, intelligenta transportsystem, säkerhetsinspektioner på flygplatser, etc. Utvecklingen och utnyttjandet av millimetervågbandet ger ett brett utrymme och obegränsad fantasi för 5G-applikationer.

Sedan 3GPP beslutat att 5G NR kommer att fortsätta använda OFDM-teknik, jämfört med 4G, har 5G ingen störande teknisk innovation, och millimetervågen har nästan blivit den största "nya idén" av 5G. Införandet av andra nya teknologier i 5G, såsom massiv MIMO, ny numerologi (underbärvågsavstånd, etc.), LDPC/Polar-koder, etc., är nära besläktade med millimetervågor, allt för att möjliggöra att OFDM-tekniken bättre kan utökas till millimeters vågband. För att anpassa sig till millimetervågornas stora bandbreddsegenskaper definierar 5G flera underbärvågsintervall, varav de större underbärvågsintervallen (60KHz och 120KHz) är speciellt designade för millimetervågor. Den tidigare nämnda massiva MIMO-tekniken är också skräddarsydd för millimetervågor. Därför kan 5G också kallas "enhanced 4G extended to mmWave" eller "enhanced LTE extended to mmWave".