毫米波技术：迎接信息时代引擎的加速

技术历史的特点是创新工具从根本上改变了我们的生活、工作和社交方式。从第一次工业革命的蒸汽机和水机到数字革命的微处理器标志，再到无线电频谱被用作传输数据和能量的工具的信息时代，每个时代都开发了自己的引擎来转换材料、能源和，最近，知识和信息。

随着我们迈向下一次无线工业革命，无线电频谱是信息时代引擎中的关键推动力。

技术革命时期

信息需求

毫无疑问，信息技术对我们交流、学习和思考的方式产生了巨大影响。随时随地获取信息在日常生活中发挥着重要作用。尤其是现在在大流行时期，我们对这项技术的依赖更加增加了。

在 2020 年 2 月至 4 月期间，互联网流量飙升了近 40% 1，移动网络流量飙升了 50% 2，而且没有迹象表明这一趋势会很快放缓。

信息连接着人，也连接着物体。预测显示，到 2023 年，将有超过 290 亿台联网设备，其中机器对机器连接占总数的一半。3这种类型的通信需要依靠非常高的传输速度和低延迟来启用关键任务应用程序。

自动驾驶汽车和先进的驾驶辅助系统是传输速度和延迟重要性的很好例子。在联网驾驶方面，必须实时传输和分析数据，因为决策必须在几分之一秒内做出，这样车辆才能在撞到障碍物之前停下来或采取行动确保乘客安全。高传输速度可以挽救生命，使驾驶更安全。

上移至毫米波

无线电频谱跨度是电磁频谱的一部分，频率为 30 至 300 GHz。直到最近，用于通信目的的频率仅限于微波频段，通常定义为覆盖 3 至 30 GHz 范围。大多数商业无线网络使用该频段的较低部分——800 MHz 和 6 GHz 之间，也就是 sub-6-GHz 频段。这意味着智能手机上的 3G/4G/5G 蜂窝连接、家庭 Wi-Fi、无线耳机上的蓝牙连接以及您能想到的几乎任何东西都将使用这些频率来传输信息。这代表了当今无线网络的主要关键挑战。

虽然使用数据的用户和设备的数量呈指数增长，但电信运营商可用的无线电频谱频段却没有改变。这意味着为每个用户分配了有限的带宽，从而导致速度变慢和频繁断开连接。

我们必须解决这个问题的一种方法是在频谱容易获得的频段上传输信号。毫米波 (mmWave) 波段特别有趣，因为这部分电磁频谱中有大量未充分利用的带宽。

毫米波的主要优势是频率复用和信道带宽，使该频段特别适用于多千兆位移动通信系统和高吞吐量卫星。

此外，在毫米波频段工作的组件更紧凑、尺寸更小，这使得它们在我们有高密度设备同时且靠近运行的场景中特别有用。

这些优势使毫米波技术成为提高数据传输性能的方式——信息时代引擎的涡轮增压。

让我们探讨一下毫米波技术是关键推动力的四个用例。

毫米波技术的四个用例，指示频率覆盖范围和信号带宽

多千兆连接：满足容量和速度需求

满足越来越多的用户接入移动蜂窝网络对高质量服务的需求对于网络运营商来说至关重要。

当今最新通信系统中使用的 sub-6-GHz 蜂窝频段非常拥挤和分散。因此，为了满足预期和期望的数据吞吐量，需要采用毫米波范围内的高频段，以便在仍然没有干扰且尚未分配的频谱段中容纳更多用户。

毫米波频段提供了新的空间和更大的信息带宽，允许高达 10 Gbit/s 的数据传输速率。这一速度可与光纤媲美，比当前的 4G 技术快 100 倍。

更多的用户和更多的连接意味着网络压力。虽然我们假设空气被用作无线传输介质并且没有带宽限制，但事实上它确实如此。

如果连接数量增加，网络无法适应这种新需求，我们的生活就像在一个大体育场观看足球比赛一样，由于用户数量过多，无法给朋友打电话或发消息。想同时做同样的事情。

5G 或 Wi-Fi (802.11ay) 等新技术旨在克服这些挑战并保证所谓的“人群中的优质服务”。

例如，毫米波特性对于应对这一挑战非常重要。由于与大气吸收有关的高频特性，当您移动到更高频率时，传输范围会变短。毫米波允许近距离通信长达 100 米，而不是千米。在这种情况下，可以重复使用频率，从而允许同时运行互不干扰的网络。波束成形等技术还增加了蜂窝网络容量，提高了针对用户的传输效率。

卫星通信：实现更灵活的方法

卫星通信在全球电信系统中发挥着至关重要的作用。目前有 3,000 多颗运行中的卫星在地球轨道上运行，其中 1,800 多颗是通信卫星。

过去两年，多家商业卫星运营商开始发射高通量卫星星座。

与传统的固定、广播和移动卫星服务相比，这些下一代卫星将能够提供高达 400% 的吞吐量。与传统卫星技术中使用的宽波束相比，这种容量的显着增加是通过使用“点波束”架构覆盖所需的服务区域来实现的，例如在蜂窝网络中。

