5G 毫米波技术与应用分析

姚娜

（山西传媒学院 山西省晋中市 030619）

在2019 年11 月WRC-19 为国际移动通讯定义了毫米波附加段，这对毫米波技术的发展起到了很大的促进作用。现在，世界上著名的电信公司都在为毫米波的应用做着准备。资料表明，截至2020 年11 月份，全球20 个国家的106 家运营商，已取得5G 毫米波业务牌照。此外，在全世界范围内，已经发行的95 款产品都明确地支持一个或多个超过24GHz 的5G 波段，其中46 个是商用的。国内方面，国家发改委在2017 年7 月通过了2 个毫米波段（24.75～27.5GHz,37～42.5GHz），可以在5G 实验室和室外进行测试。2019 年11 月，IMT-2020（5G）推进小组宣布，将在2019-2021 年的5G 毫米波测试中，将分为3 个阶段进行。

1 5G毫米波的关键技术

1.1 5GNR技术

据全球手机通讯学会估计，到2035 年，5G 毫米波将为全世界创造价值5650 亿美元。去年的新冠病毒对传统产业造成了很大的影响，但是也让各个行业意识到数字化的重要性，并将5G 技术推广到各个领域。

5G 在全球许多国家实现了商用。2019 年6 月，国家发改委向四大电信公司颁发了5G 牌照，5G 将在我国正式商用。第五代移动通信系统是以物联网为基础的，其主要应用领域包括：

（1）提高移动宽带，主要针对高清晰度、VR 等场景，使其具有Gbit/s 的传输速率；

（2）低延迟高可靠通讯，它适用于智能驾驶、工业设备等对通讯延迟和高可靠性要求的场合，这些应用程序具有延迟几毫秒，对数据可靠性有很高的要求；

（3）大规模的机器通讯。它可以支持一平方公里范围内的数百万个终端，从而使物联网应用成为可能。

由于目前Sub-6GHz 频段的频谱资源短缺，已经不能适应今后更大的带宽和容量要求，所以在5G 的实际部署中，不仅采用了Sub-6GHz 的低频带，而且还采用了更多的频源资源。在2019 年6 月，3GPP 全面冻结了5GNRRelease15（R15）的有关协议，其中规定了5GNR 物理层的主要参数见表1。

表1： 5GNR 物理层的基础参数

5G 频带分为两个主要波段，分别是Sub-6GHz 和Multi-Wave，也就是由3GPP 所定义的FR1、FR2。FR1 是Sub-6GHz 频带，它的频域范围从410 兆赫到6000 兆赫不等，它的最大特征是路径损失少、覆盖范围长。但是，由于所能使用的信号频带很低，适合于5G 信号覆盖，能够适应高速移动的情况。FR2 是一种波长范围为24250-52600 兆赫的毫米波段，它的主要特征是具有很大的带宽，但是它的路径损失很大。由于其覆盖范围较小，所以只能用于城市中的热点、室内等场合，以适应网络传输速率和峰值传输能力的要求。

2017 年7 月，国家发改委批复了5G 的5G 毫米波段，即24.75～27.5GHz，37～42.5GHz。2019 年12 月，世界无线电通信大会将24.25～27.5GHz、37～43.5GHz、66～71GHz 列为5G 国际毫米波段。

1.2 MIMO和波束成型技术

MIMO 技术采用多根天线进行发射、接收，各天线的偏振方向和空间方位的变化，从而提高了发射和接收的能力。图1 是MIMO 技术的基本原理，它利用了多径导致的随机衰落，使其在不需要额外的带宽的前提下，就可以得到比单个接收机更大的信道容量。通过增大接收和接收天线的数目，可以增大通道的容量，从而提高数据的传送速度，或提高通讯的可靠性。

图1： MIMO 技术原理图

MIMO 有两种类型：发送分集和空间多路传输。该分集采用多个天线，将接收到的信号中含有相同的信息，并通过分集的方式来抵抗信号的衰减。多路传输采用多个天线来传输不同的信息，从而提高了传输能力。

