高頻段寬帶無線通信前瞻*

方 箭，王 坦，黃 標

（國家無線電監測中心 北京100037）

1 引言

2013 年12月4日，我國第四代移動通信（4G）TD-LTE牌照發放，宣告世界上移動通信用戶數量最龐大的國家全面進入4G時代，而全球的4G網絡數也上升到250多個[1]。與此同時，面向下一代移動通信需求的第五代移動通信（5G）技術的研發也已在世界范圍內如火如荼地展開。在國際電信聯盟關于5G愿景研究的號召下[2]，歐盟、日本等陸續開展相關工作[3]，我國也適時成立了IMT-2020（5G）推進組[4]，從5G的需求、頻率、無線傳輸與組網技術、評估測試驗證技術、標準化及知識產權等各個方面，探究5G的宏偉藍圖。

業內觀點普遍認為，隨著移動互聯網、物聯網滲透到人們生活的方方面面，無線數據流量將持續快速增長，整個社會對信息通信的需求水平將不斷提升，5G相比4G將實現單位面積移動數據流量1 000倍增長[5]。海量數據業務的需求，不僅依賴于各項無線傳輸與組網技術的演進，還需要更多的頻譜資源予以支撐。

當前，《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》在9 kHz～275 GHz頻段范圍對42種無線電業務進行劃分[6]，無線通信系統主要歸為移動業務。主流無線通信系統（包括2G、3G、4G以及無線局域網等）一般使用6 GHz以下的VHF/UHF頻段，例如，蜂窩移動通信工作在800 MHz、900 MHz、2 GHz等頻段附近，而無線局域網工作在2.4 GHz、5 GHz等頻段附近，主要有下述兩方面原因。其一，早期的無線接入主要提供語音業務和短消息數據業務，VHF/UHF頻段能保證足夠的頻譜資源；其二，對于天線尺寸大小、射頻器件實現難易等，VHF/UHF頻段更加合適。

現階段，低頻段已經很難找到連續可用的寬帶頻譜資源，近些年，基于CMOS工藝的集成電路的快速發展，使得原本昂貴的毫米波無線通信設備將從小批量的專業市場快速轉向并應用于大規模量產的民用無線通信市場。因此，在5G大帶寬、高數據速率的需求下，尋求高頻段潛在可用頻譜資源成為解決頻譜需求瓶頸問題的關鍵手段之一，而高頻段無線通信也已被視為5G研究最重要的方向之一[7]。

2 頻譜需求預測

為積極應對未來移動通信數據流量的快速增長，ITU確定在WRC-15大會上考慮為寬帶移動通信系統增加頻率劃分，設立1.1議題以滿足移動寬帶的未來需求。1.1議題的核心工作就是預測未來的頻譜需求，并尋求未來的潛在可用資源。為此，ITU-R WP 5D工作組對世界范圍內的頻譜需求進行測算，而中國、美國、俄羅斯、日本等國家也根據本國情況開展了相關工作，具體情況見表1[8]。雖然各國移動通信發展所處階段、人口分布、預測建模方法等存在差異，但預測2020年的頻譜需求均為1.5 GHz帶寬左右。

表1 未來IMT頻譜需求預測情況

對于以無線局域網為代表的寬帶無線接入的頻率需求預測，ITU-R WP 5A工作組也開展了測算工作，具體見表2[9]。

表2 未來寬帶無線接入頻譜需求預測情況

雖然ITU-R已規劃了約1.2 GHz帶寬的頻譜用于IMT系統，但考慮到劃分和規劃的區域特性，各國實際的規劃值遠小于該值，為滿足未來移動通信系統對覆蓋、性能、容量的不同需求，集中在6 GHz以下尋求更多的潛在資源。

考慮到5G商用可能面向2025年或更加長遠，屆時，新的業務量增長將導致頻譜需求缺口繼續擴大；另外，要求高傳輸速率和實時大數據量的傳輸服務多發生在密集城區small cell場景下，M2M等服務應用也將廣泛分布于短距離傳播的區域內；而高頻段的傳播特性決定了它在熱點場景下具有大容量接入的特點。因此，采用6 GHz以上高頻段解決大容量需求問題必將是大勢所趨。

