5G 毫米波技術(shù)與應(yīng)用分析

姚娜

（山西傳媒學(xué)院 山西省晉中市 030619）

在2019 年11 月WRC-19 為國際移動通訊定義了毫米波附加段，這對毫米波技術(shù)的發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用?，F(xiàn)在，世界上著名的電信公司都在為毫米波的應(yīng)用做著準(zhǔn)備。資料表明，截至2020 年11 月份，全球20 個國家的106 家運(yùn)營商，已取得5G 毫米波業(yè)務(wù)牌照。此外，在全世界范圍內(nèi)，已經(jīng)發(fā)行的95 款產(chǎn)品都明確地支持一個或多個超過24GHz 的5G 波段，其中46 個是商用的。國內(nèi)方面，國家發(fā)改委在2017 年7 月通過了2 個毫米波段（24.75～27.5GHz,37～42.5GHz），可以在5G 實驗室和室外進(jìn)行測試。2019 年11 月，IMT-2020（5G）推進(jìn)小組宣布，將在2019-2021 年的5G 毫米波測試中，將分為3 個階段進(jìn)行。

1 5G毫米波的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 5GNR技術(shù)

據(jù)全球手機(jī)通訊學(xué)會估計，到2035 年，5G 毫米波將為全世界創(chuàng)造價值5650 億美元。去年的新冠病毒對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)造成了很大的影響，但是也讓各個行業(yè)意識到數(shù)字化的重要性，并將5G 技術(shù)推廣到各個領(lǐng)域。

5G 在全球許多國家實現(xiàn)了商用。2019 年6 月，國家發(fā)改委向四大電信公司頒發(fā)了5G 牌照，5G 將在我國正式商用。第五代移動通信系統(tǒng)是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：

（1）提高移動寬帶，主要針對高清晰度、VR 等場景，使其具有Gbit/s 的傳輸速率；

（2）低延遲高可靠通訊，它適用于智能駕駛、工業(yè)設(shè)備等對通訊延遲和高可靠性要求的場合，這些應(yīng)用程序具有延遲幾毫秒，對數(shù)據(jù)可靠性有很高的要求；

（3）大規(guī)模的機(jī)器通訊。它可以支持一平方公里范圍內(nèi)的數(shù)百萬個終端，從而使物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成為可能。

由于目前Sub-6GHz 頻段的頻譜資源短缺，已經(jīng)不能適應(yīng)今后更大的帶寬和容量要求，所以在5G 的實際部署中，不僅采用了Sub-6GHz 的低頻帶，而且還采用了更多的頻源資源。在2019 年6 月，3GPP 全面凍結(jié)了5GNRRelease15（R15）的有關(guān)協(xié)議，其中規(guī)定了5GNR 物理層的主要參數(shù)見表1。

表1： 5GNR 物理層的基礎(chǔ)參數(shù)

5G 頻帶分為兩個主要波段，分別是Sub-6GHz 和Multi-Wave，也就是由3GPP 所定義的FR1、FR2。FR1 是Sub-6GHz 頻帶，它的頻域范圍從410 兆赫到6000 兆赫不等，它的最大特征是路徑損失少、覆蓋范圍長。但是，由于所能使用的信號頻帶很低，適合于5G 信號覆蓋，能夠適應(yīng)高速移動的情況。FR2 是一種波長范圍為24250-52600 兆赫的毫米波段，它的主要特征是具有很大的帶寬，但是它的路徑損失很大。由于其覆蓋范圍較小，所以只能用于城市中的熱點、室內(nèi)等場合，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和峰值傳輸能力的要求。

2017 年7 月，國家發(fā)改委批復(fù)了5G 的5G 毫米波段，即24.75～27.5GHz，37～42.5GHz。2019 年12 月，世界無線電通信大會將24.25～27.5GHz、37～43.5GHz、66～71GHz 列為5G 國際毫米波段。

