5G关键技术之毫米波技术
6 一月, 2021 作者
5G关键技术之毫米波技术
sunny@rfew.cn

毫米波产生的背景

在频谱资源越来越紧缺的情况下,开发利用使用在卫星和雷达军用系统上的毫米波频谱资源成为了第五代移动通信技术的重点,因毫米波段拥有巨大的频谱资源开发空间所以成为 Massive MIMO 通信系统的首要选择。毫米波的波长较短,在 Massive MIMO 系统中可以在系统基站端实现大规模天线阵列的设计,从而使毫米波应用结合在波束成形技术上,这样可以有效的提升天线增益,但也是由于毫米波的波长较短,所以在毫米波通信中,传输信号以毫米波为载体时容易受到外界噪声等因素的干扰和不同程度的衰减。

毫米波的定义及频段

毫米波,波长在1到10毫米之间的电磁波,通常对应于30GHz至300GHz之间的无线电频谱。

然而,在无线通信的背景下,该术语通常对应于38、60以及94GHz附近的几个频带,并且美国联邦通信委员会早在2015年就已经率先规划了28 GHz、37 GHz、39 Ghz 和 64-71 Ghz四个频段为美国5G毫米波推荐频段,其中28GHz频段即将在今年11月正式开启拍卖。这四个频带之所以能脱颖而出,有许多原因。

首先,这四个频带适合长距离通讯,不像60GHz必须承受约20dB/km的氧气吸收损耗,信号损耗较大(大气传播损失通常以每公里传播的分贝(dB)损失来进行定义)。这些频率也能在多路径环境中顺利运作,并且能用于非可视距离(NLoS)通讯。透过高定向天线搭配波束成形与波束追踪功能,毫米波便能提供稳定且高度安全的连结。

毫米波的优势

毫米波由于其频率高、波长短,具有如下特点:

频谱宽,配合各种多址复用技术的使用可以极大提升信道容量,适用于高速多媒体传输业务;可靠性高,较高的频率使其受干扰很少,能较好抵抗雨水天气的影响,提供稳定的传输信道;方向性好,毫米波受空气中各种悬浮颗粒物的吸收较大,使得传输波束较窄,增大了窃听难度,适合短距离点对点通信;波长极短,所需的天线尺寸很小,易于在较小的空间内集成大规模天线阵。也正是上述的特点,使得毫米波在自由空间中传播时具有很大的路径损耗,而且反射之后的能量急剧衰减,导致毫米波通信主要是视距传播和少量的一次反射的非视距传播,导致其稀疏的信道特性。

毫米波的缺点

除了优点之外,毫米波也有一个主要缺点,那就是不容易穿过建筑物或者障碍物,并且可以被叶子和雨水吸收。这也是为什么5G网络将会采用小基站的方式来加强传统的蜂窝塔。毫米波通信系统中,信号的空间选择性和分散性被毫米波高自由空间损耗和弱反射能力所限制,又由于配置了大规模天线阵,很难保证各天线之间的独立性,因此,在毫米波系统中天线的数量要远远高于传播路径的数量,所以传统的 MIMO 系统中独立同分布的瑞利衰落信道模型不再适用于描述毫米波信道特性。已经有大量的文献研究小尺度衰落的场景,在实际通信过程中,多径传播效应造成的多径散射簇现象和时间扩散和角度扩散之间的关系也应当被综合考虑。

面向5G的毫米波网络构架

建成5G后,5G网络强大的数据传输能力,极强的稳定性以及大范围的覆盖率给大数据时代带来了很多的好处,在部分建设好的地区可以时用户体验到10M/S 及以上的传输速率,通过网络给社会发展与人们提供保障。有关事实表明,对于LTE 覆盖范围不大的这一个问题,通过5G 可以进行大范围覆盖,处理该问题。可是因为5G 建设初步阶段需挑选合适的地址,建设对应的基础设施,同时在后期保养成本高,因而,在当前还在进行理论试验,没有真正投入使用。因此,5G 英超向着小型与集成化的趋势发展。基于此,可将基础机构建设为美观的形式,给没有环境提供助力。按照建设的实际情况进行设计,进行科学部署,这样就可以节省经济。

在通信层面,数据与信令能够起到不一样的作用。数据经过专门通道由一个终端传输到另外的一个终端。信令需在网络中经过各种传输,同时在传输时可能需要通过处理才可起到最大作用。在通讯系统里面,信令与数据具备各自不一样的传输渠道,建成系统后,LTE可以运输不一样的信令。在5G 系统内的设计将数据与信令分离的传输形式,可以处理好在LTE 内信令占据过多资源的情况,进而提升传输的效率。

总结

在现代化社会中,经济的持续发展带动了5G 技术的持续发展,毫米波技术在未来发展过程中也一定会变成主要的工具。可是,现如今,因为毫米波传播的范畴有限,无法进行远距离的传输,伴随科学技术的进步,该问题也可以有效解决,进而给5G 的到来奠定基础。毫米波具备一定的稳定性,能够给5G 技术研究提供参照,整体而言,要使5G技术更加成熟,就需要通过毫米波技术,与创新科学技术,研制出新型的技术在5G 中使用。