3 全球高頻段無線通信發展情況

傳統而言，高頻段往往用于大功率系統的點對點無線傳輸，如衛星通信、微波通信系統。近些年，業界逐漸開展了點對多點的無線通信相關研究和標準化工作。

國際上，在寬帶無線接入系統方面，60 GHz頻段是業內關注的重點，其主要用于短距離、高速率的傳輸，傳輸距離通常在10 m以內，采用TDD工作模式，具體工作頻段為56～66 GHz，與此相關的主要是以下3個國際標準：ECMA 387標準、IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11ad，另外，IEEE已經成立IEEE 802.11aj工作組，制定針對中國60 GHz和45 GHz頻段的無線局域網標準。

在頻率規劃和分配方面，早在2001年，美國FCC以非授權方式為無線通信分配了一段7 GHz（57～64 GHz）的連續頻譜[10]；在歐洲，ECC以非授權方式規劃了連續9 GHz（57～66 GHz）的連續頻譜，將62～63 GHz和65～66 GHz兩個頻段分配給移動寬帶系統，將59～62 GHz頻段分配給無線局域網[11]；日本、澳大利亞也在此頻段開展了相關規劃，具體如圖1所示。

圖1 國際60 GHz頻段分配情況

在公眾移動通信方面，歐盟正式啟動METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty(2020)Information Society）項目[3]，開始進行5G研發，高頻段通信也是其關注重點之一。以三星公司為代表的韓國，針對6 GHz以上頻段，特別是13.4～14 GHz、18.1～18.6 GHz、27.0～29.5 GHz、38.0～39.5 GHz，進行了大量研究與測試，在28 GHz高頻段上，利用64根天線，采用自適應波束成形技術，在200 m的距離內實現1 Gbit/s的峰值下載速率[12]；NTT DoCoMo、愛立信等公司也開展高頻段通信研究工作。

在 國 內，LTE-Hi（LTE hotspot/indoor）作 為LTE小 基 站滿足熱點及室內覆蓋需求的技術，具有小覆蓋、密集組網、低功耗、低成本等特點[13]。國內標準化組織、國家重大科技專項等均開展相關研究，并已經正式在3GPP R12標準化工作中立項。相比傳統的公眾移動通信，LTE-Hi使用更高的頻率，目標頻段主要在3.4～3.8 GHz。而在更高頻段，國內設立“863”計劃重點項目“高頻段無線通信基礎技術研究開發與示范系統”、“973”計劃“硅基毫米波亞毫米波集成電路與系統的基礎研究”等，研究高頻段通信的關鍵技術、器件實現、原型系統，為未來提供技術基礎。另外，國內IMT-2020（5G）推進組正在研究高頻段關鍵技術、潛在候選頻段等。在無線通信系統的頻率規劃方面，2006年，將59～64 GHz頻段規劃用于無線微功率（短距離）無線電技術應用；2013年，我國率先將40～50 GHz頻段規劃用于寬帶無線接入系統和點對點的無線傳輸系統。

4 高頻段特性

分析高頻段特性是設計和實現高頻段寬帶無線通信的基礎，而對傳播特性的認知則是關鍵。對于高頻段傳播特性，可以從兩方面描述：自由空間損耗和附加損耗[14]。對于自由空間損耗而言，路徑損耗與頻率變化呈平方的關系，在較短距離內會產生極大的損耗，如60 GHz相對于5 GHz高出至少20 dB；附加損耗一般包括大氣氣態損失、雨衰、樹葉堵塞、散射、繞射等。大氣氣態損耗一般是在電磁波通過大氣時，由水、氧氣等分子吸收造成的，具體損耗值與這些氣體的諧振頻率相關，通常水蒸汽的第一吸收峰值（吸收最強處）是22.3 GHz，氧氣在60 GHz左右，典型的大氣吸收衰減曲線如圖2所示[15]；雨衰則是電波在雨中傳播時由于雨點吸收和散射而產生的衰減，在1～50 GHz頻帶內，降雨衰減與降雨強度成正比；樹木阻擋的衰減量取決于樹葉和枝干的濃密度以及電波穿過樹冠的路徑長度；另外，隨著頻率增加，波長變短，反射表面更加粗糙，導致漫反射更多，而電磁波頻率越高，波長越短，受建筑物陰影的衰落越大?？傮w來說，高頻段的傳播特性較為復雜，是多種因素共同決定的。

