無線設(shè)備和其處理的數(shù)據(jù)量每年都呈指數(shù)遞增（53% 復(fù)合年增長率［1］）。隨著這些設(shè)備產(chǎn)生并處理的數(shù)據(jù)量越來越多，連接這些設(shè)備的無線通信基礎(chǔ)設(shè)施也必須持續(xù)發(fā)展才能滿足需求。如圖 1 所示，4G 網(wǎng)絡(luò)頻譜效率的提高已經(jīng)不足以提供 3GPP［2］ 定義的三大高級 5G 用例所需數(shù)據(jù)速率的階梯函數(shù)了，這些用例旨在提供無處不在的即時(shí)移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)后，研究人員開始尋找更高的頻率作為可能的解決方案。早期信道聲探工作帶來的積極成果使全球無線標(biāo)準(zhǔn)化組織把重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到下一代 5G 無線系統(tǒng)該怎樣整合，以及如何從新的頻率和更廣的帶寬中受益。
　　1. 定義5G的關(guān)鍵績效指標(biāo)
　　所有用例的設(shè)計(jì)都旨在使未來的無線標(biāo)準(zhǔn)能夠處理現(xiàn)有無線標(biāo)準(zhǔn)不足以應(yīng)對的新應(yīng)用，每一個(gè)都需要一整套全新的關(guān)鍵績效（KPI）。IMT 2020 用例定義的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）預(yù)計(jì)最大數(shù)據(jù)速率可達(dá) 10 Gb/s，是 4G 的 100 倍［3］。根據(jù)香農(nóng)定理總結(jié)的信道容量與帶寬（頻譜）和信道噪聲的關(guān)系［4］，數(shù)據(jù)速率與可用頻譜息息相關(guān)。鑒于小于 6 Ghz 的頻譜已經(jīng)全部分配，所以超過 6 Ghz 的頻譜，特別是在毫米波范圍中的頻譜就成為應(yīng)對 eMBB 用例的絕佳選擇。
　　
　　Figure 1： Three high level 5G use cases as defined by 3GPP and IMT 2020
　　2. 毫米波：三個(gè)頻率的故事
　　為服務(wù)客戶，全球的服務(wù)運(yùn)營商在頻譜上花費(fèi)了幾十億美元。頻譜高昂的拍賣價(jià)格也突顯了其市場價(jià)值以及這種珍貴資源的稀缺性。開發(fā)新的頻譜能夠讓服務(wù)運(yùn)營商容納更多用戶，并提供更高性能的移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)體驗(yàn)。與小于 6Ghz 的頻譜相比，毫米波更加豐富，需要的許可也更少，也就是說全球的服務(wù)運(yùn)營商都能用上。先進(jìn)的硅制造工藝大幅降低了毫米波設(shè)備的價(jià)格，完全可用于消費(fèi)電子產(chǎn)品。目前影響毫米波應(yīng)用的主要問題在于這個(gè)頻譜的很多方面都沒經(jīng)過研究，需要解答技術(shù)問題。
　　服務(wù)運(yùn)營商已經(jīng)開始研究毫米波技術(shù)，以評估適用于移動(dòng)應(yīng)用的最佳候選頻率。國際電信聯(lián)盟（ITU）和 3GPP 就 5G 標(biāo)準(zhǔn)研究的 2 個(gè)階段規(guī)劃達(dá)成了共識(shí)。第一個(gè)階段研究 40 GHz 以下的頻率，以滿足較為緊急的商業(yè)需求，將于 2018 年 9 月完成。第二個(gè)階段計(jì)劃從 2018 年開始，到 2019 年 9 月完成，以解決 IMT 2020 概述的 KPPI，該階段專注于最高 100 Ghz 的頻率。
　　為使毫米波頻率實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，在最近的世界無線電通信大會(huì) （WRC）［5］ 結(jié)束后，ITU 發(fā)布了從 24 Ghz 到 86 Ghz 的全球可用頻率建議列表：
　　在 ITU 發(fā)布建議后不久，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）于 2015 年 10 月 21 日發(fā)布了規(guī)則制定建議通知（NPRM），建議采用 28 GHz、37 GHz、39 Ghz 和 64-71 Ghz 頻段［6］靈活的新服務(wù)規(guī)則。
　　
　　圖 2：適合移動(dòng)應(yīng)用的 FCC 建議頻段［6］
