第五代移動(dòng)通信系統(tǒng) （5th generation mobile networks，簡(jiǎn)稱5G）離正式商用（2020年）越來越接近，這些日子華為、三星等各大廠商也紛紛發(fā)布了自己的解決方案，可謂“八仙過海，各顯神通”。
5G的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是傳輸速率：按照通信行業(yè)的預(yù)期，5G應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)比4G快十倍以上的傳輸速率，即5G的傳輸速率可實(shí)現(xiàn)1Gb/s。這就意味著用5G傳輸一部1GB大小的高清電影僅僅需要10秒！另外如此高的傳輸速度也會(huì)帶來一些其他的應(yīng)用，比如云端游戲（游戲在云端服務(wù)器執(zhí)行，直把執(zhí)行畫面?zhèn)骰厥謾C(jī)，這樣手機(jī)配置不高也能玩大型游戲），虛擬現(xiàn)實(shí)（同理把運(yùn)算放到云端，手機(jī)端只負(fù)責(zé)輸出畫面）等等。
5G如何實(shí)現(xiàn)如此高的傳輸速率呢？
無線傳輸增加傳輸速率大體上有兩種方法，其一是增加頻譜利用率，其二是增加頻譜帶寬。在無線傳輸中，數(shù)據(jù)以碼元（symbol）的形式傳送。在碼元傳送速率（碼率）不變的情況下，信號(hào)占用的無線帶寬不變，而每個(gè)碼元傳送的信息數(shù)據(jù)量是由調(diào)制方式?jīng)Q定的。
調(diào)制方式是指如何用信號(hào)傳遞信息。
在古代，人們用烽火臺(tái)傳遞信息，有情況的時(shí)候點(diǎn)燃烽火，每有情況的時(shí)候熄滅烽火。從現(xiàn)代通訊理論來說，就是我們調(diào)制了烽火。由于普通的烽火一共只有兩種狀態(tài)（點(diǎn)燃和熄滅），因此烽火臺(tái)一次只能傳遞1比特的信息（0=熄滅=沒有敵人，1=點(diǎn)燃=有敵人）。烽火臺(tái)能不能改善一下來一次傳遞更多信息呢？我們可以通過引入更多狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。例如，改進(jìn)的烽火臺(tái)里面我們可以控制烽火的火勢(shì)，將火勢(shì)分為熄滅、小火、中火和大火四種狀態(tài)，這樣我們就可以一次傳遞兩比特的信息（00=熄滅=沒有敵人，01=小火=有敵人且離我們很遠(yuǎn)，10=中火=有敵人且離我們不遠(yuǎn)，11=大火=有敵人且已經(jīng)兵臨城下）。
然而，不能兩全其美的是，引入更多狀態(tài)的同時(shí)也會(huì)增加信息傳遞出錯(cuò)的可能。如果天氣不好的時(shí)候可能會(huì)把中火看成小火，這樣信息的傳遞就出錯(cuò)了。相對(duì)地，如果只有兩種狀態(tài)（熄滅和點(diǎn)燃），則出錯(cuò)的幾率比較小。
無線通訊中的調(diào)制也是這個(gè)道理，通過操縱無線電波的幅度和相位可以產(chǎn)生載波的不同狀態(tài)。當(dāng)調(diào)制方式由簡(jiǎn)單變到復(fù)雜時(shí)，載波狀態(tài)數(shù)量增加，一個(gè)碼元所代表的信息量（比特?cái)?shù)）也增加。
但另一方面每個(gè)碼元狀態(tài)之間的間距也變小，因此容易受到噪聲干擾使得碼元偏離原本應(yīng)該在的位置從而造成解碼出錯(cuò)。所以復(fù)雜調(diào)制對(duì)信道的要求比較高，在信道噪聲很大的情況下使用復(fù)雜調(diào)制會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率很高，而且解碼所需要的電路也會(huì)非常復(fù)雜，導(dǎo)致功耗很大。
由簡(jiǎn)單（左）到復(fù)雜（右）調(diào)制的狀態(tài)圖
相對(duì)于提高頻譜利用率，增加頻譜帶寬的方法顯得更簡(jiǎn)單直接。在頻譜利用率不變的情況下，可用帶寬翻倍則可以實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率也翻倍。但問題是，現(xiàn)在常用的5GHz以下的頻段已經(jīng)非常擁擠，到哪里去找新的頻譜資源呢？各大廠商不約而同想到的方法就是使用毫米波技術(shù)。
毫米波是什么？毫米波的特點(diǎn)？
毫米波是指波長(zhǎng)在毫米數(shù)量級(jí)的電磁波，其頻率大約在30GHz~300GHz之間。
根據(jù)通信原理，無線通信的最大信號(hào)帶寬大約是載波頻率的5%左右，因此載波頻率越高，可實(shí)現(xiàn)的信號(hào)帶寬也越大。在毫米波頻段中，28GHz頻段和60GHz頻段是最有希望使用在5G的兩個(gè)頻段。28GHz頻段的可用頻譜帶寬可達(dá)1GHz，而60GHz頻段每個(gè)信道的可用信號(hào)帶寬則到了2GHz（整個(gè)9GHz的可用頻譜分成了四個(gè)信道）。
相比而言，4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下，而可用頻譜帶寬只有100MHz。因此，如果使用毫米波頻段，頻譜帶寬輕輕松松就翻了10倍，傳輸速率也可得到巨大提升。5G時(shí)代，我們可以使用毫米波頻段輕輕松松用手機(jī)5G在線看藍(lán)光品質(zhì)的電影，只要你不怕流量用完！
各個(gè)頻段可用頻譜帶寬比較
毫米波頻段的另一個(gè)特性是在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱。換句話說，用毫米波實(shí)現(xiàn)信號(hào)穿墻基本是不可能。但是，毫米波在空氣中傳輸衰減大也可以被我們所利用，所謂”It‘s not a bug，it’s a feature！”：你手機(jī)使用的毫米波信號(hào)衰減確實(shí)比較大，但是同樣地其他終端發(fā)射出的毫米波信號(hào)（對(duì)你而言是干擾信號(hào)）的衰減也很大，所以毫米波系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候不用特別考慮如何處理干擾信號(hào)，只要不同的終端之間不要靠得太近就可以。選擇60GHz更是把這一點(diǎn)利用到了極致，因?yàn)?0GHz正好是氧氣的共振頻率，因此60GHz的電磁波信號(hào)在空氣中衰減非常快，從而可以完全避免不同終端之間的干擾。
當(dāng)然，毫米波在空氣中衰減非常大這一特點(diǎn)也注定了毫米波技術(shù)不太適合使用在室外手機(jī)終端和基站距離很遠(yuǎn)的場(chǎng)合。各大廠商對(duì)5G頻段使用的規(guī)劃是在戶外開闊地帶使用較傳統(tǒng)的6GHz以下頻段以保證信號(hào)覆蓋率，而在室內(nèi)則使用微型基站加上毫米波技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸。
毫米波必須配合微型基站（或接入點(diǎn)）使用
毫米波相比于傳統(tǒng)6GHz以下頻段還有一個(gè)特點(diǎn)就是天線的物理尺寸可以比較小。這是因?yàn)樘炀€的物理尺寸正比于波段的波長(zhǎng)，而毫米波波段的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)6GHz以下頻段，相應(yīng)的天線尺寸也比較小。因此我們可以方便地在移動(dòng)設(shè)備上配備毫米波的天線陣列，從而實(shí)現(xiàn)各種MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量）技術(shù)，包括波束成型（有關(guān)波束成型，我們會(huì)在下一篇文章里面詳細(xì)介紹）。