圖2 平均大氣吸收特性

基于高頻段的傳播特性分析，其特點總結如下：

·適用于短距離通信，傳播損耗較大；

·可利用的頻譜范圍寬，1%的相對帶寬可以提供數百兆乃至吉比特可用帶寬；

·安全性高，傳輸路徑損耗大，墻壁等障礙物的衰減很大；

·抗干擾性好，傳播損耗較大且方向性強；

·頻率復用性高，在較小區域內存在大量的微小區，可高度復用；

·元器件的尺寸小，高頻段波長較??；

·器件加工精度要求高，成熟CMOS集成電路技術；

·收發系統頻偏較大，由于環境變化引起的多普勒頻率擴展以及射頻本振誤差造成的頻率偏差和相位噪聲也會隨著工作頻率的增加而線性增加。

5 高頻段無線通信面臨的挑戰

在無線通信系統的研究和設計方面，由于高頻段所具備的諸多特性，在低頻段適用的關鍵技術或將難以直接應用。如何既充分利用高頻段的優點，同時又克服其缺點，相關工作面臨著機遇和挑戰。本節從頻段選擇、傳輸技術、組網技術以及射頻技術等方面進行分析。

（1）頻段選擇方面

隨著我國工業化和信息化融合的不斷加深，頻譜供需矛盾日益凸顯，為移動通信尋找可用頻段的難度也在持續加大。雖然6～275 GHz頻段有充足的移動業務頻率資源儲備，但選擇出合適的頻段仍需統籌規劃，以充分滿足各行業無線電業務的頻率需求。對于將高頻段用于移動通信，需要考慮以下因素。

·合法性：要確保所選頻段為《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》中已劃分（或以腳注形式標注）給移動業務的頻段。

·安全性：我國高頻段目前多以主要業務劃分給固定業務、無線定位業務、無線電導航業務以及衛星固定、衛星廣播等空間業務。在使用中，存在數字微波接力系統、航海及空中管制等雷達系統或衛星通信等重要系統，移動通信選擇新頻率需要充分考慮系統間的電磁兼容問題，以確保對其他系統的保護和移動通信自身系統的抗干擾能力。

·有效性：結合高頻段的傳播特性，選擇適合的頻段確保系統的有效設計。

·連續性：高頻段的一大優勢是具備連續的大寬帶頻譜資源，以此可確保系統獲得更高的效率。

·實現性：頻段選擇需要充分結合產業硬件制造能力，確保系統、終端、儀表等的可實現性。

因此，在高頻段為移動通信遴選可用頻段，需要進行大量的論證與支撐工作。

（2）無線傳輸技術方面

高頻段通信既提供了優勢，也帶來了挑戰。例如，對于作為4G核心傳輸技術之一的多入多出（MIMO）技術，小型化的天線和設備、較高的天線增益將為未來大規模MIMO（massive MIMO）技術實現創造得天獨厚的條件，可以極大地提升頻譜效率；同時，利用自適應波束成形技術可以彌補高頻段的路徑損耗，增加期望用戶增益，抑制干擾用戶。此外，高頻段通信還將為其他5G關鍵技術的研發創造條件，如無需借助基站的幫助即可實現終端間直接通信的終端直通（D2D）技術。在高頻段支撐下，D2D技術尤其適合于終端間的短距離直接通信，實現高數據速率、低時延、低功耗，且通過廣泛分布的終端，還能夠加強頻率資源的復用性。

然而，對于4G的另一核心技術——正交頻分復用（OFDM）技術，在高頻段中，其發送功率峰均比和對頻偏敏感的缺點將會被顯著放大，且在功放設計、頻偏補償等方面也存在極大挑戰，這些內容仍有待進一步研究。

