5G毫米波技術研究

邵 娜，袁周陽

（1.中國聯合網絡通信有限公司河南省分公司，河南 鄭州 450000；2.中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

毫米波是波長從1～10 mm、頻率從30～300 GHz的電磁波，具有極寬的帶寬、安全保密好以及傳輸質量高等優點。目前，業界統一把6～100 GHz之間的頻段作為毫米波研究的頻段[1]，因為該頻段空閑頻譜資源高達45 GHz，可傳輸達10 Gb/s甚至更高的用戶數據速率業務，能有效滿足未來5G對更高容量和速率的需求。因此，簡述毫米波通信技術的傳播特性和天線技術，對候選的毫米波頻段28 GHz和60 GHz在室內場景下進行仿真分析，以期為未來大范圍的推廣毫米波在5G網絡中的應用提供參考。

1 毫米波技術概述

1.1 毫米波技術傳播特性

毫米波通信是指把毫米波作為載體進行信息傳輸的通信方式，具有以下3種典型的傳播特性。

1.1.1 是一種典型的視距傳輸方式

由于毫米波頻段甚高，因此在空間中幾乎以直線的方式傳播，方向性特別好。一方面，因為毫米波在空間傳播中受大氣和降雨影響嚴重，主要體現在大氣吸收和降雨衰落方面，所以作為單一通信距離較短；另一方面，由于毫米波頻段高，空間中的干擾源特別少，安全保密性好，所以傳播穩定可靠。因此，毫米波通信是一種典型的具有高可靠和高質量的無線通信技術。

1.1.2 具有“大氣窗口”和“衰減峰”

“大氣窗口”是指毫米波傳播時在一些特殊頻段附近受到的衰減較小，如35 GHz、45 GHz以及94 GHz等高頻頻段。一般情況下，這些頻段適用于點對點通信，如地基雷達通信等。而在一些特殊頻段附近受到的衰減達到了極大值，如60 GHz、120 GHz、180 GHz頻段，衰減高達15 dB/km以上，被稱作“衰減峰”。為了滿足網絡安全性的要求，通常多路并進的隱蔽網絡和系統優先選用“衰減峰”頻段組建網絡。

1.1.3 降雨時衰減嚴重

毫米波頻段高、波束窄，在空間中幾乎是直線傳播，但遇到惡劣的氣候條件，特別是降雨天氣下衰減非常大，將嚴重影響傳播效果。經過大量研究可知，毫米波信號在降雨時衰減的大小與降雨的密集程度、毫米波傳播的距離長短[2]以及雨滴形狀密切相關[2]。通過進一步實驗驗證得出，通常情況下降雨的密集度越強，毫米波傳播的距離越遠，雨滴越大，所引起的毫米波信號的衰減也就越嚴重。因此，在進行毫米波通信系統設計時，要留出冗余的電平以降低毫米波在降雨衰減中的信號衰減，從而保證毫米波信號傳播的有效性。

綜上所述，由于毫米波在空氣中傳播時衰減非常大，所以不適合在室外基站部署使用。目前，室外5G基站規劃時主要使用的是6 GHz以下頻段部署，以保證信號的覆蓋，而室內則使用微基站及毫米波技術實現超高速數據傳輸。

1.2 毫米波通信關鍵技術

根據天線理論，天線尺寸和波長呈正比關系。天線的尺寸越小，波長越小。毫米波的頻率高，波長短，因而可以降低天線尺寸而滿足應用要求。除此之外，毫米波天線具有高增益和小波束角兩個特性[3]。目前，常用毫米波天線是喇叭天線，天線增益計算公式如下：

式中，η為天線直徑系數，D為天線尺寸大小，A為天線面積，c為光速，λ為毫米波波長，f為毫米波頻率。

天線的波束角分為水平波束角和垂直波束角。水平波束角是水平方向上，最大輻射方向兩側功率下降3 dB的兩個方向的夾角；同理，垂直波束角也是如此。因此，功率下降到3 dB的位置對應的天線夾角叫做天線的標準波束角，是衡量天線波束角的重要參數。計算喇叭天線標準波束角的公式為：