波束成型技术是一种具有代表性的多天线技术。波束成型是为了接收和接收某一特定方向的电磁波。就收发器来说，波束形成就是通过控制收发器每个天线单元的接收和接收信号的振幅或者相位来达到在不同方向上的叠加或者消除电磁波。从而使信号具有一定的方向性，在非方向上对信号进行抑制，从而提高了信号的方向。

波束成型技术是通过对电磁波的干扰作用来实现的。两种非常接近的电磁波相互干扰，在传输时会产生重叠。形成了增强点，并形成了相间分布的弱项。两种电磁波的峰值（或低频）相交时，其相位相等，并在重叠后振幅增加。当波峰与波谷相交时，两种电磁波的相位反转，并在重叠后振幅有所降低。在两个天线单元的中心位置，能量最大，叫做主瓣；在主瓣的两边，两根天线的电磁波互相抵消，形成了零陷；零陷外有两种不同的电磁辐射，但其能量比主瓣要小，故称之为副瓣。波束整形是利用对各天线发射的电磁波进行初相控制，改变重叠区域和零陷点的位置，使波束主瓣对准某一方向。见图2 所示。

图2： 射束成型工艺原理图

1.3 毫米波的特点及应用

当前多数手机系统工作在Sub-6GHz 波段，而6GHz 以下的频谱因多种通讯系统的持续使用而显得异常拥挤。30-300 千兆赫的电磁波具有毫米级的波长，因而称为毫米波。在实际应用中，一般将毫米波的频率限制在20GHz 以下。

它的传输性能是毫米波的一个突出特点。由于电磁波的传播损失与其频率成反比关系，因此毫米波的传播损失远远大于小于6GHz。损失愈大，则有效传送距离愈短。在开放的自由空间内，电磁波的传输损失L 可以用以下公式来表达：

L=32.45+201gf+201gd

在方程式中，f 是以MHz 表示的通讯频率，d 是以km表示的收发器之间的距离。由上面公式可知，在传送距离d是固定的情况下，随着信号频率f 的增加，信道损失L 增加。在同样的距离上，26GHz 的毫米波信号的路径损失要高于3.5GHz 的信号17.4dB。

另外，毫米波在大气中传播时，很容易被不同的气体所吸收，造成了很大的衰减。不同频率的毫米波在大气中的衰减也是有差别的，例如，毫米波在30 千兆赫、90 千兆赫、140 兆赫、210GHz 等波段的毫米波损耗比较低，通常使用在点对点通讯中，而在61、118、185GHz 等频段，毫米波衰减比较大，通常是在一些比较隐秘的通讯系统中使用。

除去因大气造成的损耗，与低频区域相比，降水、降雪、冰雹等极端气候对毫米波信号的损耗也是巨大的。

大气中的固体微粒对毫米波信号的损失很少，但是毫米波的短波很难被反射或绕射。如果碰到目标，就会被挡住，需要根据距离进行传送。毫米波不仅能被物体挡住，还能被人挡住。毫米波会被人用手挡住，大部分固态物质都是毫米波无法穿透的。

毫米波的另外一个特点是它的波束更小。在天线数目固定的情况下，光束的宽度和波长呈比例关系。毫米波的波长比低的频率要短，所以它的波束也就比较狭窄。窄波束能够使应用程序更加精确地追踪和定位。

因此，毫米波段的频谱资源要比Sub-6GHz 丰富得多，在毫米波段建设5G 移动通讯系统，可以有效地解决Sub-6GHz 频段的带宽不足，提高通信速度，提高系统容量。毫米波的波长仅为几毫米，所以毫米波阵列的尺寸可以达到毫米级。通过用户终端进行毫米波通讯，不但可以获得较大的频段，而且可以在狭窄的用户终端中安装16 个以上的天线。再加上波束成型技术，可以有效地解决毫米波覆盖面积较小的缺陷，极大地提高了无线通信距离，提高了5G 系统的整体容量。

