無線裝置數量與其消耗的資料量，每年都以等比級數增加(年複合成長率為 53%)。無線裝置創造並消耗資料的同時，連接這些裝置的無線通訊基礎設施也必須隨之演進，才能滿足成長的需求。3GPP所定義的三種高階5G使用案例，其目標是隨時隨地提供可用的行動寬頻資料；然而，僅僅提升4G架構網路的頻譜效率，並不足以提供所需資料速率的步進函式。有鑑於此，研究人員正在研究像毫米波這類更高的頻率，希望得到可行的解決方案。早期在通道探測作業得到正面的結果，使得世界各地的無線標準化組織皆重新調整研究重點，以了解新一代5G無線系統如何整合並運用這些新的頻率與較高的頻寬。
各個使用案例都是針對未來的無線標準所設計，藉此讓這些標準針對新應用補足既有無線標準的不足之處，而各案例都需要一組不同的全新關鍵績效指標(KPI)。IMT 2020使用案例所定義的增強型行動寬頻(eMBB)，預期能達到10Gb/s的尖峰資料速率，比4G快了100倍。Shannon Hartley定理指出，容量為頻寬(即頻譜)與通道雜訊的函式，因此資料速率確實與可用的頻譜有關。由於6GHz以下的頻譜已經分配完畢，所以6GHz以上(尤其是毫米波範圍內)的頻譜，可說是因應eMBB使用案例的理想替代方案。
世界各地的電信業者為了服務客戶，已在頻譜上花費了數十億美元。拍賣訂價凸顯出頻譜這類寶貴資源的市場價值，以及供不應求的特性。開發新的頻譜讓電信業者不僅能服務更多使用者，還能提供更高效能的行動寬頻資料傳輸體驗。相較於6GHz以下的頻譜，毫米波的頻譜不僅非常充裕，而且只要稍微經過授權就能使用，因此世界各地的業者都能運用毫米波。此外，現代矽製造技術已大幅降低毫米波設備的成本，所以在價格方面，這些設備已可用於消費型電子產品。而採用毫米波所面臨的挑戰，主要在於此頻譜仍未經過完整研究，有尚待解決的技術問題。
電信業者已開始研究毫米波技術，以便評估最適合行動應用的頻率範圍。國際電信聯盟(ITU)與3GPP，已共同規劃確立5G標準的兩階段研究。第一階段研究著重於40GHz以下的頻率，以便迎合部分較急迫的商業需求。第二階段的目的是達成IMT 2020所列的KPI，並且會著重研究高達100GHz的頻率，同樣屬於毫米波的頻率範圍之內。
為統一全球的毫米波頻率標準，ITU在世界無線電通訊大會(WRC)結束後，公布了24GHz~86GHz之間的全球可用頻率建議清單(表1)。ITU提出建議不久後，美國聯邦通訊委員會(FCC)便於2015年10月21日發布了擬議規範公告(NPRM)(圖1)，針對28GHz、37GHz、39GHz與64~71GHz頻帶，提出靈活的新服務規則。
28/39/72GHz脫穎而出
目前適用於5G的毫米波頻率選項也逐漸浮上檯面：28GHz、39GHz與72GHz。這三種頻帶能脫穎而出的原因有很多。
首先，不像60GHz必須承受約20dB/km的氧氣吸收損失，這三種頻率的氧氣吸收率遠低於此數值(圖2)，因此較適合長距離通訊。這些頻率也能在多路徑環境中順利運作，並且能用於非可視判讀(NLoS)通訊。透過高定向天線搭配波束賦形與波束追蹤功能，毫米波便能提供穩定且高度安全的連結。
28GHz頻段進展快
如上所述，電信業者都急切想要取得未分配的大量毫米波頻譜；而毫米波頻譜會使用哪些頻率，這些業者將是深具影響力的關鍵要角。在2015年2月，三星(Samsung)執行了自己的通道量測，並發現28GHz的頻率可用於手機通訊。這些量測結果，驗證了都市環境中預期會發生的路徑損耗(非可視判讀(NLoS)連結中的路徑損耗指數為3.53)，三星宣稱，此數據指出毫米波通訊連結可支援200公尺以上距離。該研究還包含相位陣列天線的運用。三星也開始相關設計，以便讓手機能夠容納精密的陣列天線。在日本，NTT Docomo與Nokia、三星、Ericsson、Huawei、Fujitsu合作，針對28GHz(以及其他頻率)順利完成現場測試。
73GHz頻段可用連續頻寬廣
在28GHz相關研究展開的同時，E頻帶也引起了行動通訊領域的注意。73GHz就是另一種備受矚目的毫米波頻率。Nokia運用了紐約大學的73GHz通道量測結果，開始研究此頻率。在2014年的NI Week年會上，Nokia透過NI原型製作硬體，展示了他們第一個73GHz空中傳輸(OTA)技術。這套系統隨著研究進行不斷演進，並持續透過公開示範來展示新的技術成就。在2015年的行動世界會議(MWC)上，這套原型驗證系統已能藉由透鏡天線與光束追蹤技術，執行每秒超過2Gbps的資料傳輸。此系統的MIMO版本，則在布魯克林5G高峰會議上展出，可執行高達10Gbps的資料傳輸；而在不到一年後的行動世界會議上，這套原型展示了雙向空中傳輸連結，傳輸速率超過14Gbps。
在2016年的行動世界會議上，Nokia不是唯一進行73GHz技術示範的廠商；Huewei與Deutsche Telekom也一同展示了可於73GHz運作的原型。這項示範採用多使用者(MU)MIMO，展示了高頻譜效率，以及針對個別使用者超過20Gbps傳輸率的潛力。
其中一項可用以區分73GHz與28GHz、39GHz的特性，是可用連續頻寬。73GHz中有2GHz的連續頻寬可用於行動通訊，是擬議頻率頻譜中範圍最廣的。相較之下，28GHz僅提供850MHz的頻寬；而在美國，39GHz附近就有兩個頻帶提供1.6GHz與1.4GHz頻寬。此外，如Shannon定理所述，更高的頻寬便代表更高的資料傳輸量；因此與其他上述頻率相比，73GHz具備了強大優勢，是毫米波中一種重要的頻率。
38GHz用途廣 納入5G標準成挑戰
雖然目前38GHz的公開研究資料最少，但仍有機會成為5G標準的一部分。ITU已將38GHz列於全球可用頻率清單，而且根據紐約大學的研究，已有通道資料可證明其為可用的毫米波頻率。相較於28GHz或73GHz，38GHz有更多現有用途，因此要將其納入5G標準，將是一項挑戰。FCC已針對可能的行動應用擬議頻譜，以便加速美國未來針對此頻帶的研究。
建立毫米波原型 促進mmWave技術推廣
由於毫米波通道的基本屬性與目前的手機模型不同，而且未知事項較多，因此研究人員必須開發新的技術、演算法與通訊協定，才能充分發揮mmWave在5G領域的潛力。建立毫米波原型(mmWave Prototype)非常重要，尤其是在早期階段。由於僅靠模擬是無法展示毫米波技術或概念的可行性，所以必須建立毫米波原型。毫米波原型能夠在多種情境下，透過Real-Time的空中傳輸方式執行通訊作業，可以藉此解開毫米波通道的秘密，並且促進毫米波技術的應用與推廣。
要建立完整毫米波通訊原型時會面臨多個難題。假設有一個可處理多重GHz訊號的基頻子系統。目前多數的LTE實作皆使用10MHz通道(最高20MHz)，且運算量隨著頻寬線性增加。換句話說，運算能力須提升100倍以上才能滿足5G資料速率的需求。此外，毫米波原型製作須用到FPGA，才能執行毫米波系統的實體層運算。
要針對毫米波應用建立原型製作的客製硬體是相當困難的任務。由於毫米波頻率具備大量的連續頻寬，因此非常適用於通訊作業。要找到具備1~2GHz頻寬(此為5G應用所需)的現成硬體傳輸器或接收器，成本相當高昂；在某些頻率下，甚至無法找到符合這項條件的儀器。就算真的找到了這種硬體，其設定並處理原始資料的能力也有限，甚至可能毫無處理能力。因此，設計客製的FPGA處理機板，便成為深具吸引力的選擇。設計FPGA機板硬體的時間或許不需要很久，但如果還要開發與其通訊的軟體介面，就算是最有經驗的工程師，也可能需要一年(甚至更久)才能完成，這還只是毫米波原型驗證系統的一部分而已。
除了FPGA機板之外，mmWave原型驗證系統需要運用最先進的DAC與ADC才能擷取1~2GHz之間的頻寬。目前市面上，有部分RFIC具備可於基頻與毫米波頻率之間轉換的晶片，但這些產品選擇有限，且大多僅能用於60GHz頻帶。IF與RF階段可做為RFIC的替代方案，工程師一旦有了基頻與IF解決方案，供應商便能針對毫米波無線電站，提供更多基頻RFIC以外的選擇，但是選擇依然不多。開發毫米波無線電站，需要RF與微波設計的專業技術，這與開發FPGA機板所需的技術完全不同，因此團隊必須具備多種專業，才能開發出所有必要的硬體。FPGA是毫米波基頻原型驗證系統的核心元件，而要設計出能處理多重GHz通道的多重FPGA系統，將使系統更加複雜。舉例說明，為了滿足服務供應商與通訊研究人員在系統複雜度與軟體的需求，量測儀系統廠商NI提供一組可設定的毫米波原型製作硬體，以及附有原始碼的毫米波實體層，其囊括毫米波系統基頻的基本特性，並為橫跨多個FPGA的資料遷移與處理作業提供抽象化功能，簡化工作的複雜度。這些工具都是為了將新的毫米波原型整合到系統與產品內所設計，並對5G技術開發有重大影響。
為了滿足資料傳輸量的需求，使用24GHz以上的大量連續頻寬將成必要；而研究人員也已透過原型製作，展示毫米波技術可達到14Gbps以上的傳輸速率。現在尚待解決的最大問題是，行動通訊要使用哪個毫米波頻帶。ITU或許能提供助力，為5G的行動應用設置一個頻率。而開發成本的降低，以及只在手機上使用一組(而非多個)矽晶片的技術，是當前手機普及全球的關鍵原因，手機製造商與消費者也受惠於此。然而，要重新分配現有頻率，所費不貲。找到一個全球都同意使用的頻帶，是值得奮鬥的目標，但最終也可能無法達成。由於時程緊迫，各地的服務供應商選擇忽視ITU的建議，並選擇那些雖然不是全球通用，但現在就能使用的頻譜。這些服務供應商也發揮自身能力的優勢，透過現場測試製作雙向通訊連結的原型(5G開發的關鍵部分)，進而讓研究人員展示這項新技術，並用更快的速度將新技術標準化。
儘管仍有許多未知的部分，未來一定會布署毫米波技術，且會以很快的速度執行。新一代的無線通訊即將登場，而全世界都在關注並觀察未來毫米波技術的應用方式。