1.2 MIMO和波束成型技術(shù)

MIMO 技術(shù)采用多根天線進(jìn)行發(fā)射、接收，各天線的偏振方向和空間方位的變化，從而提高了發(fā)射和接收的能力。圖1 是MIMO 技術(shù)的基本原理，它利用了多徑導(dǎo)致的隨機(jī)衰落，使其在不需要額外的帶寬的前提下，就可以得到比單個接收機(jī)更大的信道容量。通過增大接收和接收天線的數(shù)目，可以增大通道的容量，從而提高數(shù)據(jù)的傳送速度，或提高通訊的可靠性。

圖1： MIMO 技術(shù)原理圖

MIMO 有兩種類型：發(fā)送分集和空間多路傳輸。該分集采用多個天線，將接收到的信號中含有相同的信息，并通過分集的方式來抵抗信號的衰減。多路傳輸采用多個天線來傳輸不同的信息，從而提高了傳輸能力。

波束成型技術(shù)是一種具有代表性的多天線技術(shù)。波束成型是為了接收和接收某一特定方向的電磁波。就收發(fā)器來說，波束形成就是通過控制收發(fā)器每個天線單元的接收和接收信號的振幅或者相位來達(dá)到在不同方向上的疊加或者消除電磁波。從而使信號具有一定的方向性，在非方向上對信號進(jìn)行抑制，從而提高了信號的方向。

波束成型技術(shù)是通過對電磁波的干擾作用來實現(xiàn)的。兩種非常接近的電磁波相互干擾，在傳輸時會產(chǎn)生重疊。形成了增強(qiáng)點，并形成了相間分布的弱項。兩種電磁波的峰值（或低頻）相交時，其相位相等，并在重疊后振幅增加。當(dāng)波峰與波谷相交時，兩種電磁波的相位反轉(zhuǎn)，并在重疊后振幅有所降低。在兩個天線單元的中心位置，能量最大，叫做主瓣；在主瓣的兩邊，兩根天線的電磁波互相抵消，形成了零陷；零陷外有兩種不同的電磁輻射，但其能量比主瓣要小，故稱之為副瓣。波束整形是利用對各天線發(fā)射的電磁波進(jìn)行初相控制，改變重疊區(qū)域和零陷點的位置，使波束主瓣對準(zhǔn)某一方向。見圖2 所示。

圖2： 射束成型工藝原理圖

1.3 毫米波的特點及應(yīng)用

當(dāng)前多數(shù)手機(jī)系統(tǒng)工作在Sub-6GHz 波段，而6GHz 以下的頻譜因多種通訊系統(tǒng)的持續(xù)使用而顯得異常擁擠。30-300 千兆赫的電磁波具有毫米級的波長，因而稱為毫米波。在實際應(yīng)用中，一般將毫米波的頻率限制在20GHz 以下。

它的傳輸性能是毫米波的一個突出特點。由于電磁波的傳播損失與其頻率成反比關(guān)系，因此毫米波的傳播損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小于6GHz。損失愈大，則有效傳送距離愈短。在開放的自由空間內(nèi)，電磁波的傳輸損失L 可以用以下公式來表達(dá)：

L=32.45+201gf+201gd

在方程式中，f 是以MHz 表示的通訊頻率，d 是以km表示的收發(fā)器之間的距離。由上面公式可知，在傳送距離d是固定的情況下，隨著信號頻率f 的增加，信道損失L 增加。在同樣的距離上，26GHz 的毫米波信號的路徑損失要高于3.5GHz 的信號17.4dB。

另外，毫米波在大氣中傳播時，很容易被不同的氣體所吸收，造成了很大的衰減。不同頻率的毫米波在大氣中的衰減也是有差別的，例如，毫米波在30 千兆赫、90 千兆赫、140 兆赫、210GHz 等波段的毫米波損耗比較低，通常使用在點對點通訊中，而在61、118、185GHz 等頻段，毫米波衰減比較大，通常是在一些比較隱秘的通訊系統(tǒng)中使用。

