毫米波：塑造“速度工厂”的未来

伴随移动设备扩张及数据传输带来对额外带宽的巨大需求,毫米波频谱的重要性开始凸显。研究人员发现,在许多重要方面,相较于光纤,毫米波设备更加可靠,速度也更快。因为它自身的特性,在传输过程中可以减少延迟并保持稳定。

研究机构最新发布报告预测,全球毫米波技术市场规模有望在2020年扩容至16.99亿美元,2015年至2020年的复合年均增长率高达42.7%。

某些时候,科学技术的进步在影响着科幻作品的发展,但也有情况相反的时候。上世纪七十年代的某一天,道格拉斯·亚当在微醺时仰望了一下天空,星星仿佛为他而动,一个点子出现在了他的脑海中。

不久以后,人们读到了一本名为《银河系漫游指南》的书,亚当在里面写道:长久以来,收音机都通过按下按钮或是扭动刻度盘来操作。但随着技术变得更加复杂,操作将对对触觉更为敏感,你只需要用手指轻触面板。而“现在”,你要做的仅仅只是在一个大致方向上挥动挥动手指。

自由作家本杰明·斯塔尔在Visual News的网站写道:亚当所说的“现在”看起来就是当下。在今年的开发者大会上,谷歌让几十年前的这种想象有了具态。在一个“空气操作”的项目中,用户无需接触面板便可以操纵设备。它依托的是一种基于雷达的传感技术。

而毫米波是这种技术中不可或缺的关键要素。事实上,无论是自动测量体型的智能试衣间,还是让人们解放双手的无人驾驶,又或者是各种医学上的生理勘测,除了雷达,毫米波正在很多领域被日益需要。

这其中,它在5G技术领域的演进似乎正要掀起高潮。美国联邦通讯委员会近日提议,商讨无线频谱24GHz以上无线宽带标准,目的在于推进5G标准进程。而拥有较高频段的毫米波是促成5G的关键技术之一。毫米波的出现,仿佛拉开了智能生活“速度工厂”的大门。

5G热潮让毫米波走到台前

几周前,国际电信联盟在布达佩斯举办了今年的世界电信展,频谱资源成为热门词汇之一。在不少外媒的报道中,它都被提及是移动通信最根本的资源,各方呼吁通过全球合作,推进高频段频谱的使用,并使其更高效。

时间退回二十年多前,里德·亨特在当上美国联邦通信委员会(FCC)主席后,推进出台了1996年版的美国通讯法案。这是自上世纪三十年代以来,该国第一部通讯方面的管理法案。作为职责的一部分,FCC负责分配从电台、电视到手机、卫星,或是航空和军事专用的特定波长频率。

然而,随着无线技术的出现,大部分运营商都挤进了较低频率的无线电频谱,使得这种资源开始处于匮乏状态。渐渐地,3G和4G时代到来了,各种智能设备的上扬出现井喷式增长,这种资源越来越稀缺。与此同时,用户对于未来互联网的要求也越来越高,速度便是其中之一。

5G研发热潮由此渐渐兴起。作为第五代移动通信网络,5G最高理论传输速度可以达到4G网络的数百倍。这使得频谱资源变得更为可贵。“上帝只创造了一定量的频谱,”里德·亨特曾说,这需要人们寻找出不同的解决方案。

研究机构ABI的调查显示,全球运营商发展出1亿5G用户可能需要五年以上时间,这比4G长了两年时间。这是因为5G网络的构建更为复杂,但它将是一系列的进化革命,如何大规模打开速度瓶颈便是重要课题之一。

伴随移动设备扩张及数据传输带来对额外带宽的巨大需求,毫米波频谱的重要性便开始凸显。研究人员发现,在许多重要方面,相较于光纤,毫米波设备更加可靠,速度也更快。因为它自身的特性,在传输过程中可以减少延迟并保持稳定。更重要的是,不同于普通的频谱,在毫米波中,还有一些目前尚未得到充分利用的频段,可以分配给5G用途。

移动运营商们寄望毫米波技术能够帮助他们较早地打开5G时代。据外媒报道称,一个由三星公司主导、法国电信运营商Orange、西班牙电信公司及爱立信等多国电信巨头参与的国际联盟mmMAGIC,正在就5G毫米波移动无线接入技术进行技术研发,其研究对象是6GHz至100GHz的高频段,以实现5G网络对6GHz及更高频段的使用。参与者还包括一些欧洲高校和设备测量公司。

