5G毫米波規劃及應用增強技術研究

于一鳴，高松濤，馬向辰，曹陽陽，潘都

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

0 引言

我國工業和信息化部（簡稱“工信部”）近日下發的《“十四五”信息通信行業發展規劃》中明確指出在“十四五”期間全面推進5G 網絡建設，適時開展5G 毫米波網絡建設[1]。5G 毫米波通信以其豐富的頻譜資源、低時延等優勢將成為建設新一代通信網絡基礎設施的重要方式之一。毫米波一般指頻率從30 GHz 到300 GHz 的電磁波，因頻段較高而導致的高傳播路徑損耗成為了國內運營商毫米波頻段部署的一大挑戰。如何最大限度地在保持毫米波通信的優勢下擴大毫米波覆蓋范圍成為了現在的主要研究方向。

目前業內增強高頻通信覆蓋范圍的主要技術有：

（1）參考文獻[2] 中提出利用RIS（Reconfigurable Intelligent Surfaces，智能超表面）技術，通過重構無線信道并對信號進行動態按需調控等方式解決毫米波通信的非視距傳輸問題，實現覆蓋性能增強。

（2）參考文獻[3] 中提出一種基于深度學習的D2D（Device-to-Device，端到端）毫米波通信中繼方式，通過深度學習方法實現毫米波D2D 中繼最優路徑選擇，實現毫米波通信速率和吞吐量層面的增強。

本文將從分析毫米波頻段特性出發，針對高頻網絡規劃所面臨的傳播損耗高、覆蓋盲區大等受限的劣勢，簡述并分析目前研究較為火熱的智能超表面與中繼通信兩種毫米波覆蓋增強技術，為國內運營商應對毫米波通信的未來規劃提供可參考建議。

1 毫米波頻段特性與覆蓋挑戰

3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）在Release 15 時期就定義了24 250 MHz 至52 600 MHz的毫米波通頻段范圍和例如幀結構、子載波間隔、時隙長度等主要性能參數。但目前傳統移動通信網絡并未大規模采用毫米波頻段，主要原因在于毫米波頻段因其頻段較高而導致的傳播路徑損耗嚴重和信號穿透能力弱兩個問題。

（1）毫米波傳播損耗高

以毫米波頻段為例的高頻信號最明顯的弊端就是在空間中傳播損耗大，并且極容易受到大氣中雨衰、氧衰的影響，導致毫米波信號的傳輸功率與距離受到限制[4]。根據自由空間路徑理論損耗計算公式計算，26 GHz 毫米波頻段在相同的傳播距離下比2.6 GHz 的傳播損耗值要高20 dB，具體各頻段損耗差值如表1 所示。為解決毫米波信號傳播衰減嚴重的問題，通過部署大型陣列天線來獲取陣列增益[5]，借助毫米波信號波長短、天線尺寸小的特點，實現毫米波信號在小范圍內部署天線陣列的局面，近年來毫米波天線器件已日臻成熟，初步具備大規模應用能力[6]。

表1 各頻段自由空間損耗對比

（2）毫米波穿透能力差

毫米波信號波長較短，繞射、散射能力較差，信號易被障礙物遮擋[7]。依照3GPP 38.901 協議中定義的穿透損耗計算方法，在穿透城市場景中常見的混凝土、玻璃、木材等材質時，26 GHz 穿透損耗要比2.6 GHz 高7.2～110 dB，穿透混凝土材質時的穿透損耗達到109 dB，基本無法穿透混凝土墻。具體各材質穿透損耗對比值如表2 所示。同時，毫米波信號在遇到降雨、云霧、沙塵等天氣因素影響時，信號質量會受到嚴重影響甚至會導致通信中斷。文獻[8]中便介紹了不同專家學者對毫米波通信系統受不同天氣的影響研究，并提出了在沙塵天氣下毫米波通信的性能優化方法。

表2 26 GHz與2.6 GHz穿透損耗對比

從以上計算結果可知，毫米波極高的傳播損耗與極弱的穿透能力與目前已有的中低頻段通信有這較大不同，將極大地限制運營商城區范圍內的高頻通信部署規劃。這些特點使得毫米波通信在類似O2I（Outside-to-Inside，室外到室內場景）的非視距場景下具有類似于開關功能的特性，會出現信號暫?；蜿P斷的現象，用簡單的增加發射功率或增加發射天線陣子數并不能完全解決此類場景的覆蓋瓶頸，需要借助更多技術方法通過改變傳播環境來減小路徑損耗，智能超表面技術與信號中繼技術作為其中關鍵技術，可為運營商改善高頻通信覆蓋能力提供有力支撐。以上兩種技術部署示例如圖1～圖5 所示：

