5G毫米波在移動通信系統的應用

裴振宇

(公誠管理咨詢有限公司 湖南分公司，湖南 長沙 410003)

0 引 言

網絡信息時代面對呈指數型增長的移動流量和數據以及不斷出現的新型設備與場景，5G技術的發明成為了歷史發展的必然。5G毫米波技術受限于傳輸距離上的短板，一直以來沒有得到廣泛應用，但隨著技術的發展及設備的進步，該技術所具有的穩定性及方向性優勢逐漸掩蓋了其在傳輸距離上的缺點，受到了行業的重視及認可。更多的頻譜資源為5G毫米波技術的發展提供了可能，毫米波技術已經成為發展5G技術中不可或缺的重要部分。根據3GPP協議，5G技術主要使用了FR1頻段和FR2頻段，其中FR1的頻段范圍為450 MHz～6 GHz，FR2頻段的頻率范圍為24.25～52.6 GHz。目前，越來越多的運營商開始布局5G，各類5G運營設備也開始建設，國家相關管理機構已經確定將5G毫米波頻段24.75～27.5 GHz和37～42.5 GHz作為可供應用的頻段。在此種情況下，有必要對5G毫米波技術進行深入分析與研究，探索其在移動通信系統中的具體應用。

1 5G毫米波技術概述

1.1 5G毫米波技術的標準化情況

在3GPP協議中，5G毫米波頻段相關射頻標準的制定工作是經由RAN4進行的，研究包括兩個階段。第一個階段深入研究了5G毫米波技術在40 GHz以下頻率段中的應用問題，其能夠滿足需求較為緊急的商業方向。第二個階段則是著力于5G毫米波技術在最高100 GHz頻率下的應用問題，從而實現毫米波技術的全面應用。

1.2 5G毫米波產業鏈發展情況

5G毫米波已經逐漸進入到商用領域，從各國的具體情況分析，美日韓在5G毫米波技術的應用速度較快，美國的眾多運營商已經在重要城市完成了毫米波的運營設備裝設，主要著力于在FWA場景下的28 GHz/39 GHz頻譜；韓國運營商在其國內范圍內基本完成了28 GHz毫米波頻譜的分配；日本運營商則已對28 GHz毫米波頻譜開展外場范圍內的測試。目前，毫米波主要應用在FWA領域，還未對車聯網和熱點覆蓋等范圍來進行具體部署。美日韓頻段下，設備已經具有了基本應用功能，但是在移動性以及管理性方面還有很大的進步空間。在毫米波的基帶方面，5G低頻段設備已經較為成熟，但是在射頻方面的性能及測試尚未達到標準要求[1]。在測試過程中，高頻段主要使用了OTA的方式來進行射頻測試。國內對于毫米波段的測試，已經獲得了一定的成果，但是仍然存在較大的問題，主要是在芯片及終端方面落后。英特爾已經發布了多代的基帶芯片，其基帶芯片能夠支持6 GHz以下頻段和28 GHz毫米波頻段，而高通方面則已經成功量產了商用等級的毫米波終端芯片，國內的OPPO、vivo以及ZTE也已經推出相應的芯片樣機終端[2]。高頻核心器件是毫米波通信所需要面臨的一個重要挑戰，我國在此方面距離領先集團仍然具有一定的差距，因此還需要加大研究與測試力度。

2 5G毫米波技術的優缺點分析

2.1 5G毫米波技術的優勢

一是在帶寬方面具有極大的優勢。一般情況下，毫米波波頻范圍為26.5～300 GHz，帶寬最高能夠到達273.5 GHz，相比較于微波等技術而言，其帶寬甚至能夠達到其他技術的10倍，同時配合多址復用技術能夠實現更大的信道寬度，在目前傳輸資源緊張的局面下，其無疑是具有優勢的。二是波束較窄。相對于微波而言，毫米波在同等天線下波束要窄的多，因此在距離較小的傳輸范圍內，其能夠更加精準地定位傳輸地點，保證傳輸信息細節的完整。三是安全性能高。由于毫米波在大氣中傳播受氧、水氣以及降雨的影響，吸收衰減很大，點對點的直通距離很短，超過這個距離信號就會變得十分微弱，這就增加了敵方進行竊聽和干擾的難度。另外毫米波的波束很窄且副瓣低，這又進一步降低了其被截獲的概率[3]。四是指向性能強。因為毫米波容易被大氣分子以及各種大顆粒分子吸收，所以其傳輸范圍較小，但是在小傳播范圍內很難受到干擾，傳播精準程度高，因此指向性能強，定位更加準確。

2.2 5G毫米波技術的劣勢及解決措施

影響5G毫米波傳播的主要因素是環境，包括了大氣因素、溫度因素及降水因素等。在這幾種因素的影響之下，其遠距離傳輸能力較差，穿透性也并不突出，具體劣勢主要體現在以下幾個方面。

一是傳輸距離短。其在遠距離發射時，能量發散非常快，容易受到大氣分子以及水分子的干擾，衰弱速度快，因此很難實現遠距離傳輸。二是穿透性較差。在阻礙物眾多的城市地區，其很容易被建筑及人體所反射或者阻礙。三是衰弱速度快。因為其受制于各類分子的吸收，在傳輸過程中會發生較快的衰弱，造成其無法完整地完成信息傳輸，從而導致其很難實現大規模的商業應用。但是如果能夠提供足夠的鏈路預算，就不會因其存在的劣勢而導致傳輸中斷。運營商在進行布局和規劃時，應當依據不同地區的環境因素來預測可能影響毫米波傳輸路線的要素，確定毫米波的最大傳輸距離，具體包括以下幾個方面。