神奇的频段“60GHz”

尽管在各种五花八门的频段拍卖中,商业领域毫米波目前仍旧相对默默无闻,但在军事领域,毫米波频段已经不是新来者。其早期应用还包括雷达、通信、航天和射电天文等领域。因为它需要的天线尺寸小,且可以提供更大的数据带宽。几十年来,它一直被用于卫星与卫星之间的通信。

伴随毫米波集成电路的成本大幅降低的趋势,它的名字也正在越来越多地出现在商业应用领域。

无论是公用事业还是医疗保健,都可以找到毫米波的身影。在公用事业领域,公路交通拥挤和交通事故曾被视作是世界范围内令人头痛的严重问题之一。在此背景下,一些发达国家近年来都在着手研究智能公路系统。它们在系统中所用的,就是毫米波雷达。

通过这种雷达,车辆与车辆间的测距测速以及防撞预警等应用都将成为现实。还有外媒统计称,为了保证运输畅通和交通安全,自上世纪八十年代初以来,单单是在美国,便有包括IBM等在内的数百家企业投入到这一毫米波研究热潮中。

在安防领域,毫米波同样有所作为。三年前,美国运输管理局决定取消安检流程中的X光身体扫描仪,转而采用具有更高效率的毫米波扫描仪,并表示会在今后几年逐渐在美国各大机场开始施行。

此前普遍被使用的X光检测仪器被指存在泄漏用户隐私的潜在安全隐患,在整体效益等方面也存在弊病。而毫米波检测仪器的最大优点便在于更加安全。这种技术采用了更短的波长,使波段强度更加柔和,在最大限度上保证了乘客个人隐私,同时屏蔽了潜在的安全隐患。

在我国,中国航天科工集团公司第三研究院35所在两年前也利用微波毫米波雷达技术,成功研发出全息扫描三维成像毫米波安检门。

在风云变幻的金融市场,毫米波更是华尔街经理人制胜的关键之一。1998年,美国证券交易委员会另类交易系统规定的出台,为电子交易平台与大型交易所展开竞争打开了大门。

在变化极快的金融市场中,交易速度不容小觑,高频交易技术成为不少金融企业研究的对象。这些企业的盈利能力便取决于交易执行。而毫米波无线电发射器可以加快数据中心和市场之间的联系,在高频交易中立下汗马功劳。

科技界的人士则“脑洞大开”,用毫米波实现远距离操控。只要动动手指,就可以缩放地图、调节音量或是调整手表时间。这一切都是谷歌所设计出的“空气操作”。在这项名为Project Soli的项目中,研究团队使用基于雷达技术的微型传感器,捕捉用户悬空的各种操作。

与触摸屏相比,“空气操作”将操作提升到3D空间,可以随意站位,可以突破人体的阻挡。毫米波同样有能力捕捉到五厘米空间范围以内的全部精细动作,误差精确到毫米。

而喜欢购物消费者们在买衣服时也会方便许多,有了毫米波扫描仪,你身上的80多个围度数据短时间内便可以测量完毕,为消费者带来一个未来的“试衣间”。

在上述种种毫米波的应用中,60GHz成为一个热门频段。无论是5G,还是像谷歌那样的手势操作,都和它息息相关。有分析称,60GHz可以得到高的角度分辨率和距离分辨率,有利于实现精细测量。此外,它朝不同方向发射的信号之间干扰很小。

就在上个月,美国莱迪思半导体公司展示了该公司的无线和有线接口技术。其中的亮点之一是利用60GHz毫米波段的高速无线通信技术。该技术可配备于智能手机和平板电脑的小型收发集成电路,将智能手机播放的影像输出至大尺寸显示屏。此外,还可用于近距离无线通信技术,在10mm以下的近距离达到高速通信传输。

去年9月,由欧洲15个通信运营商、供应商、研究中心和科研机构组成的研究团队共同参与到一个欧盟的研究项目中。该项目的目标是利用三年时间为5G用户提供高速传输速率的毫米波核心无线电技术。在研究过程中,如何灵活使用60GHz毫米波频段获得关注。