2 5G毫米波通讯的优点和面临的挑战

2.1 5G毫米波通讯的优点

相对于中低频段，毫米波带宽、频段高，5G 毫米波通信有以下优点：

2.1.1 可以显著地提高系统的峰值吞吐量

图3： 5G 毫米波的用户峰值速率

毫米波段的频谱资源非常丰富，可以在很大程度上进行系统的部署。目前国内主要的基站厂商都能在毫米波段采用载波聚合（4 个200 兆赫或8 个100 兆赫）来达到总带宽800MHz。在此基础上，采用了先进的数据处理技术，5G 毫米波通信系统可以轻易地达到Gbit/s 的传输速率。在2020年8 月末，北京怀柔实验基地IMT-2020 毫米波测试中，采用全频带800MHz 的毫米波基地台和以商业晶片为基础的终端，成功地达到了4Gbit/s 的超高峰值速度。

2.1.2 极大地减少了系统的窗口延迟

目前，我国3.5GNR 系统的主要子载波间距为30kHz，相应的时隙长度为0.5ms。而5G 毫米波系统的子载波段可以设定为60KHz 或120KHz，相应于0.25ms 或0.125ms。5G 通讯网络中一般都是以时隙为单位进行数据调度的，因此可以预期5GMWS 的窗口时延会大大减少，从而满足工业互联网、实时交互传输等服务中的延迟要求。

2.1.3 使系统的装置更易于实现轻量化和微型化

5G 毫米波段高，波长短，在物理空间相同的情况下，可以容纳更多的天线，这就使得毫米波器件的设计和部署具有一定的优越性。利用波束赋形技术，可以将信号的能量聚焦到一个较窄的方向，从而增强了毫米波束的空间分辨率。这种方法可以有效地解决毫米波传播损耗大、绕射性能差等缺点，提高了毫米波通信距离，同时还能有效地减少邻近波束和邻近蜂窝的干扰。加大毫米波装置的部署力度，最终也有助于提高定位精度。

2.2 5G毫米波通讯面临的挑战

5G 的毫米波有很大的优势，但还需要更大的发展空间。但仍有许多挑战：

2.2.1 毫米波的覆盖范围比较有限

5G 的毫米波段很高，在无线传输过程中，由于信道损失较大，信号穿透能力和绕射衍射能力较差，因此覆盖范围受到限制。比如28GHz 的载波叶面积衰减达到17dB，比3GHz 的8.8dB 要高得多。当前5G 毫米波的衰减和阻隔问题主要采用波束赋形技术，即通过对各天线阵子的权重进行调节，从而实现对某一特定目标的波束，并利用天线阵的增益来扩展其覆盖范围。基于IAB 组网架构，采用5G 毫米波作为LOS 场景的无线回传链路，结合多跳技术和网络拓扑自适应技术，实现了LOS 场景的无线回传链路。5G 毫米波网络的弹性扩展。此外，在SmallCell 方案中，可以增加5GMulCell 基站的覆盖效应。

2.2.2 毫米波的移动性管理更为复杂

由于5G 毫米波传输特性的不利影响，使得每个毫米波蜂窝的覆盖范围比中低波段蜂窝要小，因此，在移动过程中，终端要面对更严重的开关和数据中断。在这种情况下，3GPP 采用了从宽到窄的分层扫描方式，使其能够根据使用者的位置进行最佳的光束转换；同时，还给出了一种灵活、有效的切换方案，该方案不仅支持在基地台内部切换，也支持基于高层信令和基于底层指令的切换；在波束追踪失败的情况下，采用了不需要核心网络的波束恢复机制，它包含了检测失败、新发现、恢复和恢复要求四个步骤；此外，该方案还支持多路传输技术，使一台手机可以与多台传输节点进行通信，提高了网络的健壮性。