除去因大氣造成的損耗，與低頻區(qū)域相比，降水、降雪、冰雹等極端氣候?qū)撩撞ㄐ盘柕膿p耗也是巨大的。

大氣中的固體微粒對毫米波信號的損失很少，但是毫米波的短波很難被反射或繞射。如果碰到目標(biāo)，就會被擋住，需要根據(jù)距離進(jìn)行傳送。毫米波不僅能被物體擋住，還能被人擋住。毫米波會被人用手擋住，大部分固態(tài)物質(zhì)都是毫米波無法穿透的。

毫米波的另外一個特點是它的波束更小。在天線數(shù)目固定的情況下，光束的寬度和波長呈比例關(guān)系。毫米波的波長比低的頻率要短，所以它的波束也就比較狹窄。窄波束能夠使應(yīng)用程序更加精確地追蹤和定位。

因此，毫米波段的頻譜資源要比Sub-6GHz 豐富得多，在毫米波段建設(shè)5G 移動通訊系統(tǒng)，可以有效地解決Sub-6GHz 頻段的帶寬不足，提高通信速度，提高系統(tǒng)容量。毫米波的波長僅為幾毫米，所以毫米波陣列的尺寸可以達(dá)到毫米級。通過用戶終端進(jìn)行毫米波通訊，不但可以獲得較大的頻段，而且可以在狹窄的用戶終端中安裝16 個以上的天線。再加上波束成型技術(shù)，可以有效地解決毫米波覆蓋面積較小的缺陷，極大地提高了無線通信距離，提高了5G 系統(tǒng)的整體容量。

2 5G毫米波通訊的優(yōu)點和面臨的挑戰(zhàn)

2.1 5G毫米波通訊的優(yōu)點

相對于中低頻段，毫米波帶寬、頻段高，5G 毫米波通信有以下優(yōu)點：

2.1.1 可以顯著地提高系統(tǒng)的峰值吞吐量

圖3： 5G 毫米波的用戶峰值速率

毫米波段的頻譜資源非常豐富，可以在很大程度上進(jìn)行系統(tǒng)的部署。目前國內(nèi)主要的基站廠商都能在毫米波段采用載波聚合（4 個200 兆赫或8 個100 兆赫）來達(dá)到總帶寬800MHz。在此基礎(chǔ)上，采用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，5G 毫米波通信系統(tǒng)可以輕易地達(dá)到Gbit/s 的傳輸速率。在2020年8 月末，北京懷柔實驗基地IMT-2020 毫米波測試中，采用全頻帶800MHz 的毫米波基地臺和以商業(yè)晶片為基礎(chǔ)的終端，成功地達(dá)到了4Gbit/s 的超高峰值速度。

2.1.2 極大地減少了系統(tǒng)的窗口延遲

目前，我國3.5GNR 系統(tǒng)的主要子載波間距為30kHz，相應(yīng)的時隙長度為0.5ms。而5G 毫米波系統(tǒng)的子載波段可以設(shè)定為60KHz 或120KHz，相應(yīng)于0.25ms 或0.125ms。5G 通訊網(wǎng)絡(luò)中一般都是以時隙為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度的，因此可以預(yù)期5GMWS 的窗口時延會大大減少，從而滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、實時交互傳輸?shù)确?wù)中的延遲要求。

2.1.3 使系統(tǒng)的裝置更易于實現(xiàn)輕量化和微型化

5G 毫米波段高，波長短，在物理空間相同的情況下，可以容納更多的天線，這就使得毫米波器件的設(shè)計和部署具有一定的優(yōu)越性。利用波束賦形技術(shù)，可以將信號的能量聚焦到一個較窄的方向，從而增強(qiáng)了毫米波束的空間分辨率。這種方法可以有效地解決毫米波傳播損耗大、繞射性能差等缺點，提高了毫米波通信距離，同時還能有效地減少鄰近波束和鄰近蜂窩的干擾。加大毫米波裝置的部署力度，最終也有助于提高定位精度。

