毫米波技術在5G物聯網中的運用

關英哲

毫米波具有帶寬大、波束窄、抗干擾能力強等一系列優點，由于頻譜資源豐富，可以更好地支持5G物聯網對于大流量、高密度通信數據的傳輸要求。但是從實踐應用來看，由于自身具備的一些特性，以及技術不夠成熟等原因，毫米波也面臨著諸多的缺陷。例如信道性能差，由于傳輸路徑損耗大，通常只能用于短距離通信。因此，需要針對毫米波的這些缺陷，探究相應的優化策略，讓其在5G物聯網中發揮出更大的作用。

1 毫米波信道的特性分析

毫米波是一種波長在1mm～10mm的電磁波，相比于目前常用的微波，毫米波的最大帶寬提升了數倍，而帶寬越寬，能夠提供的通信資源就越豐富。在5G時代，物聯網上的通信傳輸速率更快，數據流量更大，而毫米波則能夠滿足這些需求，因此應用前景廣闊。雖然毫米波的發現時間較早，但是技術開發的成熟度較低，也沒有得到商用。近年來，頻譜資源的稀缺讓毫米波的重要性不斷提升，商業價值也在持續的升高，關于毫米波技術的應用領域也逐漸擴展。但是在應用中發現，毫米波也存在諸多的缺陷。例如，毫米波在傳輸過程中，信號的衰減現象比較嚴重，隨著傳輸距離的增加，信號接收質量不斷下降，衰減幅度通常在10-3dB/m。5G物聯網的發展是不可逆的趨勢，只有持續優化毫米波技術，才能在5G時代搶占發展優勢。

2 面向5G物聯網的毫米波技術優化策略

5G物聯網時代毫米波將會有更為廣泛的應用領域和更加良好的應用前景。但是由于現階段對于毫米波技術的研究和開發還不夠深入，目前來看在5G物聯網中的應用還存在一些缺陷。為此，下一步應當將毫米波在5G網絡環境下的優化應用作為研究重點。其中，OFMD技術、FBMC技術、單載波系統等，已經在改善毫米波通信方面開展了大量的試點應用，初步取得了較為顯著的效果。

2.1 OFDM技術

OFDM（正交頻分復用）能夠改善信號在傳輸過程中多徑衰落帶來的影響，且其開銷簡單，傅里葉變換和逆變換模塊元器件復雜度低，因此在4G通信系統中得到廣泛應用。鑒于OFDM在4G時代的良好表現，進入5G時代后，可以通過適應性的改良，增強毫米波的傳輸穩定性，改良措施如下：一是從放大器線性失真入手，通過提升放大器的放大性能，降低峰值平均功率。但是存在成本較高的缺點；二是從子載波傳播入手，通過在子載波傳播路徑中增加保護間隔，達到防止相互串擾的效果。但是可能會導致系統冗余的情況，目前針對這一問題的解決方法，通常是在毫米波傳輸路徑中的關鍵環節增加保護間隔，而其他非節點部位，則不采用保護間隔。這樣就可以在防止信號串擾和控制系統冗余之間達到較好的平衡。

2.2 FBMC技術

FBMC（濾波器組多載波）和OFDM同屬于多載波系統，都存在頻譜利用率低的問題。相比于OFDM，FBMC在每個子載波中加入濾波器濾除掉多余干擾的旁瓣，不需加入循環前綴從而降低帶外功率泄露，提高頻譜效率，加入濾波器組會增加系統的復雜度。基于大規模MIMO技術的FBMC系統的具有自均衡能夠降低系統的延遲和復雜度，提高系統的頻譜利用率，減小峰值功率比，且系統的盲信道跟蹤特性可以解決MIMO技術中的信道污染問題。但是就目前的FBMC技術應用來看，也還存在一個亟需優化的問題，即多載波系統運行過程中如何提高載波協調性。這也成為下一步技術研究需要重點關注的問題。

2.3 單載波系統

從實際應用效果來看，單載波系統的峰值功率比極低，這種結構特性決定了單載波系統既能夠緩解信號傳輸中面臨的多經衰落問題，同時又可以保持較低的運行成本，在實用價值和經濟效益之間達到了較好的平衡。另外也有研究發現，單載波系統很少出現頻偏的情況，這也使得該技術在5G物聯網上行鏈路中有應用優勢。雖然單載波系統在5G物聯網中的應用并不像上文所述的OFMD和FBMC兩種多載波系統有著廣泛應用，但是其優勢不容忽視。在5G物聯網的一些特殊領域，單載波系統仍然有著重要應用。

