迄今為止，全球已有超過45家OEM廠商已經或即將宣布推出5G終端，超過50家運營商部署了5G商用網絡，超過345家運營商正在投資5G...

5G在世界范圍內被廣泛認同為工業4.0時代的通用使能技術，它將帶來用戶體驗的革命性提升和千行百業的數字化轉型，給數字娛樂、醫療、健康、能源制造、交通運輸等行業注入新的活力，激發新的潛能。

相關數據顯示，迄今為止，全球已有超過45家OEM廠商已經或即將宣布推出5G終端，超過50家運營商部署了5G商用網絡，超過345家運營商正在投資5G。從終端角度看，2022年5G手機出貨量預計將達到7.5億部，全球5G連接數預計將從2023年的10億個增長到2025年的28億個。

圖1：全球5G部署規劃展望

5G毫米波產業鏈基本成熟

眾所周知，6GHz以下(FR1)頻段和毫米波(FR2)頻段是承載5G部署的核心。只有當網絡在高頻部署有毫米波、中頻部署有Sub-6GHz與LTE、低頻部署有2G與3G網絡，再配合多載波聚合技術時，整個5G網絡的速率、覆蓋、時延三項指標才能達到最優。

目前來看，FR1頻段相對更加擁擠，除中國外，很少有國家能在6GHz以下為運營商分配100M以上的連續頻譜；毫米波頻段雖然覆蓋能力相對較弱，但豐富的頻譜資源可以實現高速的數據傳輸，并顯著提高容量，對于充分釋放5G性能、容量、吞吐量的全部潛能而言至關重要。

GSMA發布的《5G毫米波技術白皮書》顯示，5G毫米波預計將在2035年前對全球GDP做出5650億美元的貢獻，占5G總貢獻的25%。而在中國市場，預計到2034年，5G毫米波頻段所帶來的經濟收益將達到約1040億美元，其中垂直行業領域中的制造業和水電等公用事業占貢獻總數的62%，專業服務和金融服務占12%，信息通信和貿易占10%。

“但目前5G毫米波的商業化還處在初期，產業鏈沒有全面開花，應用場景處在‘養在深閨人未識’的狀態中。”GSMA大中華區總裁斯寒說。

2019年國際電信聯盟(ITU)的世界無線電通信大會(WRC-19)是毫米波發展史上的重要一刻。會議確定了24GHz至86GHz之間的毫米波頻段將用于國際移動通信(IMT)，其中24.25-27.5GHz、37-43.5GHz、45.5-47GHz、47.2-48.2GHz和66-71GHz頻段為全球融合一致的IMT頻段，標志著全球產業朝5G毫米波的最佳性能和規模效應最大化邁出了堅實的一步。

截止2020年6月，已有17個國家和地區的79家運營商擁有了在24.25-29.5GHz部署5G毫米波的頻率許可，超過120家運營商正在積極投資毫米波。除了普遍看好的28GHz頻段外，美國還在積極推進24GHz/37GHz/39GHz/47GHz的商業網絡部署；在亞洲，中國早在2017年7月就批準在24.75-27.5GHz和37-42.5GHz的5G毫米波頻段內開展研發試驗，日本、韓國、泰國、中國香港和中國臺灣也已經完成了26GHz和28GHz部分頻譜的分配或拍賣；歐盟于2019年5月統一26GHz頻段的無線電頻譜，使成員國能夠為頻段使用設定共同的技術條件并開放使用，意大利、芬蘭、挪威已經完成部分頻譜的分配或拍賣。

圖2：全球運營商5G毫米波24.25-29.5GHz投資情況

盡管在毫米波頻段的分配和使用上，歐美國家比中國要先行一步。但由于5G屬于“新基建”戰略的重要組成部分，國內三大運營商在5G毫米波建設上的節奏也開始明顯加快。

中國聯通研究院副院長遲永生表示，隨著5G的發展以及行業應用拓展，通信頻段必然向毫米波方向發展。自中國聯通與中國電信共建共享一年多來，截止今年8月底，雙方共完成30萬個共享基站的建設，2020年的總體工作量已完成了93%，對所有地級市都完成了共享建設覆蓋，今年年底共享基站數量將達38萬站，兩家運營商共節省約600億元的投資。