2.2 5G毫米波通訊面臨的挑戰(zhàn)

5G 的毫米波有很大的優(yōu)勢，但還需要更大的發(fā)展空間。但仍有許多挑戰(zhàn)：

2.2.1 毫米波的覆蓋范圍比較有限

5G 的毫米波段很高，在無線傳輸過程中，由于信道損失較大，信號穿透能力和繞射衍射能力較差，因此覆蓋范圍受到限制。比如28GHz 的載波葉面積衰減達(dá)到17dB，比3GHz 的8.8dB 要高得多。當(dāng)前5G 毫米波的衰減和阻隔問題主要采用波束賦形技術(shù)，即通過對各天線陣子的權(quán)重進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對某一特定目標(biāo)的波束，并利用天線陣的增益來擴(kuò)展其覆蓋范圍。基于IAB 組網(wǎng)架構(gòu)，采用5G 毫米波作為LOS 場景的無線回傳鏈路，結(jié)合多跳技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥赃m應(yīng)技術(shù)，實現(xiàn)了LOS 場景的無線回傳鏈路。5G 毫米波網(wǎng)絡(luò)的彈性擴(kuò)展。此外，在SmallCell 方案中，可以增加5GMulCell 基站的覆蓋效應(yīng)。

2.2.2 毫米波的移動性管理更為復(fù)雜

由于5G 毫米波傳輸特性的不利影響，使得每個毫米波蜂窩的覆蓋范圍比中低波段蜂窩要小，因此，在移動過程中，終端要面對更嚴(yán)重的開關(guān)和數(shù)據(jù)中斷。在這種情況下，3GPP 采用了從寬到窄的分層掃描方式，使其能夠根據(jù)使用者的位置進(jìn)行最佳的光束轉(zhuǎn)換；同時，還給出了一種靈活、有效的切換方案，該方案不僅支持在基地臺內(nèi)部切換，也支持基于高層信令和基于底層指令的切換；在波束追蹤失敗的情況下，采用了不需要核心網(wǎng)絡(luò)的波束恢復(fù)機(jī)制，它包含了檢測失敗、新發(fā)現(xiàn)、恢復(fù)和恢復(fù)要求四個步驟；此外，該方案還支持多路傳輸技術(shù)，使一臺手機(jī)可以與多臺傳輸節(jié)點進(jìn)行通信，提高了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

2.2.3 中、低頻和毫米波并存

作為5G 通信系統(tǒng)的兩大頻段，MW-FR1 中低頻部分的共存要求我們提出一種可以將其優(yōu)勢結(jié)合起來的高、低頻混組網(wǎng)絡(luò)方案，以及對應(yīng)的負(fù)載分擔(dān)方案、互操作機(jī)制。當(dāng)前，雙連接、載波聚合是當(dāng)前的主流技術(shù)選擇。二者各有利弊，相對來說，采用雙連接模式的終端設(shè)備更容易實現(xiàn)。而采用載波聚集的方法，其效率要高得多。此外，載波聚集模式對通信系統(tǒng)的同步性有很大的影響，特別是在低、低頻率非共站情況下，站間不同步會使載波聚合性能進(jìn)一步降低。在今后的發(fā)展中，NR 高頻和NR 低頻的雙連接、NR 高頻和NR低頻的載波聚合等問題將會越來越多。

圖4： TDD 和FDD 兩種雙工方式典型架構(gòu)圖

2.2.4 對毫米波空口資源的需求多元化5G 毫米波采用了與Sub-6G 差不多的3GPP 空口標(biāo)準(zhǔn)，因此不能很好地適應(yīng)未來的毫米波服務(wù)需要。比如AR/VR沉浸服務(wù)、8K 超高清視頻業(yè)務(wù)等，主要是下行業(yè)務(wù)，視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程手術(shù)業(yè)務(wù)等都是上行業(yè)務(wù)，還有一些業(yè)務(wù)對上下行業(yè)務(wù)的需求比較均衡。5G 毫米波通信需要根據(jù)實際情況和業(yè)務(wù)需求，靈活地調(diào)整空口資源，以充分發(fā)揮其大帶寬的優(yōu)點。

