辭別手機「轉菊花」，我們要靠 5G 毫米波

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• 手機為什麼會轉「菊花」？
• 5G 毫米波，有望成為「菊花殺手」
• 這麼棒的技術，為什麼之前沒有用？
• 告別「菊花」倒計時

這個時候，經歷了戰爭、死亡以及愛情洗禮，進化了數百萬年的人類已經學會封鎖微信好友，使用移動電源，但是面對網路問題時，他們即便變換各種姿勢，把手機親親抱抱舉高高也還是不能改變信號問題。

這是屬於全球 50 多億手機用戶共同的無能為力。這種無能為力大多數情況是離散狀態的，此刻他無能，他地你無力，只有一種時候，這種無能為力有著明顯的集群狀態：那就是大家一起看演唱會的時候。比如某年某月蔡徐坤在鳥巢開演唱會，會場里肯定滿座，至少 9 萬人，場外至少還得聚集買不到票的另外 9 萬人，這 18 萬人在準備發朋友圈的時候，就會發現手機轉菊花，天涯共此時。

手機為什麼會轉「菊花」？

大多數時候，4G 網路能夠滿足用戶的需求，聊微信刷抖音甚至看個 1080P 高清流媒體電影也不在話下。

負責給手機傳數據信號的基站，自身有覆蓋的範圍，以及承載的數據傳輸能力。一旦基站覆蓋範圍內用戶急劇增多，大家一起發消息，尤其是在演唱會里面，發的大多還是視頻消息，這就會大大超過基站的數據傳輸能力。

類似的情況就像春節或者國慶假期里，大量車輛在高速公路上出現的幾公里的擁堵。平時，高速公路就是高速公路，因為路上的車不太多，在通行能力之內。而到了節日出行高峰期，路上的車就大大超過了高速公路的通行能力，於是高速公路就變成了帶狀停車場。

這里可以做個比方，高速公路就是基站，車輛就是數據，需要傳輸的數據太多，基站就忙不過來堵住了。

在電影《那些年，我們一起追過的女孩》里面，台灣新竹發生地震，震後大家都一起打電話，結果都打不出去，當然也接不到電話。於是男主柯景騰的宅男室友一語道出其中的道理：

這里人太多，基地台（基站）超載，人少的地方搞不好才會通耶。

當然，通過多建基站，提高單個基站的承載能力等等方式，可以一定程度上解決人口密集場所的網路問題。不過目前的 4G 網路依然是存在上限的，雖然 LTE 有載波聚合這樣的技術，但是有些時候也會黯然銷魂，載不動許多愁。基站的數據傳輸承載能力受制於代際技術的天花板，無法很好地解決掉演唱會這種特殊情況下的網路擁堵問題，愛的魔力依舊會轉圈圈。

5G 毫米波，有望成為「菊花殺手」

4G 網路做不了的事情，就留給 5G 來做。

有心的話，就會發現，從 2G 網路（GSM、CDMA）到 4G 網路（LTE），大的趨勢是，頻段頻率越來越高。以移動 2G GSM 網路為例，其頻率集中在 900MHz 左右，而到了移動 4G 網路，頻率又集中在了 2500MHz 左右。

當然這個小秘密大多數人不會注意到，但是大家肯定會注意到，曾經好幾萬一部的大哥大天線能有十公分長，然後到了翻蓋手機時代，天線就剩拇指頭那麼長了。現在的小朋友可能都不知道手機天線長什麼樣了，因為全部都集成在機身內部了。

然後，根據著名的公式，光速 = 波長 × 頻率。頻率越高，波長也就越短。

手機天線越來越短，一方面由於技術和工藝的進步，另一方面是由於波長越短，接收信號的天線也可以不用那麼長。

正如 Wi-Fi 分為 2.4GHz 和 5GHz，以及還沒有普及的 60GHz 一樣，2.4GHz 非常能穿牆，我住 3 樓，把家里的 2.4GHz Wi-Fi 名字設成「804 室小姐姐加我微信 uncle-lau」，結果加到了 10 樓穿 Hollister 的小哥哥。

而 5GHz 的 Wi-Fi 信號穿一堵牆就不行了，但是厲害之處在於速度快，不擁堵。至於 60GHz 的 Wi-Fi 的穿牆能力幾乎可以忽略，但真的是網速如刀，快如閃電俠。

和 Wi-Fi 有些類似的是，想要獲得更快的速度和更高的帶寬，那就把頻率提上去，也就是我們常說的「只要網路頻率足夠快，那麼菊花就追不上我」。

因而，相較於 4G 網路的頻率，5G 網路的頻率再一次提高，頻段基本上分為 6GHz 以下頻段（Sub 6GHz）和毫米波兩類。

依據上表，波長在 1 到 10 毫米之間的電磁波，通常對應於 30GHz 至 300GHz 之間的無線電頻譜，也就是廣義上的毫米波。不過這個定義也不是那麼嚴格，24.25GHz 電磁波的波長是 12.37 毫米，也可以叫它毫米波，雖然它比較像毫米波里面的姚明。

