世界级重大技术突破,我国5G优势有望延续5-10年

2020-03-24

人类有一个梦想:建立覆盖全球每个角落的宽带通信网络,实现“上天下海进沙漠”都没有信号盲点。

但基站千千万,却总有覆盖不到的地方。要达成目标,就必须推动宽带卫星通信和5G毫米波通信这两件“工具”商用落地。















现在,我国不但首颗宽带通信卫星上了天,毫米波通信也取得突破性进展。

19日,网络通信与安全紫金山实验室宣布:我国自主可控、成本超低的毫米波相控阵芯片问世,它速度快、覆盖广,一脚踢开毫米波通信技术商用的“绊脚石”。



中国工程院院士、紫金山实验室主任刘韵洁评价,本次技术的突破,可为我们国家5G的优势,延续5-10年打下重要基础!

重大喜讯:毫米波相控阵芯片问世

好消息一件接着一件。

5G时代,宽带卫星通信技术能将信号覆盖到世界各个角落,美国太空探索技术公司(埃隆·马斯克的SpaceX)计划在5年内发射4.2万颗卫星,在太空中编织星链。在这方面,我国也不甘落后。

2020年1月16日11时2分,中国在酒泉卫星发射中心用快舟一号甲运载火箭,成功将中国首颗通信能力达10Gbps(10吉比特每秒)的低轨宽带通信卫星——银河航天首发星发射升空。卫星顺利进入预定轨道,任务获得圆满成功。


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接下来就是5G毫米波通信了。毫米波通信频谱资源丰富,5G时代选择使用毫米波频段,速度就好比单车道升级为十车道。

1月19日,南京举行了大规模毫米波相控阵系列成果发布会暨相控阵芯片与系统联合实验室成立仪式,会上网络通信与安全紫金山实验室宣布重大成果:完全自主可控,且成本超低的毫米波相控阵芯片问世。

过去一段时间,宽带卫星通信和5G毫米波通信的关键核心器件“毫米波相控阵芯片”成本高昂,如256通道的典型相控阵天线,售价高达上百万元,严重影响了这一技术的商用推广。

前两天,伪自主的“木兰”让不少人像是呑下了一只苍蝇。

现在我国科技界真正的自主来了!

基于多个项目所形成的技术积累,东南大学教授尤肖虎、紫金山实验室、东南大学教授赵涤燹领导的课题组联合天锐星通科技有限公司,对超低成本CMOS工艺毫米波芯片、大规模天线阵设计进行了深入探索;深南电路股份有限公司同步解决了大规模天线阵电路板制造及集成工艺等关键技术。他们首次较为彻底地疏通了阻碍CMOS毫米波通信芯片走向大规模推广应用的所有核心环节。



赵涤燹表示:“利用硅工艺,同样的大规模相控阵天线产品,我们把成本降低到了可商用的水平,实现了中国在该项技术上的突破!”



“紫金山实验室重点培育和开发的毫米波通信核心芯片和大规模天线阵列技术正式发布,这是国际前沿核心技术的一次重要突破。”中国工程院院士、紫金山实验室主任刘韵洁说,“这项技术的突破,为我国5G优势再延续5-10年打下重要基础。”

5G毫米波通信是什么?

毫米波是什么?翻开我们的高中物理课本就知道,毫米波其实就是一种高频电磁波,它是波长1-10毫米的电磁波,通常来说就是频率在30GHz-300GHz之间的电磁波。

近日,东南大学教授洪伟在研讨会上发表以《5G毫米波及其演进》为主题的演讲,他表示,第五代移动通信(5G)分为低频段(Sub-6GHz FR1:450MHz-6GHz)和高频段(毫米波FR2:24.25-52.6GHz)。


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根据3GPP的协议划定,5G网络未来将会主要使用两段频率——FR1频段和FR2频段。

其中FR1频段的范围为450MHz-6GHz,我们通常将它称之为6GHz以下频段;而另一个FR2频段则集中于24.25GHz至52.6GHz,外界普遍以“毫米波”来称呼它。

2019年11月28消息,5G的毫米波频谱之争终于暂告一段落。国际电信联盟(ITU)最终为5G毫米波频段“扩容”,具体包括24.25-27.5GHz、37-43.5GHz、45.5-47GHz、47.2-48.2GHz 和66-71GHz。

目前,6 GHz以下的黄金通信频段已经很难得到较宽的连续频谱,严重制约了通信产业的发展。相比之下,毫米波频段却仍有大量潜在的未被充分利用的频谱资源。因此,毫米波成为第5代移动通信的研究热点。

根据通讯方面的原理,通讯信号频率与其最大带宽是呈正比的,其大概是频率的5%,以28GHz毫米波为例,其理论最大带宽就有1.4GHz,比起目前4G LTE所使用的800Mhz-2600MHz信号100Mhz左右的带宽相比,先天性就有着十倍以上的带宽差距。

