毫米波無線通信系統的技術研究

林達宜，賴幸君

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

隨著科學技術的迅速發展，通信技術尤其毫米波無線通信技術在產業的應用越來越廣泛，引起了更多的人關注。相比較于其他通信技術而言，毫米波無線通信技術有著顯著的特點和優點，其主要表現在巨大的帶寬、高速率傳輸以及便于集成等方面。本文對毫米波無線通信的概念、特點、環境以及優劣勢等方面展開較為全面的綜述分析，并結合毫米波無線通信系統中的阻塞及中繼技術進行研究，最后展望了產業應用，旨在為相關研究人員提供參考。

1 毫米波無線通信概述

1.1 毫米波的特點

參考現有的文獻資料，毫米波為電磁波，其頻率范圍約在30～300 GHz，并且有著1～10 mm范圍的波長長度[1]。可以看出，相對其他電磁波，毫米波有著巨大的帶寬，正是這一特點，毫米波甚至實現了Gpbs層次的通信效果，傳輸速率更迅捷。現在越來越多的電子產品朝著集成化的方向發展，利用毫米波信號波長短的特點，使得天線元件被集成到無線芯片成為了可能，同時，有利于發射裝置和接受裝置中的天線增益增大，彌補了電磁波傳播中的信道衰減和高噪音的缺陷。但是，毫米波也存在一些缺陷，其通信過程對于障礙物的敏感性較高，一般常見的障礙物的尺寸都接近或者高于毫米波波長，這樣就會導致毫米波傳輸過程容易受到障礙物的遮擋，造成通信鏈路一定的阻塞，甚至有可能造成傳輸中斷。

1.2 毫米波通信的特點

毫米波主要有以下特點[2]。

（1）較高的傳輸速率。毫米波通信過程其頻段的帶寬可能會達到270 GHz，這將是普通頻段的微波無法相比的。從香農定理了解到，頻段帶寬越大，所能夠容納的信息量就越大，進而可以實現較高的傳輸速率，這對于未來移動數據網絡產業化發展奠定了基礎。

（2）方向性好。在空間里，毫米波通信是以直射波的方式進行的一種視距傳播方式，表現出直線行進的特點，因此方向性好。

（3）探測能力強。毫米波通信在縱向探測和速度探測能力方面優于普通電磁波，可實現遠距離的捕捉和監測，已被應用在雷達、制導的航天領域和人體器官監測的醫學領域。

以上主要的毫米波通信特點可以幫助毫米波在汽車電子、醫學、航空航天等產業得到廣泛的應用，產生巨大的效應。

1.3 毫米波通信的環境

毫米波通信與環境條件有著密切的聯系，將從以下幾個方面分析影響毫米波通信的因素[3]。

（1）空間損耗。根據Friis傳播定律如式（1）所示，可以計算出空間損耗的大小，并且可以得到關鍵的影響因素。

式中， 為載波頻率；Gt為發射天線增益；c為3×108m；Pt為發射功率；R為發射接收段的距離；Gr為接收天線增益；Pr為接收功率。

在式（1）中，天線增益Gt和Gr理想條件下為1，那么對于接收功率Pr的影響因素只有頻率f，并與頻率f的平方成反比，f值越大，功率Pr越小。

（2）降雨損失。受天氣影響，尤其在下雨天氣，由于雨滴的尺寸與毫米波波長相近，導致毫米波信號傳輸存在散射，影響通信效果。

（3）滲透損失。毫米波與低頻段的電磁波相比較，波長短，因此對于材料的滲透損失較高，如干燥白墻的衰減為2.4 d B/c m，光滑玻璃的衰減為11.3 dB/cm，金屬網加固的玻璃衰減更是達到31.9 d B/cm，可以發現毫米波頻段的滲透損失普遍來說是較高的。

（4）大氣衰減。在大氣環境中存在水分子和氧氣分子等，毫米波頻段在大氣衰減要高于低頻段。但如果在室內傳播的話，不大會受到影響，保密性較好。

1.4 毫米波通信的優劣勢分析

1.4.1 毫米波通信優勢分析

（1）可靠性高。由于毫米波的頻率較寬，且較高的頻率受到自然條件的影響小，傳輸信號穩定，與激光傳輸相比較，可以說毫米波具有全天候特性。

（2）方向性好。它以直射波的方式在空間進行傳播，波束很窄，具有良好的方向性。一方面，由于毫米波受大氣吸收和降雨衰落影響嚴重，一般用于點對點的短距離通信；另一方面，由于頻段高，干擾源很少，所以傳播穩定可靠。

（3）易于小型化。因為毫米波波長短，發射天線和接收天線尺寸小，易于集成在小型芯片上。相比微波，毫米波通信系統更易于小型化。

1.4.2 毫米波通信劣勢分析

毫米波除了上述的優點外，最大的缺點是由于其波長短，導致穿過建筑物或者障礙物較難，同時容易被空氣中的水分子和氧氣分子吸收，影響通信效率。因此，當前對于5G網絡建設，常采用小基站的方式進行網絡優化。

2 毫米波無線通信系統阻塞及中繼技術.

2.1 毫米波通信中的阻塞

（1）阻塞的引起因素。由于毫米波波長較短，所以障礙物的衍射和穿透能力一般。當尺寸相近的障礙物出現在毫米波傳播鏈路中時，很大程度會造成通信傳輸中斷或者傳輸失敗，這一現象被稱為阻塞現象。在應用過程中，阻塞現象往往對毫米波在高速傳輸過程的效果造成影響。

（2）緩解阻塞的方式。為了緩解阻塞現象所造成的影響，目前常用的技術主要有兩種，一種是中繼方式，另一種回退方式。所謂的中繼方式是指，當障礙物出現在毫米波的鏈路中，選擇通過中間站的方式與目標進行通信，進而完成發射器與接收器的通信的過程。但是，由于毫米波通信具有良好的方向性，選擇通過中繼節點后，源節點必須通過中繼節點，并由中繼節點進行轉發信號，從而增加了傳輸時間，這與常規微波通過解碼方式有所不同。而退回方式是指，在遇到障礙物后會選擇轉變為微波狀態，等通過障礙物后，再次轉變為毫米波，這個轉換的過程將會有一定性能損失，常常不被采用，因而在下文中將重點討論中繼技術。

2.2 毫米波通信中的中繼技術

通過建立中間站點，對數據進行轉發傳輸，避開障礙物，使得信號適用范圍擴大，既能夠解決毫米波的衍射能力差的問題，又能保證鏈路的穩定。

2.2.1 中繼鏈路建立機制

在IEEE802.11 ad協議里，對中繼鏈路的建立進行了定義，具體框架如圖1所示。

圖1 中繼基本框架

根據圖1可以看出，當節點P需要傳輸到終端A時，當障礙物出現在鏈路中時，則會發送請求給節點P，這時節點P會利用已建立的中繼站點C進行信息轉送，從而完成通信，提高了可靠性。中繼鏈路的建立需要請求、發現選擇和初始化三個階段完成[4]。

（1）請求階段。發現鏈路中出現障礙物，終端會給源節點發送中繼選擇請求，源節點在收到請求后，會反饋到中繼選擇請求幀，當幀收到請求后，會向源節點和終端都展示可用的中繼節點信息，為下一步的選擇準備。

（2）發現選擇階段。當源節點和終端都了解到可用的中繼節點信息后，接下來需要進行波束對齊，實現兩者選擇相同的中繼節點，在此，源節點還需要對鏈路的信道質量進行檢測，如質量差的話，會重新選擇新的中繼節點。

（3）初始化的階段。當完成請求和選擇階段后，源節點和終端都與相同的中繼節點建立聯系后，接著開始對中繼鏈路進行初始化。所謂初始化，可以理解為信號演練，即源節點將信號發送到中繼節點后，由中繼節點再發送到終端，收信號的終端同時需要給中繼節點發送反饋，再通過中繼節點完成到源節點的過程，整個過程順利完成后，此時的中繼鏈路就完成建立。

2.2.2 兩種中繼操作

毫米波通信傳輸過程采用的中繼技術也被分為兩種工作模式，分別是鏈路切換工作模式與鏈路合作工作模式。所謂鏈路切換工作模式是指源節點和終端間的鏈路不是一成不變的，會通過內置算法選擇出最優的鏈路完成信號傳遞。而所謂鏈路合作工作模式是指對直連鏈路、中繼鏈路的信號進行了合并，使得它在接收鏈路的數量以及信號的質量上都得到了很大的提高。

3 毫米波無線通信的產業應用展望

3.1 毫米波助力5G產業發展

毫米波通信的技術特點將成為5G產業發展的重要支柱。在未來，高速率和大流量傳輸將成為人們日常的需求，繁華的步行街、廣場、車站等室外場景，以及辦公室、商場等室內場景，都會成為毫米波通信的應用場地。另外，固定無線寬帶業務也可以運用毫米波通信完成，滿足人們對于更高清電視的需求。在未來5年內，4G移動將成為過去式，5G移動將顛覆人們的生活領域，極大地方便人類社會活動。預計2030年，5G移動所創造的價值將達到6 000億美元，對全球GDP的貢獻率達0.6%[5]。

3.2 毫米波芯片將成為未來趨勢

毫米波芯片過去在軍工領域應用較多，但隨著科技的發展與人們生活方式的改變，未來毫米波芯片將更貼近人們生活，具體在VR、AR以及物聯網等領域得到廣泛應用。毫米波波長短使得元器件尺寸較小，有利于設備集成化和小型化，更加符合未來產品的需求，預計到2026年，5G毫米波前段模塊的產值將高達30億美元。

4 結束語

本文對毫米波無線通信技術開展研究，主要從毫米波相關概念入手，對毫米波通信過程進行了分析，總結出阻塞原因和解決方式，重點對中繼技術進行了論述，最后展望了毫米波通信產業的未來。■