基于5G 的毫米波技術應用探究

俞利光，陳高強，林曉君

（三維通信股份有限公司，杭州 310000）

0 引言

以前，毫米波通信，軍事戰場通信（以60 GHz 應用為例）和更廣泛使用的商業WiFi 傳輸有幾種實際應用。到目前為止，最新版本是802.11ad WiGig 標準，該標準使用大約2 GHz 的60 GHz 頻帶。帶寬資源可以提供高達6.75b/s 的吞吐量，未來的新版本是802.11ay 和20Gb/s 的吞吐量。在頻譜資源日趨緊張的情況下，毫米波頻譜由于其巨大的帶寬以及其波長較短更容易布置massive MIMO 天線陣列的優勢成為了第五代移動通信技術的重點；但是，在5G 中，網絡拓撲更加復雜，傳輸設備的要求也更高，這使得毫米波的使用更具挑戰性。天線技術和RF 收發器電路是成功實現5G 毫米波應用的關鍵技術。

1 毫米波通信技術

毫米波具有較小的光束，高角度分辨率，良好的隱蔽性和強的抗干擾性。毫米波通信設備具有天線表面小巧，輕巧和緊湊的特點。

影響毫米波在大氣中傳播的主要成分是氧氣和水蒸氣。氧是直徑為0.3 nm 的磁極化分子，水蒸氣的水分子是直徑為0.4 nm的淀粉分子，直徑相似的極性分子與毫米波相互作用以產生電磁能的共振吸收。因此，由于雨，雪，霧，云等與水蒸氣有關的大氣吸收系數的影響以及與塵埃和煙霧等懸浮物相關的大氣散射系數的影響，信號會因吸收和散射而降低，這受電介質極的影響。這種變化會影響傳播路徑，最后毫米波傳輸會進入衰減陷阱。實驗表明，在整個毫米波波段，大氣衰減主要由氧分子引起的60 GHz 和119 GHz 吸收線和由水蒸氣引起的183 GHz 吸收線組成。除特殊用途外，應避免這三個衰減窗口。

關于相對衰減窗口，毫米波通信具有四個透明窗口，它們對大氣傳輸的衰減相對較小，中心頻率分別為35、94、140和220 GHz，相應波長為86。對應于32、21和14 mm 的大氣透明窗口的可用帶寬分別為16、23、26和70 GHz，其中可用帶寬幾乎可以容納任何低頻帶，包括微波頻帶。您可以看到毫米波段中的可用頻帶有多寬。添加空間劃分，時分，正交極化或其他復用技術可以輕松解決將5G 中的所有內容互連的多址訪問問題。更重要的是，額外的帶寬幾乎是免費使用的5G 系統中的毫米波通信技術，不僅可以實現出色的通信容量，還可以降低運營商和通信用戶的使用成本。

2 基于5G 的毫米波技術的應用分析

在5G 應用中，所有基站和用戶設備（包括移動電話）都將采用多天線結構，因為在傳播過程中，毫米波比微波具有更多的自由空間。由于地形和地形截止造成的傳播損耗，大氣吸收和降雨衰減以及傳播損耗需要較高的天線增益來克服或補償，但是較短的毫米波波長使天線更容易“電小”有助于縮小尺寸的特性。例如，對于陣列天線，諧振陣列元件的尺寸是一半波長（λ/2），并且天線陣列元件之間的距離（d）也是一半波長（λ/2）以避免光柵波瓣。與以波頻率的微波頻率工作相比，可以在更小的空間中安裝更多的陣列元件。在圖1中，綜合數據可以看到，隨著工作頻率的增加，二維天線的尺寸顯著減小。對于諸如手機等尺寸受限的用戶設備，這提供了多天線操作的可能性。對于大型區域基站，可以形成大型天線陣列，并且可以使用許多三維空間來實現空分多址（接入）。多光束彰顯了毫米波應用的巨大潛力。

圖1 基站用陣列天線與用戶設備陣列天線在不同工作頻率下的比較

毫米波通信技術的許多功能非常符合人們對5G 移動通信系統的看法。毫米波帶的底部與厘米波相鄰，高端連接到紅外線，具有厘米波的全天候應用和紅外線的高分辨率特性。毫米波通信的最顯著優勢是其短波長和頻帶寬度，這是支持高性能超寬帶通信系統的小型統一通信設備的技術基礎。毫米波可以達到LTE帶寬的數千倍，從而確保5G 系統中的超快速連接。毫米波通信設備體積小，重量輕，便于小型化，集成化和模塊化設計，天線不僅可以實現高方向性和天線增益，而且特別適合于移動終端的設計理念。毫米波光通信的線性傳播特性非常適合室內外移動通信，室外可以實現較高的穩定性，室內可以避免室內空間的干擾。

3 結束語

由于5G 系統中毫米波通信的可見距離傳輸特性以及高流量和高接入速度的基站的密集分布，因此只有城市光纜部署，土地征用和建設的實際困難才最適合5G 網絡。大型基站和小型基站都是模式，大型基站和小型基站的組合模式可以改變現有的移動接入網，使得接入網的網絡節點更加靈活，便捷，連接多樣。盡管來自5G 系統的信號和數據是通過低載波頻率和高載波頻率分別傳輸的，優點是顯而易見的。它將使物聯網和車輛互聯網中的人和人的通信變得更加容易和便捷，并且將在未來革命性地改變移動互聯網的發展。