5G毫米波技術(shù)研究

邵 娜，袁周陽(yáng)

（1.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司河南省分公司，河南 鄭州 450000；2.中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第四分公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

毫米波是波長(zhǎng)從1～10 mm、頻率從30～300 GHz的電磁波，具有極寬的帶寬、安全保密好以及傳輸質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。目前，業(yè)界統(tǒng)一把6～100 GHz之間的頻段作為毫米波研究的頻段[1]，因?yàn)樵擃l段空閑頻譜資源高達(dá)45 GHz，可傳輸達(dá)10 Gb/s甚至更高的用戶(hù)數(shù)據(jù)速率業(yè)務(wù)，能有效滿(mǎn)足未來(lái)5G對(duì)更高容量和速率的需求。因此，簡(jiǎn)述毫米波通信技術(shù)的傳播特性和天線(xiàn)技術(shù)，對(duì)候選的毫米波頻段28 GHz和60 GHz在室內(nèi)場(chǎng)景下進(jìn)行仿真分析，以期為未來(lái)大范圍的推廣毫米波在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用提供參考。

1 毫米波技術(shù)概述

1.1 毫米波技術(shù)傳播特性

毫米波通信是指把毫米波作為載體進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑哂幸韵?種典型的傳播特性。

1.1.1 是一種典型的視距傳輸方式

由于毫米波頻段甚高，因此在空間中幾乎以直線(xiàn)的方式傳播，方向性特別好。一方面，因?yàn)楹撩撞ㄔ诳臻g傳播中受大氣和降雨影響嚴(yán)重，主要體現(xiàn)在大氣吸收和降雨衰落方面，所以作為單一通信距離較短；另一方面，由于毫米波頻段高，空間中的干擾源特別少，安全保密性好，所以傳播穩(wěn)定可靠。因此，毫米波通信是一種典型的具有高可靠和高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

1.1.2 具有“大氣窗口”和“衰減峰”

“大氣窗口”是指毫米波傳播時(shí)在一些特殊頻段附近受到的衰減較小，如35 GHz、45 GHz以及94 GHz等高頻頻段。一般情況下，這些頻段適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，如地基雷達(dá)通信等。而在一些特殊頻段附近受到的衰減達(dá)到了極大值，如60 GHz、120 GHz、180 GHz頻段，衰減高達(dá)15 dB/km以上，被稱(chēng)作“衰減峰”。為了滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)安全性的要求，通常多路并進(jìn)的隱蔽網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)優(yōu)先選用“衰減峰”頻段組建網(wǎng)絡(luò)。

1.1.3 降雨時(shí)衰減嚴(yán)重

毫米波頻段高、波束窄，在空間中幾乎是直線(xiàn)傳播，但遇到惡劣的氣候條件，特別是降雨天氣下衰減非常大，將嚴(yán)重影響傳播效果。經(jīng)過(guò)大量研究可知，毫米波信號(hào)在降雨時(shí)衰減的大小與降雨的密集程度、毫米波傳播的距離長(zhǎng)短[2]以及雨滴形狀密切相關(guān)[2]。通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，通常情況下降雨的密集度越強(qiáng)，毫米波傳播的距離越遠(yuǎn)，雨滴越大，所引起的毫米波信號(hào)的衰減也就越嚴(yán)重。因此，在進(jìn)行毫米波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要留出冗余的電平以降低毫米波在降雨衰減中的信號(hào)衰減，從而保證毫米波信號(hào)傳播的有效性。

綜上所述，由于毫米波在空氣中傳播時(shí)衰減非常大，所以不適合在室外基站部署使用。目前，室外5G基站規(guī)劃時(shí)主要使用的是6 GHz以下頻段部署，以保證信號(hào)的覆蓋，而室內(nèi)則使用微基站及毫米波技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 毫米波通信關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)天線(xiàn)理論，天線(xiàn)尺寸和波長(zhǎng)呈正比關(guān)系。天線(xiàn)的尺寸越小，波長(zhǎng)越小。毫米波的頻率高，波長(zhǎng)短，因而可以降低天線(xiàn)尺寸而滿(mǎn)足應(yīng)用要求。除此之外，毫米波天線(xiàn)具有高增益和小波束角兩個(gè)特性[3]。目前，常用毫米波天線(xiàn)是喇叭天線(xiàn)，天線(xiàn)增益計(jì)算公式如下：

式中，η為天線(xiàn)直徑系數(shù)，D為天線(xiàn)尺寸大小，A為天線(xiàn)面積，c為光速，λ為毫米波波長(zhǎng)，f為毫米波頻率。

天線(xiàn)的波束角分為水平波束角和垂直波束角。水平波束角是水平方向上，最大輻射方向兩側(cè)功率下降3 dB的兩個(gè)方向的夾角；同理，垂直波束角也是如此。因此，功率下降到3 dB的位置對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)夾角叫做天線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)波束角，是衡量天線(xiàn)波束角的重要參數(shù)。計(jì)算喇叭天線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)波束角的公式為：

