高頻通信技術

李萍　魏浩　黃靜月

摘要：毫米波是第5代移動通信系統的重要通信技術，利用大帶寬承載大量信息，有效提升系統的吞吐量。第3代合作伙伴計劃（3GPP）已經對毫米波頻段做了劃分，各個國家逐步對頻譜進行分配。毫米波因其頻譜特性，需要與大規模天線陣列結合使用，獲得波束賦形增益。通過對波束設計與波束管理等核心技術的創新，實現熱點高速傳輸。同時，通過高低頻無線協作組網的方式，實現整個區域內的基礎覆蓋，以適應不同的通信場景需求。

關鍵詞：毫米波;混合波束賦形;波束管理;高低頻協作組網

Abstract： Millimeter wave is an important technology for the 5th generation mobile communication system. By utilizing wide frequency band for high data transmission， millimeter wave can greatly increase the experienced data rates of users and the system throughput. The millimeter-wave bands have been standardized by third Generation Partnership Project （3GPP）， and the spectrum has been allocated gradually by many countries. Due to its spectral characteristics， millimeter waves need to be combined with large-scale antenna arrays to obtain beamforming gain. The high-speed transmission of hotpots is realized by the innovation of beam design and beam management. In addition， the basic coverage in the entire area and the requirement for different communication scenarios can be satisfied by multi-frequency wireless cooperative networking.

Key words： millimeter wave; hybrid beamforming; beam management; multi-frequency cooperative networking

隨著社會經濟的日益發展，無線通信中的數據業務量持續增長，在近幾年來呈現出指數級的爆發態勢。數以億計的智慧終端將介入網絡，相互連接交互信息，使得業務和應用更加多樣化和多元化[1]。第5代移動通信系統（5G）也稱為IMT-2020，己經成為當前最為熱門的研究方向和研究領域。根據IMT-2020（5G）推進組《5G愿景與需求白皮書》的要求，5G還將大幅提高網絡部署和運營效率，與4G相比，頻譜效率提升5～15倍，能量效率和成本效率提升百倍以上，5G的容量預計是4G的1 000倍[2]。

然而，作為構建新一代信息基礎設施重要載體，無線電頻譜資源愈發稀缺，資源結構性緊缺問題愈發突出[3];因此，在規劃和分配5G系統頻率的時候，基于6 GHz以上高頻段的頻譜劃分和使用，就自然成為大勢所趨。毫米波具體是指波長在1～10 mm的電磁波，其頻率大約在30～300 GHz之間。毫米波可以采用大載波帶寬承載大量數據信息，能夠支持5G時代0.1～1 Gbit/s的用戶體驗速率要求。

近年來，工業界對5G毫米波頻段的商用推進愈發加快。Verizon、Vodafone、中國移動、中國電信、中國聯通等全球知名電信運營商，相繼公布其在5G毫米波頻段的布局和試驗進展，毫米波通信的商用已經近在眼前。

1 5G高頻頻譜分配

1.1 協議標準的頻譜劃分

2018年7月，針對5G毫米波頻譜規劃問題，未來移動通信論壇5G微波毫米波特別工作組發布了《5G毫米波頻譜規劃建議白皮書》，建議在2018年前分別完成24.75～27.5 GHz以及37～42.5 GHz的5G頻率規劃等，以給產業明確指導方向[4]。標準化方面，國際電聯無線電通信部門（ITU-R）在2017年底發布的IMT-2020技術評估報告中，室內熱點及密集城區增強型移動寬帶（eMBB）場景中以4 GHz（代表以3.5 GHz為主的頻段區間）和30 GHz（代表26 GHz、39 GHz等毫米波頻段）作為5G技術評估的典型頻段配置。第3代合作伙伴計劃（3GPP）5G標準作為主流的5G技術體制，目前獲得了最為廣泛的國家及移動通信產業的支持。3GPP 新空口（NR）毫米波頻段的射頻標準討論和制定工作由3GPP 無線接入網絡（RAN）4牽頭開展，26 GHz和39 GHz為全球范圍內備受關注的毫米波頻段，被首先納入了3GPP標準，為相關毫米波頻段的產業培育及設備開發制造創造條件并提供保障。

目前3GPP定義的頻率范圍分為頻率范圍（FR）1和FR2。FR1是低于6 GHz的部分，頻率范圍為450～6 000 MHz，覆蓋能力越強穿透能力越好。FR2范圍主要是高頻，也就是我們通常說的毫米波頻段，頻率范圍為24 250～52 600 MHz，穿透能力較弱，但帶寬充足，頻譜干凈，未來的應用十分廣泛。在FR2頻段中，又繼續細分了不同的頻段，并做了標號，如表1所示。

