面向5G的毫米波技術(shù)應(yīng)用分析

張 博

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局通信發(fā)明審查部，北京 100088）

1 毫米波通信技術(shù)

毫米波傳播過程中主要是因?yàn)榇髿庵械难鯕夂退魵庥绊懚环€(wěn)定，與毫米波作用后會(huì)產(chǎn)生對電磁能量的寫真吸收。這樣就造成毫米波在雨、雪、霧、云等天氣傳播時(shí)，會(huì)被大氣吸收部分，同時(shí)再加上煙霧、塵埃等懸浮物大氣散射因素影響下，傳播信號(hào)強(qiáng)度降低，傳播效果進(jìn)一步衰減。通過專業(yè)試驗(yàn)可知，整個(gè)毫米波頻段中，60GHz與119GHz為造成大氣衰減的主要氧氣分子的吸收譜線，以及183GHz水蒸氣吸收譜線，在將毫米波技術(shù)應(yīng)用到5G網(wǎng)絡(luò)中必須要避開上述3個(gè)衰減部分[1]。

另外，毫米波傳播效果還受環(huán)境溫濕度影響，設(shè)定地面溫度為15℃、濕度為11，通過公式測量毫米波衰減過程，可確定隨著頻率的增大而逐漸增大。就毫米波技術(shù)來講，其具有較大的抗干擾能力，并且傳播速度快，將其應(yīng)到5G網(wǎng)絡(luò)中，為充分發(fā)揮其所具有的優(yōu)勢，關(guān)鍵就是要解決過程衰減問題，在為用戶提供更大通信通量的同時(shí)，降低運(yùn)營商以及用戶兩者的使用成本。

2 5G網(wǎng)絡(luò)毫米波技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 毫米波網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)成為一個(gè)覆蓋范圍更廣、熱點(diǎn)容量大、數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)低、終端設(shè)備功率低以及連接數(shù)量多的移動(dòng)通信系統(tǒng)，與現(xiàn)行的4G網(wǎng)絡(luò)相比優(yōu)勢更為明顯。其中，連續(xù)廣域覆蓋的實(shí)現(xiàn)，打破了移動(dòng)通信受限于小區(qū)的情況，可以實(shí)現(xiàn)多種接入模式的融合共存，通過智能調(diào)度便可以在廣域覆蓋條件為用戶提供10Mbit/s的高傳輸速率。同時(shí)，熱點(diǎn)區(qū)高容量即針對車站、集會(huì)等人口大密度、流量高密度的特殊區(qū)域，5G網(wǎng)絡(luò)完全可以提供10Gbit/s的動(dòng)態(tài)資源調(diào)度。另外，相比4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)可適用于的行業(yè)更多，終端設(shè)備低功耗與大連接能夠有效的反映出其自身低功耗、低成本的優(yōu)勢。

在就5G網(wǎng)絡(luò)毫米波技術(shù)研究時(shí)，對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先要解決的問題就是“大寬帶、小覆蓋”問題，通過5G網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)一步提高覆蓋深度。并且，5G建設(shè)基礎(chǔ)階段需要保證所選地址的合理性，配置相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)備，整個(gè)過程維護(hù)與保養(yǎng)所需成本較多，并未應(yīng)用到實(shí)際中。由此5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以選擇LTE宏站與微站并舉模式，建設(shè)大基站簇?fù)肀姸嘈』镜幕救簡卧W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，大基站可以通過無線信道與終端、小基站進(jìn)行下連，并且通過有線信道與5G核心網(wǎng)上連以及其他大基站橫連。結(jié)構(gòu)中的小基站可以看作為一個(gè)五險(xiǎn)中繼獨(dú)立體，結(jié)合毫米波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基站天面小型化與集成化設(shè)計(jì)，在減低體積的同時(shí)，提高美觀度[2]。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更為靈活，能夠以熱點(diǎn)容量為依據(jù)，進(jìn)行靈活調(diào)整，即空閑時(shí)段降低甚至關(guān)閉發(fā)射功率，減少運(yùn)行成本，利用最少的能耗來達(dá)到最高傳播效果。

從通信角度來分析，信令與數(shù)據(jù)起到的作用不同，利用專門的通道能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)由一個(gè)終端向另一個(gè)終端的傳輸。信令則是需要在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行一系列的傳輸，甚是想要起到作用，還需要在傳輸過程中經(jīng)過處理。5G通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)以及信令均存在不同的傳輸通道，完成系統(tǒng)的建設(shè)后，LTE可實(shí)現(xiàn)不同信令的運(yùn)輸。尤其是可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)信令與數(shù)據(jù)分開傳輸?shù)哪Ｊ剑鉀QLTE信令占據(jù)大量資源的問題，使得數(shù)據(jù)傳輸速率更高，為用戶提供更高服務(wù)。

2.2 毫米波天線

天線增益高與小天線波束角為毫米波天線的兩個(gè)特點(diǎn)，可根據(jù)公式來計(jì)算增益：

式中，η表示孔徑系數(shù)；D表示尺寸；A表示面積；c表示光速；λ表示波長；f表示頻率。

同理可以按照公式來計(jì)算波束角：

由上述公式可知，毫米波增益和頻率平方為正比廣西，而波束角與頻率則成反比關(guān)系。一般情況下η取值0.5～0.8，選擇智能手機(jī)4天線為例，則η=0.6，D=6cm，A=36cm2=0.0036cm2，然后利用公式可計(jì)算得到增益和波束角。

表1 毫米波天線計(jì)算參數(shù)

對比可知兩種天線之間參數(shù)差異較大，以波束角為參考依據(jù)，可確定在5G網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用毫米波技術(shù)具有更大優(yōu)勢，必定會(huì)成為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

與4G網(wǎng)絡(luò)先比，5G網(wǎng)絡(luò)可以為用戶提供更佳的使用體驗(yàn)，如傳播速率高、移動(dòng)性強(qiáng)、時(shí)延性低、頻譜效率高等。對5G網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)程來講，毫米波技術(shù)在其中的應(yīng)用非常重要，但是想要充分發(fā)揮技術(shù)所具有的優(yōu)勢，必須要解決傳播范圍受限問題。