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(guó)際移動(dòng)通訊定義了毫米波附加段，這對(duì)毫米波技術(shù)的發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用。現(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(gè)國(guó)家的106 家運(yùn)營(yíng)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(gè)或多個(gè)超過(guò)24GHz 的5G 波段，其中46 個(gè)是商用的。國(guó)內(nèi)方面，國(guó)家發(fā)改委在2017 年7 月通過(guò)了2 個(gè)毫米波段（24.75～27.5GHz,37～42.5GHz），可以在5G 實(shí)驗(yàn)室和室外進(jìn)行測(cè)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(cè)試中，將分為3 個(gè)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(huì)估計(jì)，到2035 年，5G 毫米波將為全世界創(chuàng)造價(jià)值5650 億美元。去年的新冠病毒對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)造成了很大的影響，但是也讓各個(gè)行業(yè)意識(shí)到數(shù)字化的重要性，并將5G 技術(shù)推廣到各個(gè)領(lǐng)域。

5G 在全球許多國(guó)家實(shí)現(xiàn)了商用。2019 年6 月，國(guó)家發(fā)改委向四大電信公司頒發(fā)了5G 牌照，5G 將在我國(guó)正式商用。第五代移動(dòng)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(dòng)寬帶，主要針對(duì)高清晰度、VR 等場(chǎng)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(duì)通訊延遲和高可靠性要求的場(chǎng)合，這些應(yīng)用程序具有延遲幾毫秒，對(duì)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(wàn)個(gè)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(shí)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(jiàn)表1。

表1： 5GNR 物理層的基礎(chǔ)參數(shù)

5G 頻帶分為兩個(gè)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(zhǎng)。但是，由于所能使用的信號(hào)頻帶很低，適合于5G 信號(hào)覆蓋，能夠適應(yīng)高速移動(dòng)的情況。FR2 是一種波長(zhǎng)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(diǎn)、室內(nèi)等場(chǎng)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(guó)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(wú)線電通信大會(huì)將24.25～27.5GHz、37～43.5GHz、66～71GHz 列為5G 國(guó)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(gè)接收機(jī)更大的信道容量。通過(guò)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(gè)天線，將接收到的信號(hào)中含有相同的信息，并通過(guò)分集的方式來(lái)抵抗信號(hào)的衰減。多路傳輸采用多個(gè)天線來(lái)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(lái)說(shuō)，波束形成就是通過(guò)控制收發(fā)器每個(gè)天線單元的接收和接收信號(hào)的振幅或者相位來(lái)達(dá)到在不同方向上的疊加或者消除電磁波。從而使信號(hào)具有一定的方向性，在非方向上對(duì)信號(hào)進(jìn)行抑制，從而提高了信號(hào)的方向。

波束成型技術(shù)是通過(guò)對(duì)電磁波的干擾作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。兩種非常接近的電磁波相互干擾，在傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生重疊。形成了增強(qiáng)點(diǎn)，并形成了相間分布的弱項(xiàng)。兩種電磁波的峰值（或低頻）相交時(shí)，其相位相等，并在重疊后振幅增加。當(dāng)波峰與波谷相交時(shí)，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(gè)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(duì)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(diǎn)的位置，使波束主瓣對(duì)準(zhǔn)某一方向。見(jiàn)圖2 所示。

圖2： 射束成型工藝原理圖

1.3 毫米波的特點(diǎn)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(jí)的波長(zhǎng)，因而稱為毫米波。在實(shí)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(gè)突出特點(diǎn)。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(lái)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(hào)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(hào)的路徑損失要高于3.5GHz 的信號(hào)17.4dB。

另外，毫米波在大氣中傳播時(shí)，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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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?hào)的損耗也是巨大的。

大氣中的固體微粒對(duì)毫米波信號(hào)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(huì)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(huì)被人用手擋住，大部分固態(tài)物質(zhì)都是毫米波無(wú)法穿透的。

毫米波的另外一個(gè)特點(diǎn)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(zhǎng)呈比例關(guān)系。毫米波的波長(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)僅為幾毫米，所以毫米波陣列的尺寸可以達(dá)到毫米級(jí)。通過(guò)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(gè)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(wú)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(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn)

2.1 5G毫米波通訊的優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)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(diǎn)：