政策面扶持企业进驻蓝海

FCC近日的一项提议,似乎为毫米波的更广泛使用打开窗口。该机构表示将商讨无线频谱24GHz以上无线宽带标准,目的在于推进5G标准进程。而拥有较高频段的毫米波是促成5G的关键技术之一。

在美国,三星正要求FCC考虑授权LMDS频段,这是一种工作在28GHz附近频段,可在较近的距离双向传输话音、数据和图像等信息。

本月初,美国国家科学基金会还将一笔为期四年、总额达到75万美元的拨款授予纽约大学无线研究中心和纽约大学斯特恩商学院,用以评估毫米波网络在工程和经济方面的频谱和资源管理。拨款的目的是发展新的技术、经济模型、频段政策,以实现这些频段的全部潜力。

在欧洲,欧盟委员会两年前启动了一项18亿美元的5G研究计划,其中就包括了针对毫米波无线技术的研究。英国监管机构Ofcom也正在确定哪些高频段频谱对运营商用于其未来的5G网络最有意义。今年稍早也已经发布了5G技术毫米波使用频段建议。

有了这些政策层面的保障,企业间的研究更是热潮一波接一波。研究机构本周发布报告预测,全球毫米波技术市场规模有望在2020年扩容至16.99亿美元,2015年至2020年的复合年均增长率高达42.7%。

其中尤以高速互联网方面的研究居多。去年10月,有外媒披露称,谷歌准备测试可能成为无线版Fiber超高速互联网服务基础的新技术。根据谷歌向FCC公开提出的申请,要求该机构允许其在加州使用不同无线频段进行测试,这次测试便包括毫米波频率。

韩国SK电讯今年8月宣布,通过与三星电子的合作,已经在韩国部署了一套支持毫米波技术的系统,这是促成5G的关键技术之一。SK电讯也已经和中国联通签署一份合作备忘录,聚焦合作开发一系列移动和企业技术。

同样是在今年8月,诺基亚在美国国家仪器公司举办的论坛上发表主题演讲,演示了使用毫米波频段的快速传输系统,该系统使用73GHz频带、2GHz带宽。

此外,英特尔也正在推动一项研究,以定义在下一代蜂巢式系统中采用毫米波无线频段的提案。目前,英特尔正与欧洲两大联盟以及三星等厂商合作,共同开发5G毫米波频谱计划。

除了电信及互联网领域的企业,其他业者亦不甘示弱。日本汽车业巨头丰田很早便推出了配备新型毫米波雷达的“预防碰撞安全系统”。该系统旨在防止本车与前方行驶的车辆碰撞。

另据日本媒体报道,该国工具制造商优能工具公司于今年9月开始销售使用LED灯的看护系统“雷达灯”,LED灯中内置有毫米波雷达元件和无线LAN芯片。通过雷达测量天花板上的灯具与看护对象之间的距离,这一系统可以检测到看护对象摔倒等异常,还可监测看护对象的呼吸和睡眠状态。

毫米波技术也并非完美无缺,人类依然走在探索的路上。其中的缺陷之一便是空间分辨率差,很难分离相邻的多个物体进行识别。不过,在近日举行的第44届东京车展2015上,日本的u-shin公司展出了向8个方向照射波束的毫米波雷达,通过对不同方向测定结果进行信号处理,可以做到对临近物体的分离识别。

阿列克谢·奥瑞斯科维有一次在科技博客BI写道,一份备忘录显示,谷歌Project Soli项目的开发者伊万·波普列夫通过轻轻拂过屏幕,将一个虚拟的足球踢了出去。他还通过拨动虚拟的操作盘,让时钟变动了一小时,然后又在距离屏幕很远的地方通过举手让分针变动了好几次。

就像《银河系漫游指南》中描述的那种情形,“当下”似乎已经成为对未来科技方向发展想象的觉醒时刻。

毫米波:

指30GHz至300GHz频率这一非常高的频段,因其波长在10毫米以下而得名。毫米波具有直进性强、遇到障碍物不会绕过等接近光波的电波特性,其可利用的频谱范围宽,信息容量大,在通信、雷达、遥感技术、临床医学和波谱学等方面都有重大的意义。