由式（1）和式（2）可以看出，毫米波天線(xiàn)增益與頻率的平方成正比，與光速的平方成反比，天線(xiàn)波束角與頻率和天線(xiàn)尺寸成反比。通常情況下，η取0.5～0.8。假設(shè)基站天線(xiàn)參數(shù)取8發(fā)射天線(xiàn)[4]，那么A=0.45 m2，而η=0.5，D=0.5 m；終端天線(xiàn)參數(shù)取4天線(xiàn)為例，則η=0.6，D=6 cm=0.06 m，A=36 cm2=0.003 6 m2。根據(jù)式（1）和式（2）可求出，不同頻率下的基站天線(xiàn)與終端天線(xiàn)增益與波束角如表1所示。

表1 不同頻率下的基站天線(xiàn)與終端天線(xiàn)增益與波束角

根據(jù)微波理論，天線(xiàn)增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線(xiàn)與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。增益大小與天線(xiàn)發(fā)射的波束寬度（波束角）有關(guān)系。一般的天線(xiàn)增益越大，波束角越小，分辯率越高。由表1可以得出，以基站天線(xiàn)為例，毫米波（28 GHz）天線(xiàn)增益為35.2 dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的波束角為1.4°，而TD-LTE（2.35 GHz）天線(xiàn)增益為23.2 dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的波束角為17.9°。兩者在天線(xiàn)增益和波束角上相差甚大，尤其是波束角方面，毫米波（28 GHz）對(duì)應(yīng)的波束角為1.4°，幾乎可以直線(xiàn)傳播。可見(jiàn)，毫米波的窄波束角和高增益優(yōu)勢(shì)所表現(xiàn)出來(lái)的高分辨率和抗干擾特性，必定會(huì)在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

2 場(chǎng)景應(yīng)用仿真分析

小型封閉辦公室和會(huì)議室的場(chǎng)景將是后續(xù)毫米波應(yīng)用的主要場(chǎng)景。不同于其他場(chǎng)景有較大的測(cè)量距離，這種小型的辦公室和會(huì)議室內(nèi)由于面積較小，通常測(cè)量范圍在5～10 m。同時(shí)，因?yàn)檫@種場(chǎng)景除玻璃和木頭外，幾乎沒(méi)有墻體或者建筑物的遮擋，所以有較高視距概率，28 GHz和60 GHz頻段的無(wú)視距場(chǎng)景主要是通過(guò)金屬板的遮擋來(lái)產(chǎn)生直射路線(xiàn)被遮擋的效果。本次室內(nèi)仿真分析采用InH-Mixed Office[5]（室內(nèi)混合辦公室模型）模型，采用的頻段為2.6 GHz（低頻）、28 GHz和60 GHz（高頻）共3種頻段。圖1為3種頻段在室內(nèi)場(chǎng)景下的路徑損耗。

圖1 2.6 GHz、28 GHz 和 60 GHz辦公室場(chǎng)景下路徑損耗

從圖1可以看出，在傳播場(chǎng)景和距離相同的情況下，2.6 GHz（低頻）路徑損耗要比28 GHz和 60 GHz（高頻）毫米波頻段小得多，覆蓋能力也強(qiáng)于毫米波頻段。這也進(jìn)一步顯示了毫米波傳播損耗大、覆蓋距離小、信號(hào)穿墻能力弱以及易受無(wú)線(xiàn)環(huán)境影響的缺點(diǎn)。由于毫米波極短的波長(zhǎng)、較高的頻率，造成信號(hào)的傳播距離受限制、穿透能力也較差，從而引發(fā)信號(hào)覆蓋的盲區(qū)和弱區(qū)，但較差的穿透力恰好可以避免通信信號(hào)之間的相互干擾，特別是隔板及遮擋物密集的室內(nèi)場(chǎng)景，更能降低通信之間的相互干擾，從而保證通信質(zhì)量的可靠性。此外，毫米波的高帶寬和高速率優(yōu)勢(shì)，對(duì)于人員密集和在線(xiàn)視頻業(yè)務(wù)要求高的室內(nèi)場(chǎng)景也有更好的使用價(jià)值。

采用Massvie MIMO和波束賦形技術(shù)時(shí)，補(bǔ)償毫米波在傳播中的衰減損耗通過(guò)控制多天線(xiàn)單元傳輸?shù)南辔弧⒎鹊日{(diào)整，并調(diào)用動(dòng)態(tài)波束追蹤算法[6]和移動(dòng)性相關(guān)管理策略克服毫米波間歇性中斷的劣勢(shì)，將無(wú)線(xiàn)電波集中在更窄的波束上，使信號(hào)能量更集中，以進(jìn)一步提升基站覆蓋范圍，使毫米波在室內(nèi)開(kāi)闊場(chǎng)景和室外場(chǎng)景都可以廣泛應(yīng)用。

3 結(jié) 論

隨著5G牌照的發(fā)放，加快了5G商用的步伐。伴隨著毫米波新空口系統(tǒng)技術(shù)、Massvie MIMO技術(shù)和波束賦形技術(shù)的發(fā)展，毫米波通信傳播損耗及穿透損耗較大、無(wú)法遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯?wèn)題將會(huì)被解決，為未來(lái)在5G中的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，在后續(xù)的毫米波研究工作中，將重點(diǎn)關(guān)注下毫米波傳播損耗與地物關(guān)系，并把仿真分析擴(kuò)大到室外場(chǎng)景，從而研究出一套適應(yīng)于5G應(yīng)用場(chǎng)景的毫米波技術(shù)。