“從中國移動的角度來看，毫米波有望在2022年具備規模商用的能力，以SA為基礎部署毫米波網絡對運營商來說會是比較理想的選擇。屆時，中移動將考慮采用載波聚合、雙連接的部署方式與6GHz以下頻段進行配合，以解決毫米波部署瓶頸。”中國移動通信研究院無線與終端技術研究所副所長李男說，外場測試數據顯示，24.75-27.5GHz頻段下采用3DEU結構時，測試帶寬支持100M、200M、400M和800M，小區峰值速率可以達到14.7Gbps，用戶時延1-1.5毫秒，與理論分析數值吻合，有效提升了對毫米波的信心。

而從設備和芯片廠商角度來看，目前主流設備廠商均支持800M帶寬，高通發力最早，已有多代商用毫米波天線模組產品能夠支持毫米波全頻段。此外，三星Exynos 5123、聯發科Helio M80等系列芯片也能夠支持毫米波。國內終端方面，中興、一加、OPPO、移遠等廠商分別推出了支持毫米波的移動熱點、手機、模組等產品。例如OPPO攜手愛立信，實現了5G毫米波商用系統與商用CPE的端到端測試，4.06Gbps的下行速率以及210Mbps的上行速率，并在拉遠測試中，2.3千米處仍然保持200Mbps的下行速率。

兵馬未動，標準先行

從標準成熟度來說，無論是中國采用的3.5GHz，還是美國主導的28GHz，兩者是同步的。例如Rel-16項目中已經引入了許多支持毫米波的5G NR增強特性，包括支持小基站靈活部署的集成接入與回傳(IAB)技術、增強型波束管理、雙連接優化、定位技術等，旨在重點增強垂直行業應用及提升整體系統性能。同時，為了進一步提升5G NR毫米波能效，R16還支持終端輔助節電、高效載波聚合運行和C-DRX(基于聯網狀態下的非連續接收)等功能。

在Rel-17及未來版本項目中，更多支持毫米波5G NR增強的特性將被引入，包括優化IAB支持分布式部署，從而幫助引入全雙工運行和移動中繼(例如汽車)，以提升容量、覆蓋和服務質量；優化的網絡覆蓋和波束管理以減少系統開銷、增強性能、提高網絡覆蓋；繼續擴展頻譜范圍，支持從52.6GHz到71GHz的頻段以及免許可頻譜；支持eMBB之外的全新場景，將毫米波支持擴展至直連通信、URLLC（超高可靠與低時延通信）和工業物聯網領域；持續增強定位技術，實現厘米級精度，更低時延和更高的容量。

圖3：3GPP標準時間表

除了物理層和系統設計之外，3GPP在射頻標準方面也對毫米波進行了廣泛的支持，包括在R15階段針對運營商關注的毫米波頻段做了單頻段標準化、在R16/R17階段進一步支持毫米波頻段內載波聚合，以及FR1和FR2跨頻段的載波聚合和雙鏈接等，基本可以滿足目前運營商對毫米波部署的需求。后續，3GPP還將會考慮毫米波頻段之間的跨頻段載波聚合，進一步豐富毫米波工作場景和頻段的組合。

需求引領三大應用場景

目前，除了重點打造三大應用場景——室內外交通樞紐/場館等熱點覆蓋、工業互聯網等行業應用、家庭/寫字樓無線帶寬接入外，中國聯通正以科技冬奧為時間節點，通過開展冬奧場景的毫米波試點驗證，帶動國內毫米波產業鏈加速發展，預計將于2021年6月完成全部冬奧場館設備部署。

如何基于5G毫米波的特性，更好的實現應用落地？遲永生認為，應充分聚焦應用場景。例如在to C的情況下，要通過提供高質量的服務打造品牌特區，依托5G毫米波確保對熱點區域的[敏感詞]覆蓋，做好業務量的分流；在to A場景下，可以利用FWA（Fixed Wireless Access,固定無線接入）的方式，作為解決家庭寬帶或辦公室寬帶的需求；在to B場景下，毫米波可以與MEC（Mobile Edge Computing,移動邊緣計算）、AI技術結合，在大帶寬、高速率特性上疊加出更多增值業務，為智慧廠區、園區、碼頭等工業互聯網為主場景提供專屬服務。

圖4：體育場館在5G毫米波部署后信號實測結果以及4G與5G毫米波下載速率對比測試結果

“發揮5G毫米波的全部潛能，需要加速向更有價值的移動接入應用拓展。”李男表示。5G毫米波未來潛在的應用場景，除了對速率要求極高的XR（Extended Reality，擴展現實）社交和游戲、高清直播等2C應用之外，還可以在2B行業應用中，發揮5G毫米波超大上行、超大下行數據傳輸、超短時延的技術優勢，拓展5G毫米波在垂直行業的應用，以應用促進毫米波發展。