圖1 城市熱點區域應用

圖2 室內用戶高頻覆蓋

圖3 熱點區域產生多徑

圖4 城市部署減少鄰區干擾

圖5 保障用戶通信安全

2 毫米波增強技術概述

2.1 智能超表面技術

RIS 是一種依托于超材料發展的新型無線網絡通信技術，因能夠通過改變信道電磁特性進而改善高頻信號覆蓋盲區問題，成為5G-Adv 和6G 網絡的關鍵候選技術之一[9]。RIS 由不同可編程的電磁單元排列組成，在實際網絡過程中通過給電磁單元的差異化指示去動態調整電磁單元的電磁性質，實現以可編程的方式對電磁波傳播方式進行主動智能調控。RIS 技術可在解決非視距傳輸問題、高頻段信號覆蓋增強、促進綠色通信等方面提供技術支撐，可作為關鍵技術使能5G 增強。RIS 增強技術主要體現在以下幾方面：

（1）部署后可改變接收信號信道特性，增強通信能力

毫米波通信受限于極高的傳播損耗使得傳播覆蓋范圍受限。為增強毫米波的潛在覆蓋能力，完善運營商5G高中低頻跨頻段區域聯合組網模式，可引入智能超表面增強技術。RIS 將實現無線信道的重新構造，突破傳統無線網絡因傳播特性而導致的限制。通過RIS 控制電磁波的主要傳播路徑，可在建筑物或障礙物外表面部署，大幅度改變電磁波的傳播大尺度衰落參數，并基站與用戶之間創建一個通信質量較高的輔助性反射鏈路。當毫米波在城區部署時，可適當使用RIS 進行毫米波傳播散射調控，使得部分原先因穿透墻體而損失的信號能量重新定向到更遠位置，實現覆蓋區域增強。同時，RIS 部署進行自適應動態調控，通過對接收信號多徑效應、角度擴展、極化方式等小尺度參數控制，盡可能降低信道深度衰落的概率，從而實現改變信道環境并增強覆蓋范圍的目標。

目前，相關的研究成果主要關注高頻信號信噪比、信息傳輸速率損失等系統性能參數，實際應用于網絡規劃設計的研究還較少。例如，參考文獻[10] 對RIS 的反射波束成型進行設計，由現有mMIMO（massive Multiple Input Multiple Output，大規模多輸入多輸出）技術啟發，開展RIS 反射波束成型技術進行設計，給出了在傳統蜂窩網中最大化系統容量的優化方案；參考文獻[11] 在以上研究的基礎上，拓展到太赫茲頻段通信的mMIMO 場景；參考文獻[12] 研究了利用RIS 技術對仿真小區隨機撒點用戶之間的終端協作可能性。

（2）超表面融合人工智能實現全場景智能化規劃，完善信道可控性能與增強覆蓋范圍

現有通信生活中將產生大量通信環境感知數據，這些數據將對構建一個完整業務導向型的傳播環境起到至關重要的作用。RIS 在5G 發展時期引入大數據及人工智能技術，結合現有大尺度衰落及多徑效應接收的數據對周遭環境參數進行分析，進而完成無線信道動態適應傳播環境這一終極目標的探索。

（3）超表面輔助無線網海量終端連接，助力“萬物互聯”美好愿景

如圖6 所示，在實際無線網絡應用場景中存在大量的機器類通信終端，這些通信設備受到自身電量或天線數量的限制，難以支撐長時間高功率的傳輸，會對整體無線網絡性能造成損害。在系統內可利用RIS 在輔助通信中改變物理信道結構且頻譜效率降低較小的特點，在保障通信質量的同時補償無線傳輸功率損失，并為無線網未來架構演進提供終端方案支持。

圖6 RIS技術在無線通信網絡中應用

目前針對于RIS 在提升機器類終端互相協調方面的研究較少，主要成果還是圍繞在如何通過設計RIS反射波束成型方案在滿足通信需求的同時實現低損耗無線能量傳輸。參考文獻[13] 驗證了利用RIS 實現SWIPT（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，信號傳輸與功率傳遞）的可能性，并給出了最大化傳輸功率的解決方案。