毫米波具有更短的工作波长,可以有效减小器件及系统的尺寸;毫米波又具备丰富的频谱资源,可以胜任未来超高速通信的需求。

此外,由于波长短,毫米波用在雷达、成像等方面有着更高的分辨率。随着第5G、自动驾驶、安检等民用技术的快速发展,毫米波将被广泛应用于人们日常生活的方方面面。

洪伟教授指出,1G-5G仅覆盖地球表面的约20%,基本上是一个沿地球陆地表面的2D网。而6G是对地球表面及近空间全覆盖的3D网,将是人类信息通信的革命。毫米波将是星间链路、用户链路、馈电链路的首选宽带传输技术,SpaceX和StarLink主要采用了Ka和O波段。可以肯定,毫米波技术将是6G网络最重要的支持技术之一。

5G毫米波预计2022年左右商用

洪伟教授表示,5G低频段标准(R15/R16)已颁布,并且我国低频段5G在2019年已开始商用,具体划分为中国移动:2515-2675MHz和4.8-4.9GHz,中国电信:3.4-3.5GHz,中国联通:3.5-3.6GHz,中国广电:700MHz。

目前美国的商用5G毫米波技术以FWA为主。国内5G毫米波频谱还没有正式发布,但已批准24.75-27.5GHz和37-42.5GHz作为实验频段。基于大规模MIMO的5G毫米波技术已趋于成熟,关键技术验证已基本完成,预计在2022年左右开始商用。

中国信通院技术与标准研究所副总工程师徐菲去年11月也曾透露,我国毫米波测试进展比预期的计划大大提前。截至10月底,华为、中兴、诺基亚贝尔三家系统厂家全部完成了今年预计的测试工作,完成了毫米波关键技术测试。中国移动已完成5G毫米波关键技术验证,计划在2022年实现5G毫米波商用部署。

工信部在2019年2月19日公布的《2019年全国无线电管理工作要点》明确指出:“适时发布5G系统部分毫米波频段频率使用规划,引导5G系统毫米波产业发展。”

到了去年6月,工信部又印发的《工业互联网专项工作组2019年工作计划》提出,进一步加快5G工业互联网频率使用规划研究,提出5G系统部分毫米波频段频率使用规划,研究制定工业互联网频率使用指导意见。

“如果要完全释放5G所有潜力,中长期来看,毫米波对中国5G的发展是很重要的。”GSMA大中华区公共政策总经理关舟表示,“WRC-19大会之后,ITU最终为5G毫米波频段落锤,工信部会很快开启毫米波在国内的规划。”

“从2020年到2034年,在15年的时间里,对毫米波频谱资源的利用有望推动全球GDP增长5650亿美元。”GSMA首席监管官JohnGiusti在为2019年世界无线电通信大会(WRC-19)撰文时,描绘了5G毫米波业务发展广阔的前景。

5G毫米波或不再为高通税发愁

在移动通信发展的30年间,毫米波一直都是一片未经开垦的蛮荒之地,虽然诸如高通、爱立信在内的通信巨头的实验室都对它持续地投入研究,但毫米波却没真正走入我们的生活,而这也是市场与技术共同造成的结果。

首先,过去人类对于移动通信的带宽要求并不高,在光纤传输都只有512K甚至更低的年代里,毫米波技术所提供的高带宽基本用不上,因为6GHz以下的窄带宽已经足够满足需求。

同时,由于毫米波技术的高频特点,毫米波本身的传播距离相较于低频段更短,运营商需要实现大规模覆盖往往需要投入更多的成本。因此在频谱资源尚未紧张的年代里,毫米波自然不是可兹利用的首选。

毫米波面临的主要挑战是传播距离太短,而且信号容易被阻挡:只要将手放在智能手机上的天线上,信号就会被屏蔽。



谷歌测试结果对比,左为毫米波覆盖,右为Sub-6覆盖

对于毫米波应用,现在的通讯行业已经有了成熟的解决方案。那就是将毫米波信号集中在一起,形成一道高能量的波束,再运用波束追踪技术直接进行定向传输。这种传输方式的能量集中,具有较好的抗干扰性,完美地弥补了毫米波先天性的不足之处,使其能够支持商用环境。

不过,使用高通毫米波芯片,高通税恐怕又会所有下游产业难以承受之重。自主可控是我国发展5G乃至6G的必走之路。

紫金山实验室重点培育和开发的毫米波通信核心芯片和大规模天线阵列技术正式发布,在世界上首次较为彻底地解决了阻碍CMOS毫米波通信芯片走向大规模推广应用的所有核心环节,从芯片、模块到天线阵面全面实现自主可控技术水平处于国际领先!


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