由式（1）和式（2）可以看出，毫米波天線增益與頻率的平方成正比，與光速的平方成反比，天線波束角與頻率和天線尺寸成反比。通常情況下，η取0.5～0.8。假設基站天線參數取8發射天線[4]，那么A=0.45 m2，而η=0.5，D=0.5 m；終端天線參數取4天線為例，則η=0.6，D=6 cm=0.06 m，A=36 cm2=0.003 6 m2。根據式（1）和式（2）可求出，不同頻率下的基站天線與終端天線增益與波束角如表1所示。

表1 不同頻率下的基站天線與終端天線增益與波束角

根據微波理論，天線增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比。增益大小與天線發射的波束寬度（波束角）有關系。一般的天線增益越大，波束角越小，分辯率越高。由表1可以得出，以基站天線為例，毫米波（28 GHz）天線增益為35.2 dB時，對應的波束角為1.4°，而TD-LTE（2.35 GHz）天線增益為23.2 dB時，對應的波束角為17.9°。兩者在天線增益和波束角上相差甚大，尤其是波束角方面，毫米波（28 GHz）對應的波束角為1.4°，幾乎可以直線傳播。可見，毫米波的窄波束角和高增益優勢所表現出來的高分辨率和抗干擾特性，必定會在5G網絡建設中發揮重要作用。

2 場景應用仿真分析

小型封閉辦公室和會議室的場景將是后續毫米波應用的主要場景。不同于其他場景有較大的測量距離，這種小型的辦公室和會議室內由于面積較小，通常測量范圍在5～10 m。同時，因為這種場景除玻璃和木頭外，幾乎沒有墻體或者建筑物的遮擋，所以有較高視距概率，28 GHz和60 GHz頻段的無視距場景主要是通過金屬板的遮擋來產生直射路線被遮擋的效果。本次室內仿真分析采用InH-Mixed Office[5]（室內混合辦公室模型）模型，采用的頻段為2.6 GHz（低頻）、28 GHz和60 GHz（高頻）共3種頻段。圖1為3種頻段在室內場景下的路徑損耗。

圖1 2.6 GHz、28 GHz 和 60 GHz辦公室場景下路徑損耗

從圖1可以看出，在傳播場景和距離相同的情況下，2.6 GHz（低頻）路徑損耗要比28 GHz和 60 GHz（高頻）毫米波頻段小得多，覆蓋能力也強于毫米波頻段。這也進一步顯示了毫米波傳播損耗大、覆蓋距離小、信號穿墻能力弱以及易受無線環境影響的缺點。由于毫米波極短的波長、較高的頻率，造成信號的傳播距離受限制、穿透能力也較差，從而引發信號覆蓋的盲區和弱區，但較差的穿透力恰好可以避免通信信號之間的相互干擾，特別是隔板及遮擋物密集的室內場景，更能降低通信之間的相互干擾，從而保證通信質量的可靠性。此外，毫米波的高帶寬和高速率優勢，對于人員密集和在線視頻業務要求高的室內場景也有更好的使用價值。

采用Massvie MIMO和波束賦形技術時，補償毫米波在傳播中的衰減損耗通過控制多天線單元傳輸的相位、幅度等調整，并調用動態波束追蹤算法[6]和移動性相關管理策略克服毫米波間歇性中斷的劣勢，將無線電波集中在更窄的波束上，使信號能量更集中，以進一步提升基站覆蓋范圍，使毫米波在室內開闊場景和室外場景都可以廣泛應用。

3 結 論

隨著5G牌照的發放，加快了5G商用的步伐。伴隨著毫米波新空口系統技術、Massvie MIMO技術和波束賦形技術的發展，毫米波通信傳播損耗及穿透損耗較大、無法遠距離傳輸的問題將會被解決，為未來在5G中的應用打下堅實的基礎。因此，在后續的毫米波研究工作中，將重點關注下毫米波傳播損耗與地物關系，并把仿真分析擴大到室外場景，從而研究出一套適應于5G應用場景的毫米波技術。