5G通信技术下的毫米波频谱与毫米波技术

2020-02-13 14:46:01 7

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在移动通信发展的30年间,毫米波一直都是一片未经开垦的蛮荒之地,诸如高通、爱立信、华为、中兴等通信巨头的实验室都对它持续地研究,现如今毫米波在生活中的应用已越来越多,例如毫米波雷达技术、5G技术中均有毫米波的身影。本文中,将为大家介绍毫米波频谱的划分以及毫米波终端技术测试方案的分析,以帮助大家对毫米波具备进一步认识。


1、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。


2、毫米波简介

毫米波 (millimeter wave ):波长为1~10毫米的电磁波称毫米波,对应频率为30~300GHz,它位于微波与远红外波相交叠的波长范围,因而兼有两种波谱的特点。


毫米波的优势:

1)极宽的带宽。通常认为毫米波频率范围为26.5~300GHz,带宽高达273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收,在大气中传播时只能使用四个主要窗口,但这四个窗口的总带宽也可达135GHz,为微波以下各波段带宽之和的5倍。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, 这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。

2)波束窄。在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个 12cm的天线,在9.4GHz时波束宽度为18度,而94GHz时波束宽度仅1.8度。因此可以分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节。

3)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;与激光相比,毫米波的传播受气候的影响要小得多,可以认为具有全天候特性。

4)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;

5)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。和微波相比,毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小型化。


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。

同时以技术来看,毫米波曾经的技术“缺陷”现如今也能成为优势。

要知道频段越高,对于接收天线的尺寸要求就会越低。这意味对于支持毫米波的终端而言,机身内部的接收天线可以做得比以往更小,而对于没有尺寸限制的终端,也可以在原先的技术上容纳更多的高频段天线,从而获得更好的接受效果。更为重要的是,毫米波本身由于传播距离比6GHz以下频率更短,因此在整个传播路径下,它的定向性将会更具优势,这使得毫米波信号间受到干扰的可能性将会变得更小,传播的精度有所提高。另外,窄波束本身由于传播距离短,它被远距离截获的可能性将变得更低,在通讯安全方面,也有着无可比拟的优势。

当然严格来说,所谓的毫米波(mmWave)更确切的是指EHF频段,它是频率范围横跨30GHz至300GHz的电磁波,如果从波长来定义,30GHz的电磁波波长为10毫米,而300GHz的电磁波波长则仅为1毫米。但根据FR2频段的播放来计算,24.25GHz的波长已经超过10毫米,虽然我们将它称作毫米波,但许多人认为它更应该划入厘米波的范畴。不过由于世界并没有组织对毫米波下达过明确的定义,因此从广义认同的界限来看,FR2频段算作毫米波也无伤大雅。


3、毫米波频谱划分


2015年,ITU-R WP5D发布了IMT.ABOVE 6GHz的研究报告,详细研究了不同频段无线电波的衰减特性。在同年的世界无线电通信大会(WRC-15)上提出了多个5G候选的毫米波频段,最终5G毫米波频谱的确定将在WRC-19上的完成。

在全球范围内,5G部署的频段有且只有两种,一种是sub-6GHz,指的是6GHz以下的频段,一种是毫米波。经过多年的研究和讨论,各国各地区对毫米波频谱资源的划分都有所进展,以下将着重介绍中国、美国及欧洲在毫米波频段划分上的近况。

中国:2017年6月,工信部面向社会广泛征集24.75-27.5 GHz、37-42.5 GHz或其他毫米波频段用于5G系统的意见,并将毫米波频段纳入5G试验的范围,意在推动5G毫米波的研究及毫米波产品的研发试验。

美国:早在2014年,FCC(美国联邦通讯委员会)就开启了5G毫米波频段的分配工作,2016年7月,确定将27.5-28.35 GHz、37-38.6 GHz、38.6-40 GHz作为授权频谱分配给5G,另外还为5G分配了64-71 GHz作为未授权频谱。

欧洲:2016年11月,RSPG(欧盟委员会无线频谱政策组)发布了欧盟5G频谱战略,确定将24.25-27.5 GHz作为欧洲5G 的先行频段,31.8-33.4 GHz 、40.5-43.5 GHz作为5G潜在频段。


4、毫米波终端技术实现

毫米波频段频率高、带宽大等特点将对未来5G终端的实现带来诸多挑战,毫米波对终端的影响主要在于天线及射频前端器件。


4.1 终端侧大规模天线阵列

由于天线尺寸的限制,在低频段大规模天线阵列只能在基站侧使用。但随着频率的上升,在毫米波段,单个天线的尺寸可缩短至毫米级别,在终端侧布置更多的天线成为可能。如下图1所示,目前大多数LTE终端只部署了两根天线,但未来5G毫米波终端的天线数可达到16根甚至更多,所有的天线将集成为一个毫米波天线模块。由于毫米波的自由空间路损更大,气衰、雨衰等特性都不如低频段,毫米波的覆盖将受到严重的影响。终端侧使用大规模天线阵列可获得更多的分集增益,提高毫米波终端的接收和发射性能,能够在一定程度弥补毫米波覆盖不足的缺点,终端侧大规模天线阵列将会是毫米波得以商用的关键因素之一。终端部署更多的天线意味着终端设计难度的上升,与基站侧部署大规模天线阵列不同,终端侧的大规模天线阵列受终端尺寸、终端功耗的制约,其实现难度将大大增加,目前只能在固定终端上实现大规模天线阵列的布置。移动终端的大规模天线阵列设计面临诸多挑战,包括天线阵列校准,天线单元间的相互耦合以及功耗控制等。

4.2 毫米波射频前端器件射频前端器件包括了功率放大器、开关、滤波器、双工器、低噪声放大器等,其中功率放大器是最为核心的器件,其性能直接决定了终端的通信距离、信号质量及待机时间。目前制造支持低频段的射频前端器件的材料多为砷化镓、CMOS和硅锗。但由于毫米波段与低频段差异较大,低频射频前端器件的制造材料在物理特性上将很难满足毫米波射频前端器件的要求。以功率放大器为例,目前主流的功率放大器制造材料为砷化镓,但在毫米波频段,氮化镓及InP的制造工艺在性能指标上均要强于砷化镓。另外,毫米波频段大带宽的特点对射频前端器件的提出了更高的要求,未来毫米波终端的射频前端器件将可能需支持1GHz以上的连续带宽。

虽然氮化镓被认为是未来毫米波终端射频的主流制造工艺,但由于成本、产能等因素,基于氮化镓工艺的高性能射频前端器件多用于军工和基站等特殊场景。毫米波射频前端技术的发展将会成为毫米波终端实现的关键,预计到2020年之后,毫米波移动终端射频器件的技术和成本才可能达到大规模商用的要求。


5、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。


6、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,或许在不久的将来,毫米波将成为5G乃至6G的常用频段。

我们相信,5G技术正像这个时代的蒸汽机,它将再一次推动全人类全产业的进步,无论是工业领域还是普通人的生活,都将因此而改变。在频谱资源进一步被压榨的当下,毫米波技术最终也将登上历史舞台,承担起提供更优质网络的重任。


本文来源:今日光电