1.2 各國頻譜分配

各國電信監管機構在分配5G頻譜時都會通盤考慮已分配頻譜和未分配頻譜。目前全球主流運營商都已對頻譜進行了分配，并制定了對未來5G頻譜的分配計劃，如表2所示。

在2018的韓國平昌冬奧會上，Intel和韓國運營商KT部署了迄今為止規模最大的5G網絡，在10個奧運場館搭建22個5G鏈路，支持交互式網絡電視（IPTV）、虛擬現實、Wi-Fi等應用，還為觀眾和游客提供千兆級速度服務。同時，為備戰2020年東京奧運會，日本加速推進5G技術開發。美國在其可持續頻譜戰略中提出：要確保美國在5G中處于領導地位，促進就業增長和經濟增長，并保護國家安全。中國在國務院發布的《“十三五”國家信息化規劃》中，16次提到了5G，提出在5G網絡技術上要走在全球前列。

5G不僅是無線通信產業的一次升級換代，更是一次重大的技術變革，與數字化轉型技術、人工智能（AI）技術一起，成為國民經濟轉型升級的重要推動力。5G已經成為國與國之間戰略競爭的重要組成部分。

2 傳輸特性與信道建模

高頻的信道特性和模型是5G高頻關鍵技術研究和系統設計的關鍵環節之一。對于室外到室內的穿透損耗，高頻中不再區分Umi/Uma場景，且模型中增加標準方差，其中穿透損耗取決于墻體材料（如玻璃、水泥、木頭等）。對于信道模型的小尺度參數，如delay spread、發射端離開角（AoD）、接收端到達角（AoA）、散射簇到移動端的俯仰到達角（ZoA）等，高頻模型中均與載波頻率相關[5]。3GPP于2016年6月的第72次全會上啟動了5G高頻信道模型（0.5～100 GHz）的研究工作。為了凸顯高頻段與低頻傳播特性的區別，5G高頻信道模型中引入了更多與高頻相關的新特性，包括：氧衰模型、大帶寬及天線陣列模型、空間一致性模型、阻擋模型、多頻段相關性模型、時變多普勒模型、用戶（UE）轉動模型和確定性地面反射模型、隨機簇模型等。圖1為IMT-2020給出的信道模型模塊。

混合信道模型以電磁理論物理學為基礎構建信道模型，適合400 MHz～100 GHz多種帶寬的配置，對于當前5G對信道的空間相關性、時間相關性、頻率相關性等特性自然滿足，具有很強的向后兼容性。圖2是混合信道模型。

混合信道模型包括確定性模型、統計模型2大部分，確定性模型主要基于確定性場景3D模型，利用射線追蹤技術，考慮直射、透射、反射、繞射等物理現象，進行確定性計算，得到發射及接收的主要射線徑確定性結果。統計模型主要反映確定性模型中未進行建模的小物件、粗糙面以及因為人流、車輛、植被等引發的散射、阻擋和閃爍反射現象。

3 波束與賦形

毫米波與低頻段電磁波相比，波長比較短，面臨的一個主要問題是自由空間路損使得接收端信號產生大幅度衰減[6]。但同時，較短的波長使其能夠在發射端部署大規模天線陣列以提供顯著的波束賦形增益，以抵抗路徑損耗帶來的性能損失。波束就成了毫米波的標配屬性，被更多地研究與設計。

3.1 賦形結構

全數字波束賦形的大規模多輸入多輸出（MIMO）系統雖然可以產生最優性能，然而射頻（RF）鏈路個數需要與基站端部署的天線數量相同，硬件復雜度和成本、信號處理的復雜度和能耗均迅速增加[7]。模數混合波束賦形結構由一個低維度的數字波束和一個高維度的模擬波束組成，不需要如同傳統純數字波束賦形結構一般的RF鏈路的數量，有效降低實現成本和設備體積，成為毫米波通信的主流結構方式[8]，如圖3所示。

在圖3中，[N_t]代表發射端總天線數，而[N^t_RF]代表發射端的RF鏈路個數。每條RF鏈路都將連接全部的天線，實際RF鏈路數為[N_tN^t_RF]條。在滿足一定的條件時，可以得到和純數字波束賦形結構同等的波束賦形增益，但結構的復雜度和成本都相當高。