負責制定 5G 網路標準的 3GPP 組織之前開會規定，5G NR 主要使用兩段頻率：FR1 頻段和 FR2 頻段。FR1 頻段的頻率範圍是 450MHz——6GHz，又叫 sub 6GHz 頻段；FR2 頻段的頻率範圍是 24.25GHz——52.6GHz，也就是 5G 領域里面的毫米波（mmWave）。

4G 網路通過可以使用的最大帶寬是 100MHz，數據速率不超過 1Gbps（通過更高載波聚合，MIMO 技術還能再快一些）。在 28GHz 頻段毫米波的可用頻譜帶寬可達 1GHz，數據速率高達 10Gbps，其他頻段上的毫米波還可以更快。並且，相較於 4G 網路理論上 10ms 的延遲，5G 網路的延遲可以在 1ms 之內。

綜上，相比於 4G 網路，5G 毫米波就是詠春葉問，一個打十個。

之前 4G 網路就像高速公路，可以通過多修車道（載波聚合）或者修多層車道（MIMO，多入多出）來提高通行能力。但是車道不可能無限加，所以決定了 4G 網路的局限性。

5G 毫米波相比於 4G 網路的帶寬拓展，就像開放了空域，理論通行空間是十倍二十倍級別的增加。

也是正是由於毫米波的這些特點，使得工作在毫米波上的 5G 網路可以做很多 4G 網路做不了的事情，比如虛擬現實、增強現實、無線基站回程（backhaul）、短距離雷達探測、密集城區信息服務、體育場 / 音樂會 / 購物中心無線通信服務、工廠自動化控制、遠程醫療、安全監控、智能交通系統、機場安全檢查等等。

這就是為什麼 5G 毫米波可以解決掉在演唱會等巔峰時刻手機網路擁堵導致的轉菊花問題的主要原因。

這麼棒的技術，為什麼之前沒有用？

毫米波看起來可以秒天秒地秒 4G，但是這個技術其實算起來已經一百多歲了。在清朝光緒年間（1897 年），Jagadish Chandra Bose 這位物理學家就開始在實驗室里研究毫米波了，這也是公認的 毫米波技術的起源 。

▲ Jagadish Chandra Bose

雖然毫米波的研究開始得早，但是一直都在實驗室里面呆著，真正的商用到上個世界末才到來，主要用途是 77 GHz 汽車防撞雷達。

問題來著，前面說毫米波在 5G 里面強無敵，為什麼不用呢？

這個原因要從主觀和客觀兩個原因來分析，人類主觀層面，是因為之前沒能攻破技術和成本兩道難關。

客觀層面，作用於移動通信的時候，毫米波也有天然的缺點。

這個缺點主要表現在信號衰減大，易受阻擋和覆蓋範圍小。

不光是建築物會阻擋毫米波，包括氧氣、和雨滴都是毫米波傳播的敵人。比如 60GHz 必須承受約 20dB/km 的氧氣吸收損耗，這意味著一公里外，60GHz 的信號衰減到只剩不到 1%。

在和氧氣的爭寵中，60GHz 毫米波敗下陣來，而 28GHz、38GHz 與 73GHz 情況就好多了，這也正是目前一些經營商將 28GHz 定為主要測試對象的原因。不過它們將迎接下一輪的挑戰：濕度。

在高溫和高濕度環境下，其信號在 1 公里內可衰減一半（3dB/km）。

如果說這個衰減還可以接受的話，毫米波最怕的還是暴雨，在特大暴雨天氣下（降雨強度為 50 毫米 / 小時），毫米波傳播損耗可達到 18.4dB/km，也是一公里外剩不下什麼信號了。

自然界給毫米波的磨難不小，接著，建築物、甚至是人的身體，以及握持手機的手，都會不同程度地擋住毫米波信號。所以，在 5G 時代，對別人說「麻煩讓一下，你擋住我的信號了」真不是開玩笑。

告別「菊花」倒計時

家里有大別墅的讀者在家里可能有組裝 Mesh 網狀 Wi-Fi 網路的經驗，因為 Wi-Fi 的覆蓋範圍有限，尤其是 5GHz Wi-Fi，一個路由器根本覆蓋不了大別墅。所以 Mesh 網狀網路就是在別墅里設置多個網路節點，每個節點覆蓋家里的一部分，最終覆蓋整個別墅。

解決毫米波先天缺陷的方法邏輯和上面說的 Mesh 網狀網路有異曲同工之妙。

於是，進擊的毫米波使出第一招：小基站。

在以往的認知當中，基站都是一座座高高的鐵塔，一個鐵塔覆蓋半徑幾公里的地方，在 2G 網路時代，確實是這樣的。這種大鐵塔，或者建在樓頂的小鐵塔，叫宏基站。

到了 5G 時代，因為毫米波信號容易衰減和被阻擋的原因，基站的覆蓋半徑可能就剩幾十米了，所以相比於 2G、3G 和 4G 時代，覆蓋相同面積的基站數量就要多很多。同時，因為覆蓋面積需求小了，5G 毫米波基站也不需要建那麼高大威猛，小身材也能有大能量，這就是小基站。