首先充分利用墻體或者反射裝置的反射作用，即利用非視距鏈路代替視距鏈路，需要注意的是此種方式雖然能夠有效降低毫米波的衰減，但是其功耗非常大，效率也比較低，不適宜在城市地區應用。其次采用空間分集技術，在毫米波的賦形過程中能夠沿著多個路徑發射多個波束，從而來降低衰減程度，提高傳輸的有效性，但是此種方法將會提高毫米波賦形的復雜程度，對此可以引入更加高級的算法，及時發現并將其切換至主導波束路徑之上。最后利用中繼節點來實現持續性的連接，可以在毫米波的傳輸路徑之上布置更多的中繼節點，形成更加多樣化的結構，當某個節點被建筑物所阻擋時，仍然能夠選擇其他有效節點來實現迂回連接，確保毫米波能夠連續的傳播。

3 5G毫米波技術在移動通信系統中的應用分析

3.1 場景應用

3.1.1 毫米波小基站場景

根據目前各個運營商對于毫米波應用的具體部署而言，在毫米波技術成熟之前，應該會采用4G與5G協同應用的方式來完成目標建網，并且在5G方面仍然會采用Sub 6 GHz頻段。隨著更多的設備以及行業連接入5G網絡，組網的密度和規模將會不斷增加，應用毫米波技術將成為移動通信系統發展的重要支點。受限于毫米波的劣勢，未來在毫米波技術的應用方面需要采用小基站、大數量的方式來完成場景建設。

3.1.2 毫米波基站回傳

5G毫米波技術相比較于傳統技術而言，能夠更好地滿足基站回傳的指標要求。目前，很多基站回傳會采用傳統的有線傳輸方式，隨著有線鋪設成本和難度的增加，基站的無線回傳將會成為必然。

利用毫米波技術能夠發揮出其帶寬大以及速度快的優勢，同時毫米波的波長短、頻率高，因此在同等面積范圍內可以放置更多的天線陣列，波束的能力也更加集中，能夠更好地滿足基站無線回傳的要求，避免基站有線回傳的各種缺點。

3.1.3 毫米波垂直行業專網

5G毫米波技術能夠與低頻段的系統相互結合，實現聯合組網，同時具有高速率以及穩定性的特點，并且也可以將特殊頻點進行單獨的規劃，針對特殊用戶，提供專門的服務。另外，隨著人工智能等技術的不斷發展，5G毫米波技術也能夠實現一加一大于二的效果，更好地釋放技術優勢，為通信行業提供更加高效率的解決辦法，滿足行業內部的更多需要。

3.2 5G毫米波超密集異構網絡應用分析

根據5G毫米波技術的特點，在移動通信系統中應用5G毫米波技術，未來相應的基站數量將會進一步增加，功能性也會逐漸增強。而當下4G與5G的聯合組網方案將會持續相當長的一段時間，在多種技術疊加的異構網之上引入超密集組網方案能夠針對密集小區實現立體覆蓋的技術部署，進一步提升5G網絡性能。綜上所述，5G毫米波技術的超密集異構網絡將是未來移動通信網絡的重要發展方向，其具體的特點如下。

一是超密集重疊覆蓋。低頻高功率需求的小區能夠提供更大范圍的覆蓋，而在毫米波低功率的小區則能夠有效地滿足峰值時點的容量要求，多個小區的覆蓋面均能夠包含在宏小區的覆蓋面內。二是毫米波微小區能夠更加靈活地完成部署。根據不同的業務要求來進行點對點的覆蓋或者是線性覆蓋，對于微小區的接入或者關閉，均不影響宏小區的整體性拓撲。三是傳統的小區頻率仍然能夠適用于毫米波微小區中，利用合理的頻率隔離能夠進一步減小微小區之間的干擾。四是與傳統移動通信網絡相對比，當用戶的終端到達宏小區邊緣時，還可以獲得微小區所提供的高速數據傳輸。

除上述優點之外，超密集異構網仍然存在相應的問題。一是頻繁干擾。因為毫米波技術要求部署更加密集的小基站，從而將會導致大功率宏基站發生重復覆蓋，相互之間將會產生較大的干擾，這主要體現在低功率基站同層之間以及宏基站與低功率基站之間的干擾[4]。對此而言，目前已經出現了很多有效的抗干擾技術，能夠有效地避免干擾問題，如小區邊緣擴展技術以及協調技術等。各類抗干擾技術不斷創新與發展，干擾問題也逐漸破解。二是切換頻繁。對于超密集異構網絡這一缺點，可以通過采用虛擬化的方式來予以解決。宏基站小區可以作為虛擬層承載廣播和巡護等服務實現更加高效的管理，而微基站小區則作為實體層來承載數據傳輸等服務[5]。虛擬層的方案能夠以用戶的需求為基礎，突破各類小區之間的限制，更好地實現無線接入。同時能夠隨著用戶的移動進行快速更換，確保虛擬層和終端之間始終有著較小的連接距離，讓用戶能夠在密集部署區域獲得穩定的數據傳輸，不會因為移動而影響用戶的體驗。

4 結 論

隨著更多新興技術的出現，5G技術必須與時俱進，5G毫米波技術應發揮技術優勢。將其與移動通信系統相結合，釋放更多的科技創新活力，幫助不同產業實現技術升級，推動產業變革。