（4）超表面提升高頻信道物理層通信安全性能，實現信號傳播相互有效隔離

無線通信系統的安全主要體現在無線信道所具有的內生安全屬性，而RIS 技術對無線信道從物理層面的實時可控性也成為了對提升無線信道安全屬性的有力工具之一。通過RIS 對無線物理信道的實時控制，能夠有效提升無線信道的多樣性；而RIS 對無線通信環境的針對性調整也有助于無線通信的時變性，進而提升每種無線通信場景下的通信多樣性。

具體實施層面，無線通信安全性受到影響主要是由于竊聽方的鏈路距離小于到合法用戶的鏈路距離，從而影響整個鏈路系統的收發安全速率。目前已有的研究成果主要以系統安全傳輸速率、安全終端概率等安全性能作為標準，并著重在無線網絡安全傳輸速率以及系統通信安全性評估兩方面進行研究。參考文獻[14] 通過對信號發送方的業務波束徑和RIS 發射徑進行聯合優化，在保證小區業務最低速率需求的條件下，最小化基站發射功率以降低系統安全性挑戰風險。

目前，RIS 增強技術研究與實現尚屬起步階段，涉及到的技術問題較多，本文挑選并羅列以下幾種較為緊迫的RIS 應用挑戰，并提出可能的解決方案。

1）無線傳播信道特性的影響：RIS 引入將使得信號自然傳播環境變成人為可控的電磁傳播環境，從而引入信道特性的變化與顯著的近場空間非平穩特性變化。針對此類問題，可以先通過分析跨頻段的信號相似性特征，描述中低頻段信道與高頻信號在相同場景下的信道表現，并將部署RIS 的信號傳播環境特性逐步疊加在每個頻段的信道參數中。目前，已有高校科研機構結合目前中低頻段信號傳播特性進行分析，并合理推測更高位置頻段的信道特性。東南大學的王海明教授團隊通過分析收集到的三種典型場景的高中低頻信道數據，發現不同頻段的PDP（Power Delay Profile,功率時延曲線）具有相似的變化特征，并提出了一種依據SIM（Similarity Index Measure，相似性參數評估）的跨頻段相似性描述方法[15]。

2）多網絡共存與干擾問題：引入RIS 對高頻信號信道進行調控的同時，會對場景內已有的其余頻率產生干擾信號。RIS 對信號進行動態異常調控，使得該路徑與其他信號的路徑產生交疊。應對這種情況，主要技術思想是優化傳統頻譜共享接入機制，同時盡可能降低RIS 傳播鏈路上的感知門限，或增加經RIS 處理后高頻信號的波束優化條件，限制高頻信號的傳播環境優化范圍，降低交疊干擾。

2.2 中繼通信技術

與其他類似技術相比，RIS 雖然可以低實現成本且無源低功耗地改善無線信道，但其并不能作為任意場景下的最佳解決方案。尤其是和無線中繼通信技術相比，近年來的研究發現，兩者之間互有優劣。在無線網絡中，RIS 主要用于改善發射機與接收機之間的無線信道，與傳統的無線中繼類似，甚至可以看作是一種特殊的全雙工無源中繼[16]。研究人員從不同方面對RIS 與有源無線中繼，主要是DF（Decode-Forward，譯碼轉發）中繼進行了詳細的比較[17-18]。在發射功率、可達速率和能量效率等方面，RIS 在用戶速率要求較高或反射元件數量較大（至少數百個）時才優于DF 中繼[17-18]。Chatzigeorgiou[19]在5G 規范下對上述結果進行了驗證和補充，并表明在未來無線網絡中，RIS 和無線中繼可互補彼此的優勢，其中DF 中繼適用于擴展BS（Base Station，基站）的覆蓋范圍，而RIS 可用于改善接收信號的質量或降低BS 覆蓋范圍內的發射功率要求。由此可見，無線中繼通信技術在某些領域、場景下的表現要優于RIS。

具體到毫米波增強這一場景，為解決毫米波信號在傳輸過程中因損耗過高或穿透性差等問題而導致的通信阻塞情況，部分研究機構與學者采用中繼通信的方法轉發高頻信息，提升網絡覆蓋性能。相比較于原先針對存在覆蓋盲區現象時常采用的補充建站方法，中繼通信方法不僅節省了設計成本與建站成本，更具有技術延展性，可逐步擴展諸如D2D、星地通信等未來業務。

