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2016/06/DTPT——————————收稿日期：2016-04-01面向5G的毫米波技术应用研究关键词：5G；毫米波；大带宽；窄波束；网络架构doi：10.16463/j.cnki.issn1007-3043.2016.06.007中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1007-3043（2016）06-0030-05摘要：5G时代是一个万物互联的高速网络时代，既可以承载终端海量接入率，也可以传输网络的高数据率。毫米波通信技术的最大特点是波长极短和带宽极大，优点是波束窄、方向性好、天线增益高，缺点是视距传播。当这些优缺点应用到5G网络中时，恰好可以解决5G网络的许多现实需求。首先介绍了微波、毫米波和5G系统，然后详细地介绍了毫米通信技术。在参考LTE网络结构的前提下，又着重分析了面向5G的一种毫米波网络架构，讨论了面向5G的毫米波天线技术。Abstract：The5Geraisahigh-speednetworkeraoftheinterconnectionofallthings，itcanloadthemanyterminalsaccessandhighda-tatransfersrate.Thebiggestcharacteristicsofmillimeterwavetechniqueareextremely-shortwavelengthandextremely-broadbandwidth.Itsmeritsarenarrowwavebeam，gooddirectivityandhighantennagain，theweaknessispropogationonrangeofvisibility.Whenthesemeritsandweaknessareappliedtothe5G，itcanjustsolvemanyneedsof5Gnetworks.Itfirstlyintroducesmicrowave，millimeterwaveand5Gsystem，anddescribesmillimeterwavecommunicationindetail.BasedonthereferenceofLTEnetworkarchitecture，itanalyzesmillimeterwavenetworkarchitecturefor5G，discussesmillimeterwaveantennatechniquefor5G.Keywords：5G；Millimeterwave；Broadbandwidth；Narrowwavebeam；Networkarchitecture毫米波通信属于微波通信，波长范围是1~10mm，频率范围是30~300GHz，属于微波通信波长分段中极高频段的前段，后段波长为0.1~1mm，频率为300GHz到3THz的亚毫米波通信。显然，毫米波通信更接近光通信，与光通信属性基本相同，即频率高、波长短，以直射方式传播，同时波束窄，具有良好的方向性，遇到阻挡就被反射或被阻断等光通信特点。毫米波受大气吸收和降雨衰落影响较大，通信距离严重受限，30GHz毫米波传播距离约十几km，60GHz毫米波只能传播0.8km。因为波长短、干扰源少，所以传播稳定性高；因为传播距离短，所以方便热点区密集型基站布局；因为具有直线传播特性，所以适用于室内分布。毫米波通信技术是一种高质量、恒定参数和技术成熟的无线传输通信技术，5G移动通信系统是一个广覆盖、高容量、多连接、低时延和高可靠性网络，将毫米波通信技术应用于5G通信系统，是一种业界普遍认同的愿景。本文简单介绍了微波、毫米波和5G通信，介绍了毫米波通信技术的相关特性，分析了目前流行的、被业界广泛认可的毫米波在5G系统中的网络架构，分析了面向5G网络的毫米波天线技术和相关应用的特点，指出5G系统使用毫米波通信中的最佳透明窗口，以及在室内短距离通信中的最佳衰减窗口，为进一步了解毫米波通信技术和5G通信系统提供了有益的帮助。