2.2.3 中、低频和毫米波并存

作为5G 通信系统的两大频段，MW-FR1 中低频部分的共存要求我们提出一种可以将其优势结合起来的高、低频混组网络方案，以及对应的负载分担方案、互操作机制。当前，双连接、载波聚合是当前的主流技术选择。二者各有利弊，相对来说，采用双连接模式的终端设备更容易实现。而采用载波聚集的方法，其效率要高得多。此外，载波聚集模式对通信系统的同步性有很大的影响，特别是在低、低频率非共站情况下，站间不同步会使载波聚合性能进一步降低。在今后的发展中，NR 高频和NR 低频的双连接、NR 高频和NR低频的载波聚合等问题将会越来越多。

图4： TDD 和FDD 两种双工方式典型架构图

2.2.4 对毫米波空口资源的需求多元化5G 毫米波采用了与Sub-6G 差不多的3GPP 空口标准，因此不能很好地适应未来的毫米波服务需要。比如AR/VR沉浸服务、8K 超高清视频业务等，主要是下行业务，视频监控业务、远程手术业务等都是上行业务，还有一些业务对上下行业务的需求比较均衡。5G 毫米波通信需要根据实际情况和业务需求，灵活地调整空口资源，以充分发挥其大带宽的优点。

3 5G毫米波技术的应用前景

动态时分双工（Time Division Duplexing, TDD）技术在应用上的优越性是毋庸置疑的，但是在诸如异构网络部署、高覆盖计划等方面。和超高可靠超低延迟通信（URLLC）等应用场合，动态TDD 系统仍存在着难以避免的困难和挑战。

在频分双工(frequency division duplexing, FDD)系统中，每个射频前端都由一个带通滤波器或一个双工器来防止由其它移动装置所生成的强烈信号干扰。在 FDD 系统中，为了达到通讯目的，必须有两台收发器同时经过一个基站。FDD模式还存在一些问题，比如，由于隔离程度的限制（一般为50 dB)，强传输信号会泄露到接收信道，从而干扰接收信号；其次，由于射频前端的插入损耗和质量因素的影响，使得双工元件的插入损失要比 TDD 系统中的 RF 要大得多，通常3 dB 的损失会直接导致整个设备的噪音系数下降3 dB，而在发送器后级，这样的损失仅能被天线接收到；另外， FDD系统中的一个重要问题就是在功率放大器开关时或本振驱动模块的瞬时出现的邻路干扰。FDD 虽然存在诸多缺点，但在目前的无线射频系统（例如蜂窝）中得到了广泛的应用，主要原因在于，相比 TDD 而言， FDD 的无线收发方案相对于 TDD 而言更为简单，并且对终端与基站的同步需求也更为宽松，而且 FDD 所面对的系统间干扰问题远不如 TDD，而且更容易进行干扰控制。

异构网络是一种能弥补容量缺口、提高资源利用率的有效方法，其特征之一是具有不同功率方式和不同覆盖面的通信业务结点，而功率混合处理是研究的一个难点，它会增大基站间发生强烈的干扰。这对异构网络中的低功耗节点造成了很大的负面影响。

密集覆盖是一种提高网络容量的有效方法，它可以通过减少网络覆盖面积和增加网络服务网络的数目来增大网络的访问能力。基站与UE 之间的功率差别趋向模糊，其交叉时隙干扰的程度与同向链路的干扰程度基本相同。目前已有的研究表明，在密集部署情况下，采用动态TDD 技术仍可获得较好的性能提升，但其运算复杂性还有待于进一步的研究。

URLLC 是5G-NR 中的又一关键技术，其目的在于提供更高的延迟和更高的可靠性。虽然动态TDD 技术能够提供业务流的适应性，但是这不是URLLC 的首要要求。在URLLC 方案中，由于TDD 系统中的瞬时干扰和双工开关的存在，使得TDD 的动态性能得到了极大地改善。

总体上，TDD 技术可以赋予许多不同的应用场合，但是，交叉时隙干扰依然是一个比较棘手和亟待解决的问题。