这种架构受益于更高的发射/接收增益，允许使用更高阶的调制，从而实现更高的数据速率。此外，作为由多个点波束覆盖的服务区域，运营商可以配置多个波束以重复使用相同的频带和极化，从而在需要和请求的地方提高容量。4

目前运行的大多数高通量卫星工作在 Ku（12-18 GHz）和 Ka 波段（26.5-40 GHz），但频率越来越高，Q 和 V 波段（40-75 GHz）正在部署中）。

汽车雷达：利用毫米波分辨率

汽车雷达是检测物体距离（范围）和运动的最可靠技术，包括几乎所有条件下的速度和角度。它使用反射的无线电波来检测其他障碍物后面的障碍物，并且对信号处理的要求很低。

以 24 GHz 窄带传感器为主流的汽车雷达传感技术现在正迅速向 76 至 81 GHz 高频频段和 5 GHz 宽带宽发展，提供卓越的距离分辨率和对雾等遮挡物的免疫能力和烟雾。更高频率和更宽带宽的汽车雷达系统在距离分辨率方面的改进幅度很大，因为距离测量误差和最小可分辨距离与带宽成反比。

从 24 GHz 过渡到 79 GHz 可在距离分辨率和准确度方面提供 20 倍的性能提升。此外，波长越小，速度测量的分辨率和精度也会成比例地增加。因此，通过从 24 GHz 过渡到 79 GHz，速度测量可以提高 3 倍。

从传统 24-GHz 系统过渡到 79-GHz 系统的另一个优势是尺寸和重量的增加。由于 79-GHz 信号的波长是 24-GHz 系统的三分之一，因此 79-GHz 天线的总面积是类似 24-GHz 天线的九分之一。开发人员可以使用更小更轻的传感器并更轻松地隐藏它们，以实现更好的燃油经济性和汽车设计。5

扩展现实：新时代的开始

扩展现实 (XR) 是一个新兴的总称，涵盖了所有沉浸式技术——  增强现实 (AR)、虚拟现实 (VR)、混合现实 (MR)以及在它们之间插值的区域。XR 将在娱乐、医学、科学、教育和制造等不同领域产生令人兴奋的应用，改变我们看待和与周围世界互动的方式，无论是真实的还是计算机生成的。

虽然市场上已经存在 VR 和 AR 应用程序，但采用速度很慢，主要原因是带宽和延迟。今天的无线网络对这些应用程序施加了严重的限制，例如延迟和容量，这可能会完全否定用户体验。

由于传输带宽增加和低延迟，5G 中实施的毫米波技术将加强现有体验并实现新体验，为大规模采用铺平道路。然而，要提供真正身临其境的 AR，至少需要将数据速率提高十倍，从而对实际的 5G 技术提出重大挑战。6然而，技术不断创新，而这一次，无线电频谱将成为应对这些挑战的关键。

6G 将是第六代广域无线技术，将频段的可用性扩展到太赫兹频段，高于 5G 运行的毫米波频率范围。

6G 还将数据速率从 5G 的 20 Gbps 提高到 1 Tbps。此外，6G 将延迟降低到 1 毫秒以下。如此一来，6G 的流量容量将从 5G 的 10 Mbps/m 提高到 10 Gbps/m 的理论最大值。

全息通信、触觉互联网和完全沉浸式 AR/VR 是这项未来技术将成为可能的其他应用之一，而毫米波再次成为这种变化的引擎，并且可能是新时代开始的触发器，在这个时代，创造力和想象力将在我们的存在中占据中心位置。

参考

1 https://www.iea.org/reports/data-centres-and-data-transmission-networks

2 https://www.ericsson.com/en/mobility-report/dataforecasts/mobile-traffic-update?gclid=EAAIQobChMI183k18nh7gIVitPtCh3NsA-tEAAYASAAEgJksPD_BwE&gclsrc=aw.ds

3 https://www.cisco.com/c/en/us/soluTIons/collateral/execuTIve-perspecTIves/annual-internet-report/white-paper-c11-741490.html

4 https://www.avanTIplc.com/wp-content/uploads/2018/08/ADL_High_Throughput_Satellites-Main_Report.pdf

5 https://www.keysight.com/us/en/assets/7018-06176/white-papers/5992-3004.pdf

6 https://cdn.codeground.org/nsr/downloads/researchareas/20201201_6G_Vision_web.pdf

关于作者

Giovanni D'Amore 是是德科技的产品营销总监，负责领导射频和微波产品。在此之前，他曾在 Hewlett-Packard、Agilent Technologies 以及现在的 Keysight Technologies 的多个产品线中担任过多个营销、业务开发和应用支持职位。Giovanni 是一名拥有理学硕士学位的工程师。在意大利巴勒莫大学获得电子和电信博士学位，并撰写了几篇有关微波测量技术的文章。他经常在 IMS 和 EuMW 等微波会议上发表演讲。

审核编辑 黄昊宇