5G 毫米波大規(guī)模天線通信技術(shù)研究*

蔡振浩，宋 勇

（上海思客琦自動化工程有限公司智能制造先進(jìn)技術(shù)研究院，上海 201206）

0 引 言

5G 是面向2020 年以后移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng).根據(jù)移動通信的發(fā)展規(guī)律,5G較4G 移動通信提高一個量級或更高，將具有超高的頻譜利用率和能效,其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統(tǒng)安全和用戶體驗(yàn)也將得到顯著的提高.將滿足未來10 年移動互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000 倍的發(fā)展需求。5G 傳輸速率和頻譜資源利用率方面的提升對系統(tǒng)傳輸帶寬以及復(fù)用能力提出了更大更高的要求[1-2]。

毫米波通信技術(shù)是一種高質(zhì)量、恒定參數(shù)和技術(shù)成熟的無線傳輸通信技術(shù)。不僅具有波長短、波束窄、方向性好、天線增益高的優(yōu)點(diǎn)，而且毫米波頻段能夠獲得數(shù)十吉赫茲的頻譜帶寬，能夠有效支撐5G 的極高速通信。一直以來采用多天線發(fā)送和多天線接收技術(shù)是挖掘無限空間維度資源、提高頻譜效率的基本途徑[3]。將大規(guī)模天線技術(shù)應(yīng)用于毫米波頻段通信實(shí)現(xiàn)5G 通信系統(tǒng)，是一種業(yè)界普遍認(rèn)同的愿景，能夠有效支撐5G 系統(tǒng)對于帶寬和頻譜效率的要求[4-5]。

本文首先介紹了毫米波頻段電池波傳輸特性，分析了毫米波通信的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，給出部分電信運(yùn)營商對于普遍關(guān)注的28 GHz、39 GHz 頻段毫米波通信的外場測試性能，并得出其典型應(yīng)用場景將主要是存在直達(dá)徑下的高速率、大容量的熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋的結(jié)論。接著，基于毫米波頻段的大路徑損耗特性，文章分析了將大規(guī)模天線技術(shù)應(yīng)用于毫米波頻段通信的優(yōu)勢并與大規(guī)模天線在6GHz 以下的應(yīng)用進(jìn)行了分析對比，指出了5G 在6GHz 以下頻段適用垂直面扇區(qū)化技術(shù)，而在毫米波頻段適宜采用3D 波束成型技術(shù)在空間劃分多信道化以分別提高空間復(fù)用能力的結(jié)論。文章最后分析討論了大規(guī)模天線毫米波通信在室外固定無線接入、室內(nèi)高層覆蓋、毫米波微覆蓋等典型應(yīng)用場景的應(yīng)用特點(diǎn)。

1 毫米波頻段電磁波傳輸特點(diǎn)

毫米波是指頻率為30 ～300 GHz 的電磁波，以直射波方式在空間傳播，具有波束窄，方向性好的優(yōu)點(diǎn)。由于毫米波所處的頻段高，干擾較少，所以傳播穩(wěn)定可靠。但是由于水汽、氧氣等吸收作用，毫米波在大氣中傳播會受到不可忽視的衰減。同時，降雨，云霧以及沙塵也會帶來信號的額外衰落。

毫米波通信的優(yōu)點(diǎn)是[6]：（1）毫米波具有極寬的傳輸頻帶，通信容量大。在30 ～300 GHz 的極寬頻段中，即使排除掉衰減比較嚴(yán)重的“氧氣吸收”頻段(57 ～64 GHz)和“水蒸氣吸收”頻段(164 ～200 GHz),高達(dá)252 GHz 頻寬的頻段也是潛在可供移動寬帶通信傳輸選擇。（2）波束窄，具有良好的方向性。取決于波長的影響，在相同天線尺寸下毫米波的波束要比傳統(tǒng)射頻波的波束窄得多。（3）元件尺寸小。和傳統(tǒng)微波通信相比，毫米波元器件(比如天線)的尺寸要小得多；更容易小型化。（4）在給定的天線孔徑總面積下可比傳統(tǒng)射頻波實(shí)現(xiàn)更高的“波束成形（Beamforming）”增益。毫米波相比于傳統(tǒng)射頻波的更短的波長，使得在相同的天線孔徑總面積下可以部署更多數(shù)目的天線。當(dāng)在收發(fā)端應(yīng)用波束成形技術(shù)時，更大數(shù)目的天線將獲得更高的性能增益。

當(dāng)然毫米波傳播特性也存在缺點(diǎn)，比如：毫米波信號不能很好地穿透絕大多數(shù)的固體材料。密集植被以及降雨均會對毫米波通信帶來極大的衰落。通常情況下，降雨的瞬時強(qiáng)度越大、距離越遠(yuǎn)、雨滴越大，所引起的衰減也就越嚴(yán)重。

2 毫米波通信外場實(shí)測性能分析

目前，北美的AT&T、Verizon、韓國的KT 以及日本DOCOMO、KDDI 等全球重要運(yùn)營商都重點(diǎn)關(guān)注并開發(fā)利用28 GHz，39 GHz 等毫米波頻段頻譜資源，并通過外場測試驗(yàn)證毫米波頻段的實(shí)際通信性能。韓國通信電子研究院工程師在外場實(shí)測了28 GHz 下幾種典型場景中毫米波的路徑損耗情 況[7-8]，將路徑損耗模型概括為：