在今年 MWC 的高通展台，他們就和愛立信合作，把 5G 小基站放進了室內，這個基站同時支持 Sub 6GHz 和毫米波。

接著就是第二招：Massive MIMO（大規模多入多出技術）。

前面講 4G 的時候就已經提到了這個技術，4G 時代的 MIMO 技術主要是 2×2 MIMO 或者 4×4 MIMO，數字代表天線數量，意思就是多根天線同時發送（多出）和接收信號（多入）。

為什麼 2G 時代沒有這個技術呢？這個前面也說了，2G 時候信號波長太長，天線也需要很長，那麼搞 MIMO 技術的話，手機天線就要很多根，於是手機就變成四腳獸或者八爪魚。

後來天線不需要那麼長，幾毫米的長度完全可以集成在手機內部，還可以多做幾根，於是才有 MIMO 的應用可能性。

到了 5G 時代，因為波長更短了，天線也可以做更小，完全可以做好多個，形成天線陣列，基站那邊也是同理，於是這些天線寶寶們一起活動，即便人類看不到，但場面想像一下依舊非常壯觀，這就是 Massive MIMO（大規模多入多出技術），它能有效的提高網路傳輸效率，補償信號衰減。

然後就是第三招：波束賦型。

在以往，移動網路通過基站 360 度全向發射和接收信號，即便某一個方向沒有人。

而在 5G 毫米波上使用的高增益天線同時具有較好的方向性，通過調整，能夠把信號，也就是無線電波對準需要移動網路的手機。同時機變它也變，手機動了，無線電波也會換方向繼續對準，信號被擋了還可以瞬間切換無線電波，這就是波束賦型和波束追蹤。

波束賦型技術的優點在於提高了功率和效率，又擴大了覆蓋範圍，同時增強了安全性，降低了信號被截聽的概率。

如果說之前的網路是對誰都一樣的「中央空調」的話，那麼毫米波這個波束賦型技術就是「專屬暖男」。

前面說了三千多字都是虛的，技術再強不落地，對於用戶來說是放屁。

2019 年作為公認的 5G 元年不是沒有道理的，預計今年內，消費者就能買到首批 5G 手機了。

在此之前，5G 的參與者們就開始多年的實驗和研發，2016 年，高通就發布了全球首款商用 5G 調制解調器——驍龍 X50 調制解調器，支持在 28GHz 頻段毫米波頻譜，下載速度最高可達 5Gbps。

到了手機製造商這邊，光有個基帶晶片還不夠，還需要有天線模塊。於是在 2018 年 7 月份，高通接著發布了全球首款面向移動終端的毫米波 5G 天線模塊 QTM052，包含了從收發器到所有射頻前端的器件，還有電源管理 IC 以及天線本身，覆蓋第一批會投入商用的 5G 毫米波頻譜。

毫米波 5G 天線模塊 QTM052 和驍龍 X50 調制解調器天生一對，搭配起來用的話，能做到前面說的波束成形、波束追蹤等技術，也克服了手掌擋住信號的問題。

到了今年 MWC 期間，5G 的進程進一步加快，小米、一加、OPPO、、中興、SONY、LG、三星等等手機廠商都展出了旗下基於驍龍 855 和 X50 調制解調器的首款 5G 手機。

馬上在 2 月份，高通又更新了產品：首先是 QTM525 5G 毫米波天線模組，通過降低模組高度可支持厚度不到 8 毫米的 5G 智慧型手機設計，並且還增加了更多的毫米波頻段支持。

接著就是驍龍 X55 基帶的發布，同樣也是 2G、3G、4G 和 5G 都支持，在毫米波頻段下可做到最高達 7Gbps 的下載速度。很明顯，驍龍 X55 基帶和 QTM525 5G 毫米波天線模組又是一對。

目前來看，首批推出 5G 手機的廠商幾乎都是用了高通的方案。從另一個角度來看，從驍龍 X50 到 X55 兩代 5G 調制解調器，高通也是市場上唯一一家能夠面向智慧型手機提供商用毫米波解決方案的廠商。

可以這麼說，從時間上來說，我們能體驗到毫米波確實已經進入了倒計時。但是在空間上，毫米波離國人有點兒遠，因為目前而言，大陸部署 5G 網路還是集中在 Sub 6GHz 頻段，北美則重點部署毫米波。

不過也不用太擔心，至少工信部已經在上個月發話，發布了《2019 年全國無線電管理工作要點》。其中，特別提到要適時發布 5G 系統部分毫米波頻段頻率使用規劃，引導 5G 系統毫米波產業發展。

既然工信部爸爸都說要發展毫米波，那毫米波離我們也就不太遠了。