3 5G毫米波技術(shù)的應(yīng)用前景

動態(tài)時分雙工（Time Division Duplexing, TDD）技術(shù)在應(yīng)用上的優(yōu)越性是毋庸置疑的，但是在諸如異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署、高覆蓋計劃等方面。和超高可靠超低延遲通信（URLLC）等應(yīng)用場合，動態(tài)TDD 系統(tǒng)仍存在著難以避免的困難和挑戰(zhàn)。

在頻分雙工(frequency division duplexing, FDD)系統(tǒng)中，每個射頻前端都由一個帶通濾波器或一個雙工器來防止由其它移動裝置所生成的強(qiáng)烈信號干擾。在 FDD 系統(tǒng)中，為了達(dá)到通訊目的，必須有兩臺收發(fā)器同時經(jīng)過一個基站。FDD模式還存在一些問題，比如，由于隔離程度的限制（一般為50 dB)，強(qiáng)傳輸信號會泄露到接收信道，從而干擾接收信號；其次，由于射頻前端的插入損耗和質(zhì)量因素的影響，使得雙工元件的插入損失要比 TDD 系統(tǒng)中的 RF 要大得多，通常3 dB 的損失會直接導(dǎo)致整個設(shè)備的噪音系數(shù)下降3 dB，而在發(fā)送器后級，這樣的損失僅能被天線接收到；另外， FDD系統(tǒng)中的一個重要問題就是在功率放大器開關(guān)時或本振驅(qū)動模塊的瞬時出現(xiàn)的鄰路干擾。FDD 雖然存在諸多缺點，但在目前的無線射頻系統(tǒng)（例如蜂窩）中得到了廣泛的應(yīng)用，主要原因在于，相比 TDD 而言， FDD 的無線收發(fā)方案相對于 TDD 而言更為簡單，并且對終端與基站的同步需求也更為寬松，而且 FDD 所面對的系統(tǒng)間干擾問題遠(yuǎn)不如 TDD，而且更容易進(jìn)行干擾控制。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是一種能彌補(bǔ)容量缺口、提高資源利用率的有效方法，其特征之一是具有不同功率方式和不同覆蓋面的通信業(yè)務(wù)結(jié)點，而功率混合處理是研究的一個難點，它會增大基站間發(fā)生強(qiáng)烈的干擾。這對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的低功耗節(jié)點造成了很大的負(fù)面影響。

密集覆蓋是一種提高網(wǎng)絡(luò)容量的有效方法，它可以通過減少網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積和增加網(wǎng)絡(luò)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)目來增大網(wǎng)絡(luò)的訪問能力?；九cUE 之間的功率差別趨向模糊，其交叉時隙干擾的程度與同向鏈路的干擾程度基本相同。目前已有的研究表明，在密集部署情況下，采用動態(tài)TDD 技術(shù)仍可獲得較好的性能提升，但其運(yùn)算復(fù)雜性還有待于進(jìn)一步的研究。

URLLC 是5G-NR 中的又一關(guān)鍵技術(shù)，其目的在于提供更高的延遲和更高的可靠性。雖然動態(tài)TDD 技術(shù)能夠提供業(yè)務(wù)流的適應(yīng)性，但是這不是URLLC 的首要要求。在URLLC 方案中，由于TDD 系統(tǒng)中的瞬時干擾和雙工開關(guān)的存在，使得TDD 的動態(tài)性能得到了極大地改善。

總體上，TDD 技術(shù)可以賦予許多不同的應(yīng)用場合，但是，交叉時隙干擾依然是一個比較棘手和亟待解決的問題。