（3）組網技術方面

未來無線通信網絡正朝著密集化、混合化、扁平化、異構融合化等方向演進，使用高頻段組網，是實現該目標的有效手段，具體介紹如下。

·密集化。隨著各種智能終端的普及，未來數據業務將主要分布在室內和熱點地區，這使得超密集網絡成為實現未來5G的1 000倍流量需求的主要手段之一。超密集網絡需配合高頻段、大帶寬，才能充分發揮其網絡部署靈活和頻率復用高效的特點。

·混合化。未來網絡必將是低頻側重覆蓋、中高頻側重性能和容量的混合組網，高頻段在混合組網的資源分布格局中扮演著重要作用。

·扁平化。無線接入網逐漸向扁平化架構發展，扁平化能夠減小系統時延、降低建網成本和維護成本，但對骨干網接入能力提出了更高的要求。微波回傳鏈路是實現基站間互聯互通、接入骨干網以及實現扁平化的重要措施，高頻段通信將為微波回傳鏈路提供更好的解決方案。

·異構融合化。以LTE為代表的多制式蜂窩網和以WLAN為代表的寬帶無線接入網將會持續共存并相互融合與補充，未來多頻、多模、多標準的異構組網給無線資源管理帶來了挑戰。如何通過高頻段使異構網絡并存、互補，并逐步實現融合轉化，有待進一步研究。

（4）射頻技術方面

高穩定低相噪鎖相頻率綜合器、寬帶電調振蕩器、低噪聲放大器、高線性功放、高性能濾波器、低插損高隔離射頻開關、低損耗高隔離雙工器、多天線和多通道射頻收發技術以及適合高頻段的電磁兼容技術，射頻功能器件的集成和模塊化技術等都將給產業帶來挑戰。

6 結束語

從未來頻譜需求預測出發，指出高頻段必將是未來5G通信的重要組成部分，分析全球高頻段寬帶通信的發展狀況，基于高頻段特性分析所面臨的挑戰，為未來發展提供思考。為推進國內高頻段無線通信的發展，需要管理部門、標準化組織、運營企業、設備制造企業、高校、研究機構共同努力，從而在5G發展中占得先機。

1 Global Mobile Suppliers Association.GSA Confirms over 250 LTE Networks Now Launched,Dec 2013

2 ITU-R Study Group 5 Circular Letter 5/LCCE/24.Regional Workshops on IMT for the Next Decade,Jan 2011

3 Osseiran A,Braun V,Hidekazu T,et al.The Foundation of the Mobile and Wireless Communications System for 2020 and Beyond Challenges,Enablers and Technology Solutions.VTC Spring 2013,Jun 2013

4 苗圩出席IMT-2020(5G)推進組第一次會議.http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11294447/n13941444/153 65212.html,2013

5 大唐無線移動創新中心.演進、融合與創新.5G白皮書,2013

6 中華人民共和國無線電頻率劃分規定,2014

7 Rappaport T S.Millimeter Wave Cellular a Road to 5G,2013

8 ITU-R Study Group 5.Future Spectrum Requirements Estimate for Terrestrial IMT,2013

9 ITU-R WP 5A.Reply Liaison Statement on Spectrum Requirements forTerrestrialMobileBroadband(ExcludingIMT)Related to WRC-15 Agenda Item 1.1,2013

10 FCC.Code of Federal Regulation,2014

11 ETSI DTR/ERM-RM-049.Electromagnetic Compatibility and Radio Spectrum Matters(ERM);System Reference Document;Technical Characteristics of Multiple Gigabit Wireless Systems in the 60 GHz Range,Mar 2006

12 Samimi M,Wang K,Azar Y,et al.28 GHz angle of arrival and angle of departure analysis for outdoor cellular communications using steerable beam antennas in New York city.Proceedings of the 2013 IEEE Vehicular Technology Conference(VTC),Dresden,Germany,Jun 2013

13 Nakamura T,Nagata S,Benjebbour A,et al.Trends in small cell enhancements in LTE-Advanced.Communications Magazine,IEEE,2013,51(2):98～105

14 Huang K C.Millimeter Wave Communication Systems.Wiley,2011

15 Marcus M,Pattan B.Millimeter wave propagation:spectrum management implications.IEEE Microwave Magazine,2005,6(2):54～62