近日，南京網(wǎng)絡通信與安全紫金山實驗室研發(fā)團隊已成功研制CMOS毫米波全集成4通道相控陣芯片，并完成了芯片封裝和測試，每通道成本可由1000元降至20元;同時，其封裝集成了1024通道天線單元的毫米波大規(guī)模有源天線陣列，有望2022年規(guī)模商用于5G系統(tǒng)。中國工程院院士劉韻潔表示，這是我國5G毫米波芯片的重大突破，先前毫米波芯片的缺失將部分制約我國5G的發(fā)展。那么，長時間以來是什么影響了毫米波的商業(yè)化進程？開發(fā)毫米波有何必要性？對5G規(guī)模商用有何意義？

毫米波緣何不是“5G首選”？

從2G到4G，移動通信的頻段基本在2.7GHz以下，但當?shù)皖l段的頻譜資源被耗盡時，就只能在高頻段獲取頻譜資源。

5G頻段目前分為兩部分，一個是FR1（也叫Sub-6GHz），另一個FR2，也就是毫米波。Sub-6GHz具有頻率低、繞射能力強、覆蓋效果好等優(yōu)點，是當前5G的主用頻譜，在建網(wǎng)初期可以利用舊站址的部分資源實現(xiàn)5G網(wǎng)絡的快速部署。

不同于早已被業(yè)界熟知的Sub-6GHz頻段，F(xiàn)R2這段頻譜的電磁波波長大部分都是毫米級別的。賽迪智庫無線電管理研究所副所長彭健對《中國電子報》記者表示：“受制于無線電波的物理特性，毫米波的短波長和窄光束特性讓信號分辨率、傳輸安全性以及傳輸速度得以增強，但也使得傳輸距離大大縮減，且信號穿透能力較差，設備造價昂貴且功耗也高，因此國內目前主要以Sub-6GHz頻段擴展5G網(wǎng)絡。”

谷歌公司對相同范圍內、相同基站數(shù)量的5G覆蓋測試顯示，采用毫米波部署的5G網(wǎng)絡，100Mbps速率的可以覆蓋11.6%的人口，在1Gbps的速率下可以覆蓋3.9%的人口;而采用Sub-6GHz頻段的5G網(wǎng)絡，100Mbps速率的網(wǎng)絡可以覆蓋57.4%的人口，在1Gbps的速率下可以覆蓋21.2%的人口。可以看到，在Sub-6GHz下運營的5G網(wǎng)絡覆蓋率是毫米波5倍以上，這也讓基于毫米波的通信系統(tǒng)難以短時間商用化。

開發(fā)毫米波仍十分必要

這個令人“喜憂參半”的技術為何被行業(yè)寄予厚望？據(jù)ITU IMT-2020規(guī)范要求，5G速度需達到20Gbit/s，因此單靠Sub-6GHz是搞不定的，需要用上毫米波。

毫米波有哪些優(yōu)勢？一是毫米波的頻譜豐富，可以搭載的寬帶頻段范圍較廣;二是毫米波的傳輸速率快，最低傳輸速率可達到10Gbps;三是毫米波的波束較窄，在空間中辨別方向能力強，傳輸方向性好;四是由于光束窄，基于毫米波制作出來的芯片更易做到小型化;五是毫米波的載波間隔較大，單SLOT周期是低頻Sub-6GHz的1/4，空口時延較低，在一些對時延要求較高的場景中大有可為。

一位通信行業(yè)專家曾向《中國電子報》記者比喻，Sub-6GHz頻段仿佛是擁擠的地鐵，Wi-Fi、藍牙、衛(wèi)星廣播等都“擠”在一起，難免會“打架”。而位于高頻段的毫米波擁有大量未被充分利用的頻譜資源，就像是無人區(qū)飛馳的敞篷跑車，時延低，容量高，可以同時有更多設備連接，因此研發(fā)毫米波器件成為未來推動5G發(fā)展的方向之一。

