毫米波先天不足
毫米波,一般指頻率在30GHz到300GHz這段范圍內的無線電頻譜,跟傳統的無線頻譜相比,頻率要高得多。下圖展示了毫米波在光譜中的位置。毫米波概念提出至今已有130余年,時至今日,毫米波雖然獲得了較多的基礎研究,并在某些領域,如雷達、投影、氣象當中獲得了廣泛的發展,但應用領域依然較為狹窄。
根據傳統觀點,毫米波通信如同雞肋,食之無味,棄之可惜。
原因也很簡單,毫米波雖然只有一個缺點——損耗高,但這個缺點太突出了。毫米波傳播距離短、穿透損耗高、繞射能力越差、雨雪天氣損耗大,這些因素會導致毫米波的衰減和散射,最終造成極大的損耗。如果用低頻2.6GHz(分米波)和高頻28GHz(毫米波)進行對比,在信號傳播路徑相同的情況下,經歷的衰減如下圖所示。同樣的發射功率,經歷同樣的傳播路徑,最終用戶收到28GHz的信號是2.6GHz信號強度的百萬分之一!
幾乎任何東西都可以擋住毫米波信號。電話亭、樹木、人體、玻璃,甚至是一陣淅淅瀝瀝的小雨,只要基站和手機之間有遮擋,網絡會立刻回落到4G。實測顯示,即使終端處于視距(LoS)環境,毫米波小區的覆蓋范圍不過100米左右,幾乎與Wi-Fi覆蓋范圍差不多。
這個缺點顯然是不能被接受的。于是,無線通信大多選擇對毫米波避而遠之。主流的4G通信和衛星通信大多采用分米波,當前5G采用的sub-6GHz頻段則是厘米波,毫米波則幾乎是一塊還未開墾的處女地。
為什么是現在
當然,毫米波也有自己的優勢。其中最大的優勢在于,傳統低頻微波通信的頻段已經十分擁擠,且還要被國防和公共事業分走很多頻段,越來越會面臨著無頻段可用的窘境。而毫米波則擁有著寬闊的、未被占用的頻段,是微波通信的“綠水青山”。如果把sub-6GHz 5G網絡比喻為在一座老城里擴建一條單車道公路,那么毫米波5G就相當于在一座新城里新修一條四至八車道公路。
毫米波的高頻率、高帶寬帶來的是高速度和低延時,毫米波的更高頻率意味著可以在更短的時間內傳輸更多數據。因此,對于固定的數據包大小,高頻系統將比低頻系統具有更低的延遲。除此以外,毫米波還具備小型化、波束窄、方向性好、傳輸質量高、保密性好等優勢。
不過,毫米波損耗高、易被遮擋的缺點卻十分棘手。解決方案有兩種,一種方法是“提質補量”,主流技術通過Massive MIMO﹢波束賦形的方式來提升覆蓋范圍或通過加裝直放站、反射板等方式擴展毫米波的覆蓋范圍。在改進技術的同時,大幅增加基站數量,從而緩解毫米波的“先天不足”。這樣做有望拓展毫米波的應用領域,但會大幅提升成本,經濟上不一定劃得來。
另一種方法是“揚長避短”,利用毫米波的優勢實現錯位競爭,同時規避劣勢。毫米波可以在高帶寬、低延時、小范圍的應用場景下大顯身手。毫米波的超大容量,自然最適合用在人頭攢動的體育場,火車站,或者密集商務區等流量爆點了。另一方面,可以在有低延時需求的垂直行業如工業自動化、遠程醫療、自動駕駛、虛擬現實等領域中應用毫米波技術,帶來實實在在的產業升級體驗。
當前,毫米波還主要用于現有通信系統的補充,并在少數特定應用場景下具有明顯優勢。目前電信運營商對毫米波定位較為清晰,毫米波大概率不會發展為專網,而是應用于公網業務熱點及高流量、低時延需求的高價值行業網。
毫米波的發展是一個系統性工程
當前,毫米波通信還處于較為早期的階段,且不同國家之間也存在一定的差異。筆者認為,毫米波的發展是一個系統性工程,時勢才能造英雄。發展毫米波很重要,但不能只發展毫米波。
首先,毫米波還需要持續的技術進步和不斷地降本增效。毫米波當前的技術尚不完善,這需要第三代半導體的加持,以及毫米波通信芯片和器件的不斷進步。另外,當前毫米波的商用進程還需要解決降本問題,另外,當前毫米波基站還十分昂貴,毫米波5G專網的成本比Wi-Fi和sub-6GHz高得多,沒有經濟性。
其次,毫米波的應用場景要百花齊放。工業自動化、遠程醫療、自動駕駛、虛擬現實、人工智能等都是毫米波的優勢領域,但當前規模都還不大。另外,毫米波也有望在火車站、商業區、體育館等區域獲得廣泛使用,這也仰賴于宏觀經濟特別是商業和服務業的繁榮。只有下游需求極度豐富,且非毫米波不行,毫米波才有持續發展的動力。
而這些,都還需要很長的時間。所以,于投資而言,毫米波還是故事。