5G毫米波通信技術的關鍵技術

隨著中國5G運營牌照的發放,人們能夠享受到極速無線移動通信的日子即將到來。第五代無線通信系統具有的高速率、低延時和大容量三個特性,足以在社會掀起一場新的信息科技革命。5G無線移動通信的主要特色在于能夠實現物或者機器間的連接,即萬物互聯。但是5G無線通信系統的建設并不會很快完成,目前主要還是為了滿足手持智能終端的功能擴展,因為部分關鍵技術還沒有成熟,需要繼續研究,比如5G毫米波通信技術。

毫米波一般是指波長1 ms至10 ms、頻率30 GHz至300 GHz的電磁波,由于其頻率高、波長短,毫米波具有如下特點:頻譜寬,配合各種多址復用技術的使用可以極大提升信道容量,適用于高速多媒體傳輸業務;可靠性高,較高的頻率使其受干擾很少,能較好抵抗雨水天氣的影響,提供穩定的傳輸信道;方向性好,毫米波受空氣中各種懸浮顆粒物的吸收較大,使得傳輸波束較窄,增大了竊聽難度,適合短距離點對點通信;波長極短,所需的天線尺寸很小,易于在較小的空間內集成大規模天線陣。正因為毫米波具有上述優點,可以構建高達800 MHz的超大帶寬通信系統,通信速率高達10 Gbit/s,可以滿足ITU對于5G通信系統的要求。

雖然運營商和行業已經開始從系統應用角度考慮5G毫米波部署和應用問題,但是5G毫米波移動通信系統的落地應用還有很多問題有待解決和進一步完善。5G毫米波通信關鍵技術主要包括:

1、大規模天線和波束賦形技術

大規模天線技術(Massive MIMO)和波束賦形技術是毫米波系統的關鍵技術之一,Massive MIMO可以形成更窄波束,波束賦形則可以降低干擾提升信噪比。在實際場景部署中,可借助多通道和多天線的收發增強對基站上下行覆蓋進行增強,針對高低層建筑以及線狀路面提供差異化的覆蓋方案,如圖1所示。

圖1 Massive MIMO提供差異化覆蓋示意圖

2、波束管理技術

毫米波通信系統中,波束管理功能即指管理波束賦形后形成的窄波束,主要包括以下幾方面內容:波束掃描、波束測量、波束上報、波束指示和波束失敗恢復。

3、傳播特性和穿透損耗機理

自由空間損耗與載波頻率成正相關。假設 f 1 與f 2 分別代表高低頻載波,則可計算高頻點相對于3.5 GHz頻點的路損差值為20×lg(f 1 /f 2 ),那么26 GHz載波比3.5 GHz載波路損高20×lg(26/3.5)≈17.42 dB,即后者是前者理論傳播距離的10^(17.42/22)≈6.19倍。

在毫米波傳播過程中,容易受到降雨、樹叢遮擋以及其他遮擋物對電波的遮擋和吸收等影響,相關機構對不同遮擋物、不同情況的毫米波穿透損耗進行測試,結果表明毫米波基本不具備穿透混凝土承重墻的能力。另外,降雨對毫米波影響很大,毫米波速率有較大下降。通過理論分析和實際測試,毫米波穿透損耗較6 GHz以下頻段更高。

圖 2 雨衰對電磁波影響示意圖

4、大帶寬通信技術

5G毫米波的峰值速率與帶寬、幀結構、支持的流數、調制階數等因素有關。與5G低頻類似,毫米波系統支持4流和8流的傳輸,以及64QAM和256QAM調制方式。幀結構方面同樣繼承了5G低頻的靈活性,在帶寬方面毫米波系統具有極大的優勢,可支持400 M和800 M的帶寬,超大帶寬通信技術具有很大研究價值。

小結

未來人類發展需求會牽引5G 技術的持續發展,而毫米波關鍵技術的突破和成熟運用會進一步加快5G廣泛應用,值得期待。