毫米波對5G發(fā)展的重要性不可言喻。在5G網(wǎng)絡領域，移動行業(yè)可以利用毫米波無線電頻譜為5G網(wǎng)絡提供所需要的帶寬，以滿足高速的移動網(wǎng)絡需求。根據(jù)GSMA報告，在5G毫米波所帶來的創(chuàng)新服務推動下，到2034年中國將占亞太地區(qū)2120億美元經(jīng)濟增長額的53%。

中國移動研究院首席科學家易芝玲表示，毫米波在未來可能會帶來室內超高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍埃@樣也可能會帶來一些上層業(yè)務應用的創(chuàng)新，包括基于XR的教育、電影、游戲等業(yè)務，相關的產業(yè)相應的也會有很大的收益。

GSMA大中華區(qū)公共政策總經(jīng)理關舟表示，只有通過毫米波頻譜的使用，中國才能全面釋放5G的能力，并由此從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、娛樂服務和智能交通領域的最高標準以及更好的醫(yī)療保健和教育中進一步受益，從而改善居民的生活，并改變其工業(yè)并創(chuàng)造更多發(fā)展新動能。

彭健指出，Sub-6GHz頻段覆蓋廣，信號強且穩(wěn)定;而毫米波速度快，時延低，能實現(xiàn)點對點超高速傳播，兩者各有優(yōu)勢，具體還要看是看哪個更適合運營商建設和使用場地的實際需要。未來毫米波系統(tǒng)可以用于室內場館及辦公區(qū)覆蓋，也可應用于室外熱點覆蓋、無線寬帶接入等，與Sub-6G協(xié)同組成雙連接異構網(wǎng)絡，實現(xiàn)大容量和廣覆蓋的有機結合，可見未來市場空間可觀。

毫米波技術水平有待加強

“受制于相關器件的成本和技術水平，我國毫米波器件還未實現(xiàn)大規(guī)模量產和商用，整個產業(yè)仍屬于起步階段。”彭健說。

易芝玲也指出，我國的毫米波相對于低頻段，整體產業(yè)鏈完善程度還不足夠，包括器件的成熟度等，還需要進一步推動整體產業(yè)鏈成熟。中國目前重點關注于Sub-6GHz的5G商用，在這個窗口期，國內的毫米波上下游產業(yè)應該盡快積累技術，縮小與國外頂尖水平的差距。

毫米波發(fā)展雖面臨許多挑戰(zhàn)與瓶頸，但是業(yè)界均對其發(fā)展抱有極大希望。對于5G毫米波系統(tǒng)來說，業(yè)界希望將微波器件安裝在天線基站背面，這就要求微波芯片的集成度大大提高，因此，具備經(jīng)濟成本低、高集成度優(yōu)勢的CMOS工業(yè)則具備明顯優(yōu)勢。

中國工程院院士劉韻潔日前宣布，南京網(wǎng)絡通信與安全紫金山實驗室已研制出CMOS毫米波全集成4通道相控陣芯片，并完成了芯片封裝和測試。據(jù)了解，此次封裝和測試的全集成4通道相控陣芯片，研發(fā)團隊通過設計將其每通道成本由1000元降至20元，同時，該實驗室封裝集成1024通道天線單元的毫米波大規(guī)模有源天線陣列，這也將為商用市場提供更強的性能支持。劉韻潔透露，此次封裝和測試的芯片與天線陣列有望在2022年商用于我國的5G系統(tǒng)。

業(yè)內專家向《中國電子報》記者表示，由于沒有披露更多細節(jié)，該款芯片是如何實現(xiàn)成本降低90%以上的，還不太好分析。但該款芯片將毫米波天線與毫米波芯片封裝在一起，采用了AiP封裝技術，在某種意義上有利于促進我國的5G毫米波商用進程，對國內其他5G毫米波商用技術的研發(fā)奠定了一定基礎，國內運營商也可將5G毫米波傳輸技術與Sub-6GHz良好結合。
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