其中，n表示路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長的速率。do是近地參考距離，測試中令do=1 m。d為T-R 距離。Xσ為0 均值的高斯分布隨機(jī)變量，單位為dB；標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ，單位也是dB。表1 中給出了各典型環(huán)境下LOS 以及NLOS 場景的參數(shù)指標(biāo)。

表1 28 GHz 頻段典型場景路徑損耗外場測試結(jié)果

在一項(xiàng)美國運(yùn)營商Verizon 針對28GHz 頻段電磁波傳輸特性的外場測試實(shí)驗(yàn)表明：（1）毫米波無法穿透鋼筋混凝土墻體；（2）密集植被的遮擋會導(dǎo)致毫米波通信中斷；（3）在存在直達(dá)徑的點(diǎn)對點(diǎn)靜止?fàn)顟B(tài)通信中，移動物體諸如往來車輛的遮擋會導(dǎo)致通信速率劇烈起伏；（4）當(dāng)測試終端從存在直達(dá)徑的陽臺轉(zhuǎn)移到木頭墻體的室內(nèi)時，信噪比跌幅高達(dá)28 dB。

由大量外場實(shí)測結(jié)果不難得出結(jié)論，與6 GHz以下的微波通信相比，毫米波通信更適用于存在直達(dá)徑的穩(wěn)定信道環(huán)境中通信，大的路徑損耗是毫米波通信需要重點(diǎn)解決的問題。因此，毫米波通信是噪聲受限模型下的通信問題，其典型應(yīng)用場景將主要是存在直達(dá)徑下的高速率、大容量的熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋。

3 5G 大規(guī)模天線毫米波通信的優(yōu)勢

5G 中廣泛采用大規(guī)模天線技術(shù)作為提高頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段。根據(jù)信息論，天線數(shù)量越多，天線波束能量、頻譜效率和通信可靠性提升越明顯。尤其是，當(dāng)發(fā)射天線和接收天線數(shù)量很大時，MIMO 信道容量將隨著收發(fā)天線數(shù)中的最小值近似線性增長。因此，如圖1 所示，在毫米波頻段應(yīng)用大規(guī)模天線技術(shù)是實(shí)現(xiàn)5G 高速率、大容量通信的一個重要選擇。

圖1 大規(guī)模天線系統(tǒng)部署場景

大規(guī)模天線可以通過調(diào)整大規(guī)模天線陣中各天線單元的幅度、相位，控制波束的水平方向和下傾角，實(shí)現(xiàn)三維空間的波束成型能力。其好處和特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面[7-8]：

（1）提高頻譜效率方面

大規(guī)模天線陣列的空間分辨率與現(xiàn)在的MIMO系統(tǒng)顯著增強(qiáng)，能深度挖掘空間維度資源，大規(guī)模天線陣列這種由大量天線單元聯(lián)合產(chǎn)生的波束更為細(xì)窄化，指向性更精確。能夠極大降低LTE 網(wǎng)絡(luò)中移動終端干擾受限問題。在5G 網(wǎng)絡(luò)中能夠廣泛使用多用戶MIMO 技術(shù)，支持多個用戶在同一時頻資源上利用大規(guī)模MIMO 提供的空間自由度與基站同時進(jìn)行通信，從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率[9]。

（2）對抗毫米波頻段大尺度衰落方面

而對于毫米波頻段顯著的大尺度衰落現(xiàn)象。在基站下行發(fā)送方面，大規(guī)模陣列天線產(chǎn)生的波束能夠使發(fā)射的電磁波能量束將更加集中，能夠帶來數(shù)十dB 的信噪比增益，為毫米波通信獲得足夠高的信噪比增益，改善小區(qū)邊緣信號的覆蓋質(zhì)量；而在上行基站接收時，由于終端電池容量的約束，發(fā)射功率受限，而這種大規(guī)模天線陣的細(xì)窄化波束也能有效完成對終端接收信號的最大釋然比合并，從而保證終端上行通信鏈路質(zhì)量，延長終端通信 時長[10]。

（3）大規(guī)模天線毫米波頻段與6GHz 以下頻段應(yīng)用比較

與毫米波頻段不同，6 GHz 以下頻段電磁波傳輸具有明顯的微波傳輸特性，體現(xiàn)為：信號波長較長，受散射體影響，信號傳播多徑較為豐富、色散現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，大規(guī)模天線針對6 GHz 以下頻段的應(yīng)用中的一種策略是：利用天線陣列在垂直維度調(diào)整的靈活度，通過垂直維度多扇區(qū)化處理，將原扇區(qū)在垂直維劃重新劃分為具有不同下傾角的子扇區(qū)，實(shí)現(xiàn)所謂的垂直面扇區(qū)化。在子扇區(qū)內(nèi)仍然可以兼容LTE 中的SU/MU 通信技術(shù)，來提高頻譜利用效率，如圖2（a）所示。而對于6 GHz 以上比如毫米波頻段通信中，將主要基于陣列天線面陣，重點(diǎn)采用3D 波束成型技術(shù)，產(chǎn)生精確指向的天線波束，對空域進(jìn)行水平維度和垂直維度的精細(xì)劃分，產(chǎn)生多個子信道同時進(jìn)行通信，大幅提升空分復(fù)用能力，有效支撐起5G 寬頻譜、甚高速率、高頻譜利用率的通信需求，如圖2（b）所示。

