面向5G的毫米波技術應用研究

◆倪 琨

(中國移動通信集團江蘇有限公司南京分公司 江蘇 210019)

0 前言

波長在1-10mm，頻率在30-300GHz的微波稱為毫米波。從毫米波的通信特點可以看除，其通信方式與光通信都是屬于波長較短，頻率很高的通信方式，因此也就有與光通信差不多的性能。毫米波在使用的過程中容易受到大氣的吸收而衰減，但是因為其波長短，所以傳輸很穩(wěn)定，比較適合在密集的、小范圍的區(qū)域建設。本文以毫米波作為研究對象，闡述面下個5G毫米波的傳輸特點，為未來大范圍建設5G網(wǎng)絡提供參考。

1 毫米波通信技術簡介

我們知道，大氣中氮氣約占八成，氧氣約占兩成，剩下的就是一些稀有氣體和水蒸氣之類的。由于大氣中含有極化的氧分子，所以毫米波大氣中傳輸?shù)倪^程中容易被吸收掉，這種被吸收的現(xiàn)象就會使得波的能量損失，導致傳輸效率低，并且可能會造成數(shù)據(jù)紊亂等。針對這種現(xiàn)象，研究人員發(fā)現(xiàn)，有幾個特殊頻率的波在傳輸過程中會造成損失(60GHz、119GHz和 183GHz)，也有幾個頻率的波在傳輸?shù)倪^程中效果很好，幾乎沒有損失(35GHz、94GHz、140GHz和220GHz)。因此，在毫米波建設的過程中要避免使用者三種頻率的波。此外，還在試驗中發(fā)現(xiàn)，頻率的毫米波在傳輸?shù)倪^程中效果較好，因此可多多建設這四個頻率的波長。如圖1所示為毫米波的衰減曲線。

圖1 毫米波在空氣中的衰減趨勢

毫米波的衰減受到溫度和濕度的影響，把地面溫度設置在15攝氏度，濕度為11，再結(jié)合公式測得毫米波的衰減隨著頻率的增加而增加。由于毫米波的抗干擾能力強且傳播速度快，1920年左右就有學者開始了毫米波的研究，1950年取得了較大的進展。到了1990年左右，毫米波的研究已經(jīng)取得了較大的技術突破，使得毫米波廣泛應用在國防和通信技術上?，F(xiàn)如今5G時代慢慢到來，毫米波的相關技術與5G的發(fā)展方向很契合，因此可以考慮把毫米波技術應用到5G網(wǎng)絡之中。

2 面向5G的毫米波網(wǎng)絡架構分析

5G網(wǎng)絡建成之后，其強大的數(shù)據(jù)傳輸能力，廣闊的覆蓋率和穩(wěn)定性會為現(xiàn)如今大數(shù)據(jù)時代帶來福利，在一些建設成功的地區(qū)可以讓用戶體驗到10M/s以上的傳輸速度，真正利用網(wǎng)絡為社會發(fā)展和人民幸福提供保障。事實證明，針對LTE覆蓋率小的問題，采用5G網(wǎng)絡能做到深度覆蓋的地步，解決LTE的相關問題。但是由于建設5G的基礎階段需要選擇合適的地址，建設相應的基礎設備，并且在后期保養(yǎng)的費用很高，所以，現(xiàn)階段還矗立理論試驗，并未真正投入到使用當中。所以，5G英超這小型化和集成化的方向發(fā)展。在做到這些的基礎上，可以把基礎機構建設成美觀的形式，還可以為環(huán)境美化提供一定的助力?？梢愿鶕?jù)具體的建設情況具體設計，做出合理的部署，并且能在一定上節(jié)約經(jīng)濟。

圖2 5G架構框圖

在通信方面，信令和數(shù)據(jù)起著不同的作用。數(shù)據(jù)通過專門的通道從一個終端傳輸?shù)搅硪粋€終端。而信令需要在網(wǎng)絡中經(jīng)過一系列的傳輸，并且在傳輸?shù)倪^程中可能還要經(jīng)過處理才會最終起作用。在通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)和信令擁有各自不同的傳輸通道，在系統(tǒng)建成之后，LTE將能運輸起不同的信令。在5G系統(tǒng)中可以設計除把信令和數(shù)據(jù)分開的傳輸方式，這樣不僅能解決LTE中信令占據(jù)大量資源的現(xiàn)象，還能夠提高傳輸效率。

3 面向5G的毫米波天線分析

毫米波天線具有高天線增益和小天線波束角兩個特性。起增

益可按下式計算：

其中：

η——孔徑系數(shù)

D——尺寸

A——面積

c——光速

λ——波長

f——頻率

同理波束角可按下式計算：

有公式可以看出，其增益與頻率的平方成正比，波束角與頻率成反比。在通常情況下η取0.5-0.8。以智能手機4天線為例，則η=0.6，D=6 cm=0.06 m，A=36 cm2=0.0036 m2，根據(jù)上述兩個式子可求出增益和波束角如表1所示。

表1 天線計算參數(shù)

由表1可知，兩種用途的天線，其參數(shù)差別很大，但是從波束角的角度來說，毫米波可以為5G網(wǎng)絡的建設提供技術支持。就目前的發(fā)展形勢來看，毫米波已經(jīng)應用的很成熟，隨著科技的不斷進步，5G時代必然來臨，而毫米波加護必將成為5G時代的重要建設基礎。

4 結(jié)束語

隨著5G技術的不斷發(fā)展，毫米波技術必將成為重要工具。但是由于其傳播范圍受限，不能遠距離傳輸，隨著科技的不斷進步，此問題也將會被解決，為5G時代的來臨打下堅實基礎。其穩(wěn)定性優(yōu)點可為5G技術的研究提供參考，總的來說，要想發(fā)展成熟的5G技術，不僅要借鑒毫米波的技術，還需要科技的繼續(xù)創(chuàng)新，從而研究出一套新的技術應用到5G上。

[1]5G愿景與需求（白皮書）［EB/OL］，2016.

[2]5G網(wǎng)絡技術架構（白皮書）［EB/OL］，2016.

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