　　雖然 ITU、3GPP 和其他標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)決定將 2020 年作為規(guī)定 5G 標(biāo)準(zhǔn)的最后時(shí)限，但手機(jī)供應(yīng)商正努力加快提供 5G 服務(wù)的步伐。美國的 Verizon 和 AT&T 計(jì)劃在 2017 年就推出 5G 的早期版本。韓國計(jì)劃在 2018 年奧運(yùn)會(huì)推出 5G 試用，而日本希望在 2020 年的東京奧運(yùn)會(huì)上展示 5G 技術(shù)。通過各群體在各種因素推動(dòng)下的不斷努力，一些頻率已經(jīng)開始成為 5G 的候選項(xiàng)：28 GHz、39 Ghz 和 72 GHz。
　　這 3 個(gè)頻段脫穎而出是有原因的。首先，與 60 Ghz 會(huì)因氧吸收［7］產(chǎn)生約 20 dB/km 損耗不同，如下圖所示，這些頻段的氧吸收率要低得多，更適用于長距離通信。這些頻率在多通道環(huán)境中也表現(xiàn)良好，可用于非視距通信。毫米波將高度定向天線與波束成形和波束追蹤相結(jié)合，可提供極為安全可靠的鏈路。紐約大學(xué)理工學(xué)院的 Ted Rappaport 博士和他的學(xué)生已經(jīng)開始研究 28GHz、38GHz 和 73Ghz 的通道特性與潛在效能。他們發(fā)表了數(shù)篇論文，探討這些頻率的傳播測量以及潛在服務(wù)中斷研究。通過這些頻率的現(xiàn)有數(shù)據(jù)和研究加上全球可用頻譜，就能從這 3 種頻率開始制作毫米波的原型。
　　
　　圖3：毫米波頻率的大氣吸收率（dB/km）［7］
　　3. 28 GHz
　　如上文所述，服務(wù)供應(yīng)商渴望獲得還未分配的大量毫米波頻譜，它們將成為 毫米波頻譜將使用哪些頻率的關(guān)鍵影響因素。2015 年 2 月，三星獨(dú)自進(jìn)行了信道測量，發(fā)現(xiàn) 28 Ghz 可用于手機(jī)通信。此次測量證明城市環(huán)境確實(shí)存在路徑損耗（非視距（NLoS）鏈路的路徑損耗指數(shù)為 3.53），三星表示該數(shù)據(jù)說明毫米波通信鏈路可支持 200 米以上的距離［8］。他們的研究還包括相位陣列式天線，并開始打造能使手機(jī)采用復(fù)雜的相位陣列式天線的特色設(shè)計(jì)。在日本，NTT Docomo 與諾基亞、三星、愛立信、華為以及富士通合作，成功進(jìn)行了 28 Ghz 及其他頻率的現(xiàn)場測試。
　　2015 年 9 月，Verizon 宣布將于 2016 年與包括三星在內(nèi)的主要合作伙伴在美國進(jìn)行現(xiàn)場測試。這比到 2020 年實(shí)現(xiàn) 5G 標(biāo)準(zhǔn)的期限還提前了 4 年，使 Verizon 成為了 5G 市場的先行者。2015 年 11 月，高通用 128 根天線在 28 Ghz 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以展示毫米波技術(shù)在密集城市環(huán)境中的應(yīng)用以及怎樣將定向波束成形用于非視距通信。在 FCC 宣布 28 GHz 頻譜可用于移動(dòng)通信后，預(yù)計(jì)美國將進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場測試。Verizon 還宣布向 XO communicaTIons 租用 28 Ghz 頻譜，并具有在 2018 年底買下的購買選擇權(quán)。
　　但值得注意的是，28 Ghz 頻段并不在 ITU 全球可用頻率列表之中，所以是否能成為 5G 毫米波應(yīng)用的長期頻率還未確定。但該頻譜已用于美國、韓國和日本，而無論其是否成為全球標(biāo)準(zhǔn)，美國服務(wù)供應(yīng)商都承諾盡早進(jìn)行現(xiàn)場測試以推動(dòng) 28 GHz 進(jìn)入美國移動(dòng)技術(shù)。韓國希望能在 2018 年奧運(yùn)會(huì)上展示 5G 技術(shù)， 因此也在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)敲定 5G 標(biāo)準(zhǔn)前推動(dòng) 28 GHz 進(jìn)入消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域。該頻率不在國際移動(dòng)通信（IMT）頻譜列表之中的事實(shí)并沒有被忽略，幾位 FCC 委員都表達(dá)了關(guān)注。委員 Jessica Rosenworcel 于 2016 年 2 月在華盛頓的演講中說道：
　　“從長遠(yuǎn)來看，我認(rèn)為美國需要在某些方面單獨(dú)前行，其中就包括 28Ghz 頻段。很遺憾，去年在日內(nèi)瓦舉行的世界無線電大會(huì)沒有討論這一頻段，也未將其列入 5G 頻譜研究列表。但該頻段可用于全球移動(dòng)分配，所以我認(rèn)為美國應(yīng)該繼續(xù)探索這個(gè)前沿頻譜。韓國和日本已經(jīng)開始了對該頻段的測試，所以我們不能在這個(gè)時(shí)候退縮。我們必須靠著自己前進(jìn)，并在今年底搭建好 28Ghz 頻段的框架。”