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(guó)內(nèi)主要的基站廠商都能在毫米波段采用載波聚合（4 個(gè)200 兆赫或8 個(gè)100 兆赫）來(lái)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(shí)驗(yàn)基地IMT-2020 毫米波測(cè)試中，采用全頻帶800MHz 的毫米波基地臺(tái)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(guó)3.5GNR 系統(tǒng)的主要子載波間距為30kHz，相應(yīng)的時(shí)隙長(zhǎng)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(shí)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(shí)延會(huì)大大減少，從而滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)輕量化和微型化

5G 毫米波段高，波長(zhǎng)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(jì)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(hào)的能量聚焦到一個(gè)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(diǎn)，提高了毫米波通信距離，同時(shí)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(shì)，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(wú)線傳輸過(guò)程中，由于信道損失較大，信號(hào)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(wèn)題主要采用波束賦形技術(shù)，即通過(guò)對(duì)各天線陣子的權(quán)重進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)某一特定目標(biāo)的波束，并利用天線陣的增益來(lái)擴(kuò)展其覆蓋范圍?；贗AB 組網(wǎng)架構(gòu)，采用5G 毫米波作為L(zhǎng)OS 場(chǎng)景的無(wú)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(shí)現(xiàn)了LOS 場(chǎng)景的無(wú)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(dòng)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(gè)毫米波蜂窩的覆蓋范圍比中低波段蜂窩要小，因此，在移動(dòng)過(guò)程中，終端要面對(duì)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(shí)，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(tái)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(cè)失敗、新發(fā)現(xiàn)、恢復(fù)和恢復(fù)要求四個(gè)步驟；此外，該方案還支持多路傳輸技術(shù)，使一臺(tái)手機(jī)可以與多臺(tái)傳輸節(jié)點(diǎn)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(shì)結(jié)合起來(lái)的高、低頻混組網(wǎng)絡(luò)方案，以及對(duì)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(duì)來(lái)說(shuō)，采用雙連接模式的終端設(shè)備更容易實(shí)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(duì)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(huì)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(wèn)題將會(huì)越來(lái)越多。

圖4： TDD 和FDD 兩種雙工方式典型架構(gòu)圖

2.2.4 對(duì)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(lái)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(duì)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(shí)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(diǎn)。

3 5G毫米波技術(shù)的應(yīng)用前景

動(dòng)態(tài)時(shí)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(jì)劃等方面。和超高可靠超低延遲通信（URLLC）等應(yīng)用場(chǎng)合，動(dòng)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(gè)射頻前端都由一個(gè)帶通濾波器或一個(gè)雙工器來(lái)防止由其它移動(dòng)裝置所生成的強(qiáng)烈信號(hào)干擾。在 FDD 系統(tǒng)中，為了達(dá)到通訊目的，必須有兩臺(tái)收發(fā)器同時(shí)經(jīng)過(guò)一個(gè)基站。FDD模式還存在一些問(wèn)題，比如，由于隔離程度的限制（一般為50 dB)，強(qiáng)傳輸信號(hào)會(huì)泄露到接收信道，從而干擾接收信號(hào)；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(huì)直接導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的噪音系數(shù)下降3 dB，而在發(fā)送器后級(jí)，這樣的損失僅能被天線接收到；另外， FDD系統(tǒng)中的一個(gè)重要問(wèn)題就是在功率放大器開關(guān)時(shí)或本振驅(qū)動(dòng)模塊的瞬時(shí)出現(xiàn)的鄰路干擾。FDD 雖然存在諸多缺點(diǎn)，但在目前的無(wú)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(wú)線收發(fā)方案相對(duì)于 TDD 而言更為簡(jiǎn)單，并且對(duì)終端與基站的同步需求也更為寬松，而且 FDD 所面對(duì)的系統(tǒng)間干擾問(wèn)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(diǎn)，而功率混合處理是研究的一個(gè)難點(diǎn)，它會(huì)增大基站間發(fā)生強(qiáng)烈的干擾。這對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的低功耗節(jié)點(diǎn)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(guò)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(lái)增大網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)能力?；九cUE 之間的功率差別趨向模糊，其交叉時(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)干擾和雙工開關(guān)的存在，使得TDD 的動(dòng)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(chǎng)合，但是，交叉時(shí)隙干擾依然是一個(gè)比較棘手和亟待解決的問(wèn)題。