由于毫米波頻段特性與Sub-6GHz不同，適用場景不同，部署節奏也不同。中國電信高級技術專家陳鵬表示，在5G毫米波網絡部署方面，運營商將不再采取地級市以上的廣域全覆蓋，而是作為容量熱點解決方案，重點部署室內、熱點地區和垂直行業。例如在室內部署時，毫米波能夠與Wi-Fi提供的現有無線服務互補，并擴展至全新的終端類型，帶來卓越速度和無限容量的同時支持增強體驗。同時，5G毫米波的大帶寬和更精準的指向性，也將在光纖資源匱乏地區成為潛在的回傳方案。

5G毫米波的四大誤區

“道”“法”“術”，這是中興通訊無線產品規劃總工王建利給出的形象說法。所謂“道”，是指要從根本上解決毫米波覆蓋差的能力；“法”，是指基于毫米波特有的波束特征，設計自己的陣列天線架構、波束算法、反射板技術；“術”，則是指積極參與3GPP標準的制定，吃透技術細節。

其實就毫米波本身而言，其最大的優勢首先在于頻段資源非常豐富；其次，帶寬大、傳輸速度快，400M甚至800M的帶寬是3.5GHz頻段的4倍，傳輸速度可達10Gbps，空口時延小，為高可靠、低時延業務的開展提供了天然的優勢；最后，毫米波天線尺寸小，可以形成更窄的波束，空間分布能力強，能在一定程度上彌補由于頻率過高導致的傳播損耗和穿透損耗。當然，后者也正是毫米波技術的不足之處，在穿透混凝土的典型場景中，穿透損耗高達109db，是2.6GHz和3.5GHz的2倍以上。

“移動寬帶新突破的關鍵是實現毫米波的移動化”—這是高通工程技術高級總監駱濤博士的核心觀點。如前文所述，毫米波最大的優點是帶寬資源比較豐富，運營商可以利用800MHz帶寬部署網絡。此外，毫米波基站和支持毫米波的手機都能利用載波聚合或波束聚合實現數據傳輸，在減少干擾的同時支持密集的空間復用。

在他看來，毫米波部署的初期側重于智能手機，主要由運營商驅動，且側重于城市人口密集區域。Ookla SPEEDTEST[敏感詞]實測結果顯示，基于6GHz以下頻段(比如3.5GHz、2.6GHz)的現網實測，5G下載速率比4G LTE快5倍，而與6GHz以下頻段相比，5G毫米波終端的實測下載速度快4倍，平均速率高達900Mbps，峰值速率超過2Gbps，這意味著長達10小時的有聲書能夠在1秒鐘內下載完畢，速度非常驚人。同時，毫米波的高容量特性還有助于推動運營商提供無限流量套餐，這對消費者是重大利好。

圖5：與6GHz以下頻段相比，5G毫米波終端的實測下載速度快4倍

高通公司中國區研發負責人徐晧博士則表示，當前產學界，包括消費者對毫米波移動化仍然存在四方面的認知誤區：

誤區一，“毫米波覆蓋范圍有限且成本昂貴”。他認為這一問題可以通過兩方面措施解決：第一，將Sub-6GHz和毫米波結合起來，利用Sub-6GHz的低頻段做全國范圍內的5G覆蓋，在需要大容量、高速率的場景中使用毫米波實現熱點覆蓋；第二，在重點應用場景中部署毫米波網絡，例如奧林匹克場館、音樂廳、商場、交通樞紐等，不僅成本相對低很多，而且能達到比較好的覆蓋效果。

誤區二，“毫米波只支持視距傳輸”。其實支持信道快速切換，是毫米波的一個關鍵解決方案。也就是說，如果一個傳輸路徑被手部或身體其它部位遮擋，通過激活手機上的另一個模塊就可以快速找到一條新的傳輸路徑。當把這種轉換從基站內擴展到不同基站之間后，毫米波傳輸在不同基站之間的切換就能快速實現。

誤區三，“毫米波只用于固定場景”。為了驗證毫米波調制解調器的性能，高通實驗人員要么將手機放置于人流量大且有人群阻擋的場景下測試，要么選擇更[敏感詞]的測試環境，將搭載驍龍X50芯片的手機固定在無人機上，遙控無人機在園區內穿梭飛行。得益于先進的波束管理算法，即使在以上種種極具挑戰性的環境下，手機仍然能夠保持高速網絡連接。

