基于5G 的毫米波技术应用探究

俞利光，陈高强，林晓君

（三维通信股份有限公司，杭州 310000）

0 引言

以前，毫米波通信，军事战场通信（以60 GHz 应用为例）和更广泛使用的商业WiFi 传输有几种实际应用。到目前为止，最新版本是802.11ad WiGig 标准，该标准使用大约2 GHz 的60 GHz 频带。带宽资源可以提供高达6.75b/s 的吞吐量，未来的新版本是802.11ay 和20Gb/s 的吞吐量。在频谱资源日趋紧张的情况下，毫米波频谱由于其巨大的带宽以及其波长较短更容易布置massive MIMO 天线阵列的优势成为了第五代移动通信技术的重点；但是，在5G 中，网络拓扑更加复杂，传输设备的要求也更高，这使得毫米波的使用更具挑战性。天线技术和RF 收发器电路是成功实现5G 毫米波应用的关键技术。

1 毫米波通信技术

毫米波具有较小的光束，高角度分辨率，良好的隐蔽性和强的抗干扰性。毫米波通信设备具有天线表面小巧，轻巧和紧凑的特点。

影响毫米波在大气中传播的主要成分是氧气和水蒸气。氧是直径为0.3 nm 的磁极化分子，水蒸气的水分子是直径为0.4 nm的淀粉分子，直径相似的极性分子与毫米波相互作用以产生电磁能的共振吸收。因此，由于雨，雪，雾，云等与水蒸气有关的大气吸收系数的影响以及与尘埃和烟雾等悬浮物相关的大气散射系数的影响，信号会因吸收和散射而降低，这受电介质极的影响。这种变化会影响传播路径，最后毫米波传输会进入衰减陷阱。实验表明，在整个毫米波波段，大气衰减主要由氧分子引起的60 GHz 和119 GHz 吸收线和由水蒸气引起的183 GHz 吸收线组成。除特殊用途外，应避免这三个衰减窗口。

关于相对衰减窗口，毫米波通信具有四个透明窗口，它们对大气传输的衰减相对较小，中心频率分别为35、94、140和220 GHz，相应波长为86。对应于32、21和14 mm 的大气透明窗口的可用带宽分别为16、23、26和70 GHz，其中可用带宽几乎可以容纳任何低频带，包括微波频带。您可以看到毫米波段中的可用频带有多宽。添加空间划分，时分，正交极化或其他复用技术可以轻松解决将5G 中的所有内容互连的多址访问问题。更重要的是，额外的带宽几乎是免费使用的5G 系统中的毫米波通信技术，不仅可以实现出色的通信容量，还可以降低运营商和通信用户的使用成本。

2 基于5G 的毫米波技术的应用分析

在5G 应用中，所有基站和用户设备（包括移动电话）都将采用多天线结构，因为在传播过程中，毫米波比微波具有更多的自由空间。由于地形和地形截止造成的传播损耗，大气吸收和降雨衰减以及传播损耗需要较高的天线增益来克服或补偿，但是较短的毫米波波长使天线更容易“电小”有助于缩小尺寸的特性。例如，对于阵列天线，谐振阵列元件的尺寸是一半波长（λ/2），并且天线阵列元件之间的距离（d）也是一半波长（λ/2）以避免光栅波瓣。与以波频率的微波频率工作相比，可以在更小的空间中安装更多的阵列元件。在图1中，综合数据可以看到，随着工作频率的增加，二维天线的尺寸显着减小。对于诸如手机等尺寸受限的用户设备，这提供了多天线操作的可能性。对于大型区域基站，可以形成大型天线阵列，并且可以使用许多三维空间来实现空分多址（接入）。多光束彰显了毫米波应用的巨大潜力。

图1 基站用阵列天线与用户设备阵列天线在不同工作频率下的比较

毫米波通信技术的许多功能非常符合人们对5G 移动通信系统的看法。毫米波带的底部与厘米波相邻，高端连接到红外线，具有厘米波的全天候应用和红外线的高分辨率特性。毫米波通信的最显着优势是其短波长和频带宽度，这是支持高性能超宽带通信系统的小型统一通信设备的技术基础。毫米波可以达到LTE带宽的数千倍，从而确保5G 系统中的超快速连接。毫米波通信设备体积小，重量轻，便于小型化，集成化和模块化设计，天线不仅可以实现高方向性和天线增益，而且特别适合于移动终端的设计理念。毫米波光通信的线性传播特性非常适合室内外移动通信，室外可以实现较高的稳定性，室内可以避免室内空间的干扰。

3 结束语

由于5G 系统中毫米波通信的可见距离传输特性以及高流量和高接入速度的基站的密集分布，因此只有城市光缆部署，土地征用和建设的实际困难才最适合5G 网络。大型基站和小型基站都是模式，大型基站和小型基站的组合模式可以改变现有的移动接入网，使得接入网的网络节点更加灵活，便捷，连接多样。尽管来自5G 系统的信号和数据是通过低载波频率和高载波频率分别传输的，优点是显而易见的。它将使物联网和车辆互联网中的人和人的通信变得更加容易和便捷，并且将在未来革命性地改变移动互联网的发展。