目前在針對高頻協作中繼技術的研究內容主要聚焦于兩方面，即優化目前的中繼選擇以及預測網絡鏈路中的最優中繼方式。首先，文獻[16]、[20] 提出采用IEEE 802.11ad 中的快速頻率切換技術將高頻信號轉換到中低頻上，既解決了高頻通信的通信阻塞問題，又擴展了高頻的覆蓋范圍。文獻[21] 提出并分析了毫米波通信網絡引入中繼技術之后仿真的覆蓋性能提升，驗證了中繼輔助毫米波通信的優勢。但以上方法是基于在多頻協同網絡中在已有的中繼方式的基礎上進行優化，還未涉及到在網絡規劃時對潛在中繼技術的增強。文獻[22] 提出在高頻網絡中可以通過計算三端（發射端、中繼端、接收端）互相物理距離的方法，來選擇最佳中繼的方法。

結合目前研究進展來看，非視距場景可由中繼通信手段作輔助進行覆蓋范圍擴充?，F有研究工作并未區分實際環境中的視距場景與非視距場景，這就會導致中繼方法在非視距場景下應用魯棒性不強，從而可能導致無法達到仿真時的優化最佳效果。建議下一階段的研究重點應考慮利用人工智能方法分析現有站點相似場景下的視距/ 非視距傳播鏈路比例，進而在中繼方法研究中將相應權重疊加在中繼站點選擇算法中。

3 毫米波增強技術部署建議

結合現有技術與毫米波本身特性來看，毫米波部署應盡量避開傳播路徑中障礙物較多的場景，應多以視距場景為主。并且對于重點高容量場景應盡量滿足低頻負責覆蓋，毫米波負責容量補充的組網方式。

（1）5G 高低頻混合品牌類場景

未來移動通信將會呈現從核心區域到鄉村的分層區域覆蓋的規律，在5G 毫米波試驗部署的前中期需要與已經部署的中低頻組網相結合，致力于提升重點區域品牌價值，滿足突發高容量場景的抖動化需求。在諸如體育場館、火車站、商業廣場等品牌類場景中部署增強技術，需要考慮到此類場景障礙物密集，業務分部相對稀疏，應預先在此類場景內對無線信道的障礙物遮擋、傳播路徑損耗等大尺度特性進行調研，構建建筑物與大尺度衰落特性的模型對，在遮擋嚴重的區域精確部署RIS 或中繼單元，對高頻場景進行人為把控，并結合已部署的中低頻信號進行功率優化，避免傳播路徑交疊現象。同時，可以在規劃初期的覆蓋仿真中，著重關注小區邊緣的信號強度情況，有針對性地采用增強技術。

（2）室外廣覆蓋場景

由于毫米波波長短，天線陣列可容納更多天線陣子，使得天線陣列發射波束能量更加集中與可控。諸如IAB（Integrated Access Backhaul，接入回傳一體化）等需高頻信號為回傳信號的場景，首先需要更大規模的天線陣列提高高頻信號發射波束賦形增益，并增加RIS 的天線孔徑來提高接受信號強度，克服傳播路徑損耗。

（3）行業專網場景

工業互聯網中，移動視頻監控、工業視覺、AGV、工業機器人遠程控制等業務對帶寬與時延要求極高，目前中低頻網絡無法滿足以上需求，需要5G 毫米波進行協調補充，實現工業互聯網的智能化。將RIS 與AI 技術相結合，可以為目標覆蓋場景提供智能化、高速率的解決方案，并構建基于高度的分層部署方案，在本地靈活調整實施節奏。

（4）高速移動性場景

相比較于城市宏站與室內微站的通信場景，高速移動性場景具有多普勒頻移嚴重、公網覆蓋范圍不足、容量需求高等挑戰，需要充分利用更多頻段滿足速率與容量需求。傳統高鐵無線通信系統主要是依靠收發端算法優化或基站上車的方式來解決以上挑戰，這些傳統方法復雜度高且所需成本較高。引入RIS、中繼通信等增強技術之后，可在高鐵線路沿線周邊部署RIS 表面來增強公網覆蓋范圍，逐步改變多頻段的傳播環境，為進一步提升系統性能與降低部署成本提供可能。

4 結束語

近年來，毫米波通信作為一種補充中低頻段資源的通信手段，因其具備各種能夠滿足未來通信網絡需求的優點而備受關注。為了能夠克服高頻信號的較高損耗導致的覆蓋范圍受限問題，眾多研究學者與機構都結合國外毫米波已有部署現狀提出各自的看法。本文重點介紹了毫米波規劃可能采用的兩種增強技術，對國內外已有的技術方法進行梳理，并針對可能應用的場景提出部署方法，可供相關領域人員參考。