圖6：通過固定在無人機上的移動測試終端，測試5G的[敏感詞]移動性

誤區四，“毫米波終端外形尺寸較大”。以高通率先商用的毫米波模組為例，在非常緊湊的尺寸中集成了天線、射頻前端、收發器，一部手機可以采用多個這樣的毫米波模組，不僅滿足智能手機緊湊纖薄的設計需求，同時滿足功耗需求并提供最大化的性能。

5G毫米波系統的規模部署和商業經營將是5G后續演進和6G技術研發的重要基礎。“只有通過5G毫米波系統的規模部署和商業經營，全球移動通信產業才能獲得高頻段網絡部署經營的第一手經驗，才有可能提煉出進一步的市場和技術需求，才有可能指引5G后續演進和6G技術的研發。”Strategy Analytics無線通訊領域高級分析師楊光說。

避免“紙上談兵”

再先進的通信技術，如果不能裝進智能手機這樣的終端里，無異于“紙上談兵”。一加手機高級無線工程師鐘永衛和小米手機天線部預研團隊負責人謝萬波分別介紹了他們是如何把毫米波技術裝進智能終端的。

鐘永衛說，把毫米波放到手機里面，主要會面臨以下三方面的挑戰：第一，路徑損耗比較高，覆蓋范圍受限，特別是手機如果采用傳統的天線形式，覆蓋范圍會小于3G的1/8以上，連接性會受到很大傷害；第二，如果采用傳統的天線和芯片分離方式，會導致信號傳輸效率低下、發熱嚴重、制造工藝難度加大、手機生產成本提高；第三，毫米波很容易受物體遮擋，特別是對手機來講，不僅有建筑，還要考慮手或者人體的遮擋。

“手機終端要考慮Sub-6GHz和毫米波共存的問題，就會在天線集成、支持較寬頻段等方面遇到挑戰。”謝萬波坦言第一個挑戰是空間問題，如何把毫米波和傳統天線融合在一起，這需要投入很多的精力和人力；第二個挑戰是用戶體驗，毫米波容易被遮擋和手機使用方式比較靈活的矛盾，如何發揮毫米波的優勢，這需要花費很多精力嘗試；第三個挑戰是技術，技術上很多東西和用戶體驗直接相關，這一系列問題需要用新的材料、新的工藝、新的實現方式，這項工作需要產業鏈相關各方一塊技術攻關。”

來自學術界的研究成果同樣大有裨益。東南大學信息科學與工程學院教授、博士生導師，電磁場與微波工程系主任陳繼新分享了毫米波多通道芯片的研究情況。毫米波和太赫茲頻段處于電子學向光子學的過渡頻段，頻譜資源豐富，在信息、生活、[敏感詞]、航天等領域具有很高的學術和工程研究價值。其中，毫米波多通道芯片是5G、B5G/6G移動通信的核心器件，隨著移動通信的進化，毫米波芯片也將不斷演進。

西安電子科技大學劉志宏教授則介紹了第三代半導體材料GaN-on-Si（硅基氮化鎵）用于毫米波系統關鍵射頻器件的技術及現狀。在PA領域，第三代半導體在輸出功率和效率方面有著毋庸置疑的優勢，在雷達、衛星、有線寬帶、基站、射頻能源等領域占主導地位。而在手機射頻器件市場，氮化鎵技術的挑戰來自兩方面：一是熱阻比較高，對于大功率或者特別大功率的功放，散熱性比較差；二是射頻損耗較高，尤其是頻率較高時。此外，從大尺寸晶圓生長制造角度來看，應力、位錯密度、可靠性、CMOS兼容工藝制造等方面也存在挑戰。但從長遠角度來看，隨著5G基站數目和對成本控制的要求逐步增加，GaN就會成為不錯的選擇。

目前市場上主要以碳化硅基氮化鎵產品為主，成熟的商用產品主要來自美國的Macom和歐洲的Ommic，但英特爾、TSMC、三安、英諾賽科等國內外公司目前也都處于高速開發階段。劉志宏教授認為，如果真的期望手機射頻前端市場接受氮化鎵技術，那么與Si CMOS實現工藝兼容[敏感詞]是無法回避的課題。從當前的研究成果來看，西電團隊已經能夠設計制造80nm硅基GaN HEMT，盡管還有很多待優化的空間，但從功率和效率兩方面來看，已經超過了現有的砷化鎵產品，這也代表了其未來在移動終端市場的潛力。