無線設備數量與其消耗的數據量每年都以等比級數增加——年復合成長率(CAGR)達53%。當這些無線設備創造并消耗資料時，連接這些設備的無線通信基礎設施也必須隨之演進，才能滿足成長的需求。3GPP定義三種高階5G使用案例(圖1)的目標是隨時隨地提供可用的移動寬帶數據，然而，僅僅提升4G架構網絡的頻譜效率，并不足以提供所需數據速率的步階函數。
有鑒于此，研究人員正致力于研究更高的頻率，希望得到可行的解決方案。早期在信道探測(channel sounding)作業的結果相當良好，因此世界各地的無線標準組織皆重新調整研究重點，以便了解新一代5G無線系統如何整合，以及從運用這些新的頻率與較高的帶寬中受益。
圖1：3GPP與IMT 2020所定義的三種高階5G使用案例*
定義5G的關鍵績效指標
設計這些使用案例時，都是希望未來的無線標準得以針對新應用補足既有無線標準無法滿足的缺口，而各個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移動寬帶(eMBB)預計能達到10Gb/s的峰值數據速率，比4G快了100倍。根據Shannon-Hartley定律，容量是帶寬(頻譜)與信道噪聲的函數，因此數據速率確實與可用的頻譜有關。由于6GHz以下的頻譜已經分配完畢，所以6GHz以上(尤其是毫米波范圍內)的頻譜，可說是因應eMBB使用案例的理想替代方案。
毫米波：三種頻率的故事
為了服務客戶，全球各地的電信業者已在頻譜上投資了數十億美元。設定頻譜拍賣底價更突顯了頻譜這種寶貴資源的市場價值與供不應求的特性。開啟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移動寬帶數據傳輸體驗。與6GHz以下的頻譜相比，毫米波的頻譜不僅非常充裕，而且只要稍經授權就能使用，因此世界各地的業者都能運用毫米波。此外，現代芯片制造技術已經大幅降低了毫米波設備的成本，所以在價格方面，這些設備已可用于消費性電子產品。而采用毫米波所面臨的挑戰，主要在于這些頻譜并未經過完整研究，仍有尚未解決的技術問題。
電信業者已開始研究毫米波技術，以便評估最適合移動應用的頻率范圍。國際電信聯盟(ITU)與3GPP已共同規劃進行5G標準的兩階段研究。第一階段研究將著重于40GHz以下的頻率，以因應較急迫的商業需求部份，完成時間訂為2018年9月。第二階段則預計從2018年開始，于2019年12月完成，目標是達成IMT 2020所列的KPI，并著重于高達100GHz的頻率。
為了統一全球的毫米波頻率標準，ITU在近期的世界無線電通訊大會(WRC)結束后，公布了24GHz到86GHz之間的全球可用頻率的建議列表：
24.25–27.5GHz ， 31.8–33.4GHz ， 37–40.5GHz ， 40.5–42.5GHz ， 45.5–50.2GHz ， 50.4–52.6GHz ， 66–76GHz ， 81–86GHz
ITU提出建議不久后，美國聯邦通訊委員會(FCC)便于2015年10月21日發布了擬議規范公告(NPRM)，針對28GHz、37GHz、39GHz與64~71GHz頻帶提出全新且靈活的服務規則。
圖2：FCC針對移動用途擬議的頻帶
當ITU、3GPP與其他標準組織決定以2020年做為定義5G標準的期限時，手機電信業者正加緊腳步推出5G服務。美國的Verizon與AT&T致力于在2017年推出5G的初始版本。韓國規劃在2018年奧運推出5G試行版，日本則預計在2020年的東京奧運展示5G技術。有了這些不同單位訂定各自的目標，適用于5G的頻率選項也逐漸浮上臺面：28GHz、39GHz與73GHz。
這三種頻帶之所以能脫穎而出，有許多原因。首先，這三種頻率不像60GHz必須承受約20dB/km的氧氣吸收損耗，其氧氣吸收率遠低于此數值(如圖3所示)，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，并且能用于非可視距離(NLoS)通訊。透過高定向天線搭配波束成形與波束追蹤功能，毫米波便能提供穩定且高度安全的連結。
紐約大學理工學院(NYU Polytechnic School of Engineering)的Ted Rappaport博士與他的學生已開始著手研究28GHz、38GHz與73GHz的通道特性與潛在效能。他們藉由傳播量測與研究，探討這些頻率潛在的服務中斷情形，并且已發表多篇相關論文。透過這些頻率的現有數據與研究，再結合全球可用的頻譜，便能從這三種頻率開始執行毫米波的原型制作。
圖3：毫米波頻率范圍的大氣吸收率(以dB/km為單位)*
28GHz
如上所述，電信業者急切地想要取得未分配的大量毫米波頻譜；他們將扮演影響毫米波頻譜使用哪些頻率的關鍵角色。三星(Samsung)在2015年2月自行執行通道量測，并發現28GHz頻率可用于手機通訊。這些量測結果驗證了都市環境中預期會發生的路徑損耗——NLoS鏈接中的路徑損耗指數為3.53，三星進而宣稱此數據指出毫米波通信鏈接可支持200公尺以上的距離。該研究還包含相位數組天線的運用。三星并開始執行特性化設計，讓手機能夠容納精密的相位數組天線。在日本，NTT Docomo與諾基亞(Nokia)、三星、愛立信(Ericsson)、華為(Huawei)與富士通(Fujitsu)共同合作，針對28GHz(以及其他頻率)順利完成了現場測試。
2015年9月，Verizon宣布與三星等重要合作伙伴將于2016年在美國進行現場測試，比5G標準的擬議期限2020年還早了4年，使得Verizon成為5G市場的先進者。2015年11月，高通(Qualcomm)透過128支天線針對28GHz進行試驗，在人口密集的都市環境中展現毫米波技術的效能，以及定向波束成形如何用于NLoS通訊。而在FCC宣布28GHz頻譜可用于移動通訊后，進一步的實驗與現場測試勢必持續進行。Verizon也公布租用XO Communications的28GHz頻譜協議，其中包含于2018年底買下頻譜的購買選擇權。