5G毫米波通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

隨著中國(guó)5G運(yùn)營(yíng)牌照的發(fā)放,人們能夠享受到極速無(wú)線移動(dòng)通信的日子即將到來(lái)。第五代無(wú)線通信系統(tǒng)具有的高速率、低延時(shí)和大容量三個(gè)特性,足以在社會(huì)掀起一場(chǎng)新的信息科技革命。5G無(wú)線移動(dòng)通信的主要特色在于能夠?qū)崿F(xiàn)物或者機(jī)器間的連接,即萬(wàn)物互聯(lián)。但是5G無(wú)線通信系統(tǒng)的建設(shè)并不會(huì)很快完成,目前主要還是為了滿足手持智能終端的功能擴(kuò)展,因?yàn)椴糠株P(guān)鍵技術(shù)還沒(méi)有成熟,需要繼續(xù)研究,比如5G毫米波通信技術(shù)。

毫米波一般是指波長(zhǎng)1 ms至10 ms、頻率30 GHz至300 GHz的電磁波,由于其頻率高、波長(zhǎng)短,毫米波具有如下特點(diǎn):頻譜寬,配合各種多址復(fù)用技術(shù)的使用可以極大提升信道容量,適用于高速多媒體傳輸業(yè)務(wù);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(wěn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信;波長(zhǎng)極短,所需的天線尺寸很小,易于在較小的空間內(nèi)集成大規(guī)模天線陣。正因?yàn)楹撩撞ň哂猩鲜鰞?yōu)點(diǎn),可以構(gòu)建高達(dá)800 MHz的超大帶寬通信系統(tǒng),通信速率高達(dá)10 Gbit/s,可以滿足ITU對(duì)于5G通信系統(tǒng)的要求。

雖然運(yùn)營(yíng)商和行業(yè)已經(jīng)開始從系統(tǒng)應(yīng)用角度考慮5G毫米波部署和應(yīng)用問(wèn)題,但是5G毫米波移動(dòng)通信系統(tǒng)的落地應(yīng)用還有很多問(wèn)題有待解決和進(jìn)一步完善。5G毫米波通信關(guān)鍵技術(shù)主要包括:

1、大規(guī)模天線和波束賦形技術(shù)

大規(guī)模天線技術(shù)(Massive MIMO)和波束賦形技術(shù)是毫米波系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)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(shí)際場(chǎng)景部署中,可借助多通道和多天線的收發(fā)增強(qiáng)對(duì)基站上下行覆蓋進(jìn)行增強(qiáng),針對(duì)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(shù)

毫米波通信系統(tǒng)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(nèi)容:波束掃描、波束測(cè)量、波束上報(bào)、波束指示和波束失敗恢復(fù)。

3、傳播特性和穿透損耗機(jī)理

自由空間損耗與載波頻率成正相關(guān)。假設(shè) f 1 與f 2 分別代表高低頻載波,則可計(jì)算高頻點(diǎn)相對(duì)于3.5 GHz頻點(diǎn)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(guò)程中,容易受到降雨、樹叢遮擋以及其他遮擋物對(duì)電波的遮擋和吸收等影響,相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)不同遮擋物、不同情況的毫米波穿透損耗進(jìn)行測(cè)試,結(jié)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(duì)毫米波影響很大,毫米波速率有較大下降。通過(guò)理論分析和實(shí)際測(cè)試,毫米波穿透損耗較6 GHz以下頻段更高。

圖 2 雨衰對(duì)電磁波影響示意圖

4、大帶寬通信技術(shù)

5G毫米波的峰值速率與帶寬、幀結(jié)構(gòu)、支持的流數(shù)、調(diào)制階數(shù)等因素有關(guān)。與5G低頻類似,毫米波系統(tǒng)支持4流和8流的傳輸,以及64QAM和256QAM調(diào)制方式。幀結(jié)構(gòu)方面同樣繼承了5G低頻的靈活性,在帶寬方面毫米波系統(tǒng)具有極大的優(yōu)勢(shì),可支持400 M和800 M的帶寬,超大帶寬通信技術(shù)具有很大研究?jī)r(jià)值。

小結(jié)

未來(lái)人類發(fā)展需求會(huì)牽引5G 技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,而毫米波關(guān)鍵技術(shù)的突破和成熟運(yùn)用會(huì)進(jìn)一步加快5G廣泛應(yīng)用,值得期待。