因此，可以采用低復雜度和低成本的其他連接結構。

（1）部分連接結構：每條RF鏈路連接的天線數為[N_t/N^t_RF]，該種結構犧牲了一部分的波束賦形增益，但在硬件實現上具有顯著優勢[9]。

（2）重疊子陣結構：每條RF鏈路連接的天線數在[N_t/N^t_RF]到[Nt]之間，是全連接結構和部分連接結構的折中。

（3）雙倍移相器結構：每1個等效的模擬波束賦形因子通過2個移相器實現，能夠調節的幅度和相位選擇更多，實現更好的性能。

（4）開關結構：通過控制對應通路的開關，利用[N_c]個相移器實現幅度和相位的控制，其性能決定于[N_c]的數量。相對于雙倍相移器結構來說，開關結構能夠達到的精度更高，性能更好。

在實際系統中，模擬賦形增益的效果取決于多種因素，包括移相器的精度、RF鏈路的長度、器件響應時延、功率放大器的非線性等[10-12];因此，采用何種結構需要在硬件實現復雜度和波束賦形增益上做出權衡。

3.2 波束算法

波束是毫米波通信不同于低頻段通信的主要特征，基站通過波束賦形的方式來進行毫米波覆蓋;因此波束設計與波束管理就必然成為毫米波通信的核心技術[13]。

波束設計中對于控制波束和業務波束的管理，可以獨立進行也可以統一調整，這2種方式可以通過高層信令配置來實現。對于控制波束，考慮其傳輸的魯棒性，可以在不同時刻使用不同方向的波束配置給終端控制信道，以解決高頻信道突發阻塞的問題。對于業務波束，根據具體場景，相對較窄的波束會有較好的模擬賦形增益和干擾屏蔽效果，更適合于對移動性需求相對較低、用戶位置相對較固定的場景。而設計相對較寬的波束，可以減少總波束的個數，降低測量開銷，用戶移動出波束的時間也更長，有利于更好地跟蹤波束[14]。

波束管理包括波束掃描、波束跟蹤[15]和波束恢復?；竞蚒E通過其最優的波束對實現連接通信，當相鄰波束的能量大于當前能量時立即發生切換。基站側和UE側分別發起波束輪掃，通過一輪完全輪掃，基站側與UE側共同維護了一個最優波束對。在基站側和UE側使用最優波束對時，繼續進行基站側和UE側波束測量與維護;當UE側發生位置變化或者旋轉時，UE側可以及時切換到最優波束上。同時，基站側也可以根據UE位置變化來調整基站側波束。如果當前由于遮擋導致所有候選波束均不可用時，UE側發起波束失敗恢復流程（BFR），向基站發起同步請求，當收到基站側反饋時則恢復成功，實現快速同步。采用良好的波束管理方案，使得系統在工作過程中，盡可能對波束切換無感知，即波束切換對系統性能沒有明顯的影響。

當前人工智能（AI）在各個領域掀起了應用熱潮，我們還可以將AI與傳統通信相結合，基于AI機器學習算法，對實際的通信場景進行分類和識別，以實現波束的自適應設計與管理策略，從而快速跟蹤無線信道場景的變化[16]。

4 協作組網

高低頻無線協作組網是5G網絡架構的必然發展趨勢，主要是宏基站通過低頻段實現整個區域內的基礎覆蓋，微基站通過高頻段承擔熱點覆蓋和高速傳輸，以滿足5G網絡更高數據流量、更快用戶體驗速率、海量終端連接和更低時延的需求[17-18]。

在組網方式中，高低頻可以各自獨立組網，也可以通過雙連接部署實現組網，如圖4所示。

在獨立組網方式中，5G低頻/長期演進（LTE）主要用于基礎覆蓋和移動性保證，而5G高頻主要用于提升用戶吞吐量，5G低頻/LTE與5G高頻之間通過小區選擇、重選或負載均衡策略接入用戶。在雙連接部署組網方式中，5G低頻/LTE與5G高頻之間通過雙連接實現共同組網[19]，采用集中單元（CU）和分布單元（DU）分離技術，由CU集中對低頻和高頻資源做統一管理，并對高低頻雙連接做數據流的分發。無線資源控制（RRC）和分組數據匯聚協議（PDCP）在CU，無線鏈路層控制協議（RLC）/媒體訪問控制（MAC）/物理層（PHY）在DU。

在實際通信中，具體的組網方式，可以根據具體的組網場景來進行選擇。

4.1 組網場景

高頻段通信屬于5G中的eMBB場景，主要承擔熱點高速傳輸，可以細分為如下幾種組網場景。

（1）高頻孤立小區組網。在熱點區域開啟單個高頻5G小區，小區周圍一定區域內沒有同頻的高頻小區。該小區不存在小區間干擾，與低頻5G或LTE進行互操作來保證用戶的體驗。該組網方式的缺點是高頻5G存在嚴重遮擋后的覆蓋盲區。

（2）高頻連續覆蓋小區同頻組網。這種組網方式就是傳統意義上的三葉草同頻組網，小區間干擾將降低用戶的信號與干擾加噪聲比（SINR）和體驗，如何管理波束規避干擾，也需要重點考慮。

（3）高頻連續覆蓋小區異頻組網。這種組網方式下的小區間干擾將會大大降低，但是頻譜資源將有數倍的消耗，取決于運營商是否有足夠的頻譜。

（4）超密集區域小區組網。如演唱會、運動賽、大規模會議以及球賽等場景，業務需求量很大，高頻5G正好能夠滿足各方面的需求且可以根據覆蓋區域、容量等需求靈活調整頻率資源。

（5）室內大容量組網。由于室內的房間、隔墻等建筑物構成了天然的隔離，以及室內豐富的多徑的存在，使得高頻5G尤其適用于室內覆蓋，而且可以根據覆蓋和容量需求調整頻譜資源，選擇合適的產品形態。

（6）室外向室內的覆蓋。高頻穿透玻璃后的效果是非常好的，如大的玻璃幕墻辦公區、商區等，但水泥墻體對高頻損耗比較大。

4.2 關鍵技術

根據上文所述的組網場景，高低頻協作組網的關鍵技術研究主要涉及以下3個方面。

（1）對移動終端連續覆蓋。

實際組網時，對于每個孤立的高頻單站，很容易出現由于固定或者流動遮擋導致的覆蓋空洞。對于高頻參與的組網場景，如何在多個站的穿插覆蓋區域內保持對移動終端的連續覆蓋服務是技術方案首要考慮的問題。該問題包括融合空口設計的考慮、支持數?；旌腺x型的高頻基站的最優設計（射頻天線的偏硬件設計、預編碼碼本等算法設計），以及波束切換、波束搜索等波束管理方面的設計。在支持多用戶通信的需求下，還需要對大規模MIMO設備和算法能力提出更高要求。

（2）移動終端業務連續性。

在超密集組網場景中，高頻信號覆蓋半徑小，多站穿插覆蓋部署，導致移動終端在該區域內的業務服務在多個基站間不斷快速切換，這需要保證用戶業務的連續性，盡可能使得用戶對切換無感知。因此，在方案中如何分層調度、具體切換或調度的算法以及包括終端參與的流程等都是需要研究的問題[20]。

（3）協作組網規模能力。

高低頻協作組網要針對相應實際可能部署場景，提供整體的解決方案。在組網能力下，關于服務用戶數、平均吞吐率，以及覆蓋邊緣的定義必須明確清晰。同時，高頻和低頻協作的范圍能力、負載均衡等，也是高低頻融合組網規模能力的關鍵問題。這些關鍵問題的研究，涉及融合空口設計、CU分離和雙連接的具體架構設計，以及完整的終端技術方案和移動性管理方案。此外，還需要結合信道建?；A上的系統仿真，以及驗證性樣機系統原型開發。

5 結束語

中興通訊從2013年開始對5G無線通信進行研究，在毫米波通信方面有著深厚的技術積累，包括實際應用場景的探究、關鍵技術的掌握研發、組網方面的策略與方案設計等。目前，已經通過由工信部主導、IMT-2020（5G）推進組負責實施的5G國測第3階段測試。同時完成5G實驗網的建設，與全球知名工業界廠商進行聯合測試。2019年將迎來5G預商用建網。

2018年11月，工信部IMT-2020（5G）推進組無線技術工作組表示，啟動6G的概念研究工作。未來的6G移動通信系統，是一種泛在融合信息網絡，可達到兆比特每秒級別的信息傳輸速率。為了支持如此高的吞吐量和高速組網，使人們對新頻率資源開發的目光自然地從毫米波頻段轉向波長更短且從前較少關注的太赫茲頻段。毫米波頻段已經在學術界和工業界得到廣泛認可，而太赫茲無線通信作為一個新興領域，其學術價值和應用前景更是不可估量。未來是學術界和工業界融合的時代，無線通信也必將迎來嶄新的發展。

致謝

本文得到了中興通訊股份有限公司無線研究院算法部竇建武、柯雅珠、張波、李杰、田力、武藝鳴的大力幫助和支持，謹致謝意！

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