2.4 毫米波信道編碼

該方法的原理是在通信傳輸中，在數據流中加入額外比特（如冗余比特），將比特信息作為特征信息，實現了對通信數據的動態監測。雖然現階段信道編碼的技術較為成熟，方法也比較多樣，但是適合毫米波的信道編碼方式還具有一定的局限性。同時，基于毫米波自身的一些特性以及在5G物聯網中的使用需求，需要制定專門的編碼策略。目前經過實踐驗證可行的方法有兩種，即前向糾錯和自適應選擇重傳。前者的優勢在于降低了信道編/解碼工作中的帶寬占用，從而降低了系統運行功耗；后者的優勢可以在進一步提高編碼效率的基礎上，自動適應信道內數據傳輸效率，從而保證通信傳輸效率的最大化。

3 MIMO技術在毫米波中的應用

3.1 MIMO的主要類型

MIMO（多輸入多輸出）技術通過顯著增加毫米波的頻譜利用率，從而可以支持5G網絡有更高的數據傳輸速度。為了解決傳播距離短的問題，改進了MIMO天線系統，除了在尺寸上更小、降低安裝成本外，還提高了系統容量。

目前MIMO技術根據用戶數量的不同，可以分為單用戶MIMO系統和多用戶MIMO系統兩種。前者由于只具備1個收/發端，通常用于定向傳輸；在5G互聯網中，多用戶MIMO系統的應用更為廣泛。較為常見的是4天線2用戶模型，可以兼顧傳輸效率和系統容量。通過增加天線數量，可以實現信號強度的疊加，將能量集中在一起，這樣就可以將通信傳輸距離成倍的擴大，滿足了毫米波的長距離傳輸需要。一些規模較大的通信基站，MIMO天線系統中可以集成幾百根天線陣列，完全能夠滿足5G物聯網的通信需求。

3.2 MIMO的應用優勢

空間復用是MIMO技術的一大應用優勢。在以往的通信系統中，由于系統的魯棒性和有效性存在矛盾，要想維持一種性能（如傳輸速率），就必須犧牲另一種性能（如信號質量）。在5G物聯網中，這種缺陷必須要得到改善，才能更好地支持“物-物”“人-物”之間的信息傳遞。為此，基于空間復用的MIMO技術得到了推廣使用。簡單來說，空間復用就是根據數據傳輸的要求，從時間、頻率、質量、碼元之間同時選擇2種或多種進行組合應用。融合了空間復用的MIMO技術，其優勢主要體現在：1）進一步提高了數據傳輸速率。空間復用可以實現數據流的分類、分段，在傳輸時不是打包傳輸，而是利用多個MIMO天線分別傳輸，采取這種“多徑分量”的方式，降低了信道擁堵，提高了傳輸速率。2）顯著改善了頻譜效率。天線數量與信道容量為正比關系。MIMO技術采用集成的天線陣列，信道容量得到了大幅度的加強，支持5G網絡中對于大容量數據、高效率傳遞的需求。3）將空間復用技術與分集技術進行融合，還可以在提高信號輻射能量、抑制干擾信號、防止信號失真等方面發揮出技術優勢。

當然，由于MIMO的研究時間較短，技術開發還不夠成熟，因此在毫米波中的應用還有一定的缺陷。例如，采用集成天線陣列雖然可以在技術層面上滿足通信傳輸需要，保證了信號強度，但是無形中增加了應用成本。還有就是在大規模的天線陣列中，很有可能出現信號串擾的情況，在5G物聯網的運行中，因為信號串擾導致接收端和發送端的信號內容不一致，帶來了不必要的困擾。當前MIMO技術應用中存在的不足，也是下一步5G物聯網逐漸成熟過程中必須要重點解決的問題。

4 結語

5G物聯網在給各行各業帶來諸多便利的同時，基于5G網絡的特點，必須要有更強大的通信傳輸能力，才能支持5G物聯網的穩定運行。毫米波技術的開發和商用，除了能夠進一步豐富頻譜資源外，也要注意利用OFDM技術、FBMC技術，對毫米波自身存在的一些缺陷進行改良，從而讓毫米波的技術價值得到進一步的凸顯。MIMO技術被認為是“通向5G時代的鑰匙”，通過集成多條輸入、輸出路徑，采用分路徑傳輸的方式，除了提高毫米波的抗干擾、抗分散能力外，也極大的提升了系統容量和傳輸效率。MIMO技術與毫米波技術的成熟應用，成為推進5G物聯網發展的重要技術動力。