圖2 大規(guī)模天線系統(tǒng)6GHz 以下與毫米波頻段部署特點(diǎn)比較

4 大規(guī)模天線毫米波通信典型應(yīng)用場景

毫米波通信主要面對的是噪聲受限模型，其主要應(yīng)用場景存在直達(dá)徑下的高速率、大容量的熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋將是其將來主要的布站場合。諸如表2 中室外家庭/辦公場所固定無線接入、體育場館、高層商業(yè)場所通信都是大規(guī)模毫米波通信的典型應(yīng)用場合。

表2 大規(guī)模天線毫米波通信主要場景特征描述

（1）室外固定無線接入場景

對于室外固定寬帶無線接入場景而言，其面對的主要問題為：需要為基站和固定接入點(diǎn)之間提供高速率、高可靠性的無線鏈路。場景中大規(guī)模天線毫米波通信的優(yōu)點(diǎn)在于：毫米波頻段能夠提高高達(dá)數(shù)GHz 的寬頻譜帶寬，同時通過大規(guī)模天線陣列的波束成型技術(shù)獲取高信噪比，支持極高速率的數(shù)據(jù)通信。同時這種波束的精確指向特性能有效降低鄰區(qū)干擾，確保了寬帶無線接入的穩(wěn)定性與可靠性。

（2）高層商業(yè)場所室內(nèi)覆蓋

對于高層商場室內(nèi)通信而言，其面臨的主要問題是：用戶在商場內(nèi)呈立體分布且相對密集，場景中基站需要對大量的用戶同時進(jìn)行服務(wù)，對于系統(tǒng)頻譜效率提出較高要求；同時，信號傳輸環(huán)境相對復(fù)雜，傳輸損耗較大，因此需要有效的傳輸和接收方式提高信號傳輸效率；另外，場景中小區(qū)之間相對距離較小，小區(qū)間干擾較大，服務(wù)質(zhì)量受干擾限制，尤其是邊緣用戶的性能受干擾影響明顯，因此需要有效的干擾協(xié)調(diào)和避免技術(shù)。

大規(guī)模天線毫米波通信在該場景下的優(yōu)點(diǎn)在于：1）通過細(xì)窄化的精確指向波束，采用空間復(fù)用技術(shù)頻率資源能夠同時被多個用戶復(fù)用，頻譜效率大幅提升；2）大規(guī)模天線技術(shù)能夠產(chǎn)生旁瓣干擾小、能量集中的信號波束，能夠在用戶方向上產(chǎn)生足夠高的信噪比，確保了信號的覆蓋范圍和用戶服務(wù)質(zhì)量；3）傳統(tǒng)的LTE 系統(tǒng)中受天線機(jī)械傾角以及垂直面波束寬度影響，會造成特定方向（比如高樓層）用戶信噪比增益的損失，通信系統(tǒng)空間覆蓋能力受限。大規(guī)模天線陣通過控制每個天線單元的幅度和相位，使產(chǎn)生的波束在水平以及垂直方向上均能提供較大的空間自由度，不僅能夠大大增強(qiáng)對高層用戶的信號覆蓋，而且也能夠使得鄰區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)變的更加靈活。

（3）毫米波微覆蓋

對于微覆蓋而言，該場景下面臨的主要問題是：1）場景內(nèi)用戶呈立體分布且密集，可能存在通信的死角；2）小區(qū)邊緣用戶覆蓋薄弱，容易受到來自相鄰扇區(qū)的干擾；3）基站可能需要對大量用戶同時服務(wù)。在該場景下，大規(guī)模毫米波通信能夠通過：1）細(xì)窄化的波束指向，不僅能同時支持多用戶通信，提高頻率利用率；而且還能夠減小對相鄰小區(qū)邊緣用戶的干擾；2）3D 波束成型技術(shù)，一方面能夠調(diào)整波束方向，減小覆蓋的死角，另一方面，波束能量集中可以帶來較大信噪比的增益，確保邊緣用戶的通信質(zhì)量。

5 結(jié) 語

大規(guī)模天線系統(tǒng)通過增加低功率天線單元數(shù)目，達(dá)到提升系統(tǒng)容量，降低小區(qū)間干擾，改善小區(qū)覆蓋的目的。在6GHz 以上及6GHz 以下的部署場景中有著廣泛和不可或缺的應(yīng)用。與6GHz 以下的微波通信相比，毫米波通信是噪聲受限模型下的通信問題，更適用于存在直達(dá)徑的穩(wěn)定信道環(huán)境中通信，其典型應(yīng)用場景將主要是存在直達(dá)徑下的高速率、大容量的熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋。