面向5G的毫米波技術應用分析

張 博

（國家知識產權局專利局通信發明審查部，北京 100088）

1 毫米波通信技術

毫米波傳播過程中主要是因為大氣中的氧氣和水蒸氣影響而不穩定，與毫米波作用后會產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，會被大氣吸收部分，同時再加上煙霧、塵埃等懸浮物大氣散射因素影響下，傳播信號強度降低，傳播效果進一步衰減。通過專業試驗可知，整個毫米波頻段中，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，在將毫米波技術應用到5G網絡中必須要避開上述3個衰減部分[1]。

另外，毫米波傳播效果還受環境溫濕度影響，設定地面溫度為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。就毫米波技術來講，其具有較大的抗干擾能力，并且傳播速度快，將其應到5G網絡中，為充分發揮其所具有的優勢，關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，降低運營商以及用戶兩者的使用成本。

2 5G網絡毫米波技術應用要點

2.1 毫米波網絡架構

5G網絡將會成為一個覆蓋范圍更廣、熱點容量大、數據傳輸延時低、終端設備功率低以及連接數量多的移動通信系統，與現行的4G網絡相比優勢更為明顯。其中，連續廣域覆蓋的實現，打破了移動通信受限于小區的情況，可以實現多種接入模式的融合共存，通過智能調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，熱點區高容量即針對車站、集會等人口大密度、流量高密度的特殊區域，5G網絡完全可以提供10Gbit/s的動態資源調度。另外，相比4G網絡，5G網絡可適用于的行業更多，終端設備低功耗與大連接能夠有效的反映出其自身低功耗、低成本的優勢。

在就5G網絡毫米波技術研究時，對網絡架構進行設計，首先要解決的問題就是“大寬帶、小覆蓋”問題，通過5G網絡來進一步提高覆蓋深度。并且，5G建設基礎階段需要保證所選地址的合理性，配置相應的基礎設備，整個過程維護與保養所需成本較多，并未應用到實際中。由此5G網絡架構可以選擇LTE宏站與微站并舉模式，建設大基站簇擁眾多小基站的基站群單元網絡結構體系，大基站可以通過無線信道與終端、小基站進行下連，并且通過有線信道與5G核心網上連以及其他大基站橫連。結構中的小基站可以看作為一個五險中繼獨立體，結合毫米波技術，實現基站天面小型化與集成化設計，在減低體積的同時，提高美觀度[2]。整個網絡結構系統更為靈活，能夠以熱點容量為依據，進行靈活調整，即空閑時段降低甚至關閉發射功率，減少運行成本，利用最少的能耗來達到最高傳播效果。

從通信角度來分析，信令與數據起到的作用不同，利用專門的通道能夠實現數據由一個終端向另一個終端的傳輸。信令則是需要在網絡中進行一系列的傳輸，甚是想要起到作用，還需要在傳輸過程中經過處理。5G通信系統中，數據以及信令均存在不同的傳輸通道，完成系統的建設后，LTE可實現不同信令的運輸。尤其是可以設計實現信令與數據分開傳輸的模式，解決LTE信令占據大量資源的問題，使得數據傳輸速率更高，為用戶提供更高服務。

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特點，可根據公式來計算增益：

式中，η表示孔徑系數；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系。一般情況下η取值0.5～0.8，選擇智能手機4天線為例，則η=0.6，D=6cm，A=36cm2=0.0036cm2，然后利用公式可計算得到增益和波束角。

表1 毫米波天線計算參數

對比可知兩種天線之間參數差異較大，以波束角為參考依據，可確定在5G網絡中應用毫米波技術具有更大優勢，必定會成為5G網絡建設的重要基礎。

3 結束語

與4G網絡先比，5G網絡可以為用戶提供更佳的使用體驗，如傳播速率高、移動性強、時延性低、頻譜效率高等。對5G網絡的研究進程來講，毫米波技術在其中的應用非常重要，但是想要充分發揮技術所具有的優勢，必須要解決傳播范圍受限問題。