张长青（中国移动通信集团湖南有限公司岳阳分公司，湖南岳阳414000）ZhangChangqing（ChinaMobileGroupHunanCo.，Ltd.YueyangBranch，Yueyang414000，China）TheApplicationStudyonMillimeterWaveCommunicationTechnologyfor5G无线通信RadioCommunication张长青面向5G的毫米波技术应用研究30邮电设计技术/2016/06大气中影响毫米波传播的主要成分是氧气和水蒸气。氧气是磁极化分子，直径0.3nm，水蒸气中的水分子是电极化分子，直径0.4nm，这些直径相当的极化分子与毫米波作用后，产生对电磁能量的谐振吸收。所以在雨、雪、雾、云等与水蒸气相关的大气吸收因素，和在尘埃、烟雾等悬浮物相关的大气散射因素的作用下，会因吸收与散射使信号强度降低，会因介质极化改变而影响传播路径，最终使毫米波传输陷入衰减陷阱。试验发现，在整个毫米波频段中，大气衰减主要由60GHz、119GHz2个因氧气分子作用的吸收谱线和由183GHz因水蒸气作用的吸收谱线组成，在使用毫米波段通信时，除了特殊应用，应避开这3个衰减窗口。相对衰减窗口而言，毫米波通信还有4个大气传输衰减相对较小的透明窗口，中心频率分别为35、94、140和220GHz（见图1），对应的波长分别是86、32、21和14mm，这些大气透明窗口对应的可用带宽分别为16、23、26和70GHz，其中任何一个窗口的可用带宽几乎都可以把包括微波频段在内的所有低频频段容纳在内，可见毫米波段可用频带的宽度是何等富余，若加上空分、时分、正交极化或其他复用技术，5G中万物互联所需的多址问题，是可以轻易解决的。更重要的是如此富余带宽的频谱几乎免费，在5G系统中使用毫米波通信技术，不仅可以获得极大的通信容量，更能降低运营商和通信用户的使用成本。由于毫米波在大气中的衰减情况与高度、温度和水蒸气浓度有较大关系，所以图1中的曲线是以海平面处，地表温度T=15℃、水蒸气浓度ρ=11g/m3为背景，以经验公式α（f）=a（f）+b（f）ρ-c（f）T为参考，测得21组不同频率对应的a、b、c3个试验参数数据，并用3次多项式插值法获得的平滑曲线，单位是dB/km。虽然衰减曲线是一个受到当时条件约束的经验曲线，但仍可以看出毫米波大气衰减曲线的变化趋势是频率越高衰减越大，其中第1透明窗口频率为35GHz处的衰减最小，为0.125dB/km，甚至更小，而对应的可用带宽高达16GHz，虽然是毫米波中的最小可用带宽，但已经是TD-LTE最大带宽20MHz的600多倍。毫米波具有波束小、角分辨率高、隐蔽性好、抗干扰性强等特点。毫米波通信设备具有体积小、重量轻、天线面不大等特征。毫米波技术研究由来已久，最早可追朔到上世纪20年代。毫米波传播特性研究在50年代就已经取得了相当的成就，研发的毫米波雷达已应用于机场交通管制。到90年代，毫米波集成电路研制已取得了重大突破，新型高效的大功率毫米波行波管、微带平面介质天线和集成天线、低噪声接收机芯片等关键应用部件的相继问世，使毫米波技术可以广泛地应用于军事和民用通信领域，如毫米波相控阵雷达，可以快速实现大范围、多目标搜索、截获与跟踪；毫米波汽车防撞雷达，可以将脉冲宽度压缩到纳米级，大大提高了防撞距离分辨率。毫米波技术在通信领域的应用主要是毫米波波导通信、毫米波无线地面通信和毫米波卫星通信，且以无线地面通信和卫星通信为主。在毫米波地面通信系统中，除了传统的接力或中继传输通信应用外，还有高速宽带接入中的无线局域网（WLAN）和本地多点分配系统（LMDS）通信。WLAN和LMDS具有双向数据传输特点，可以提供多种宽带交互式数据和多媒体业务，可以作为移动互联网末端接入网络的AP。在毫米波卫星通信中，不仅可以解决传统C波段和Ku波段等卫星通信中频谱资源日益紧张的问题，还可以添加多波束天线、星上交换、星上处理和高速传输等更为先进的用于卫星通信系统中的其他技术。毫米波通信技术非常成熟。毫米波通信技术中的许多特点非常契合人们对5G移动通信系统制订的相关愿景。毫米波段低端毗邻厘米波、高端衔接红外光，既有厘米波的全天候应用特点，又有红外光的高分辨率特点。毫米波通信最突图1毫米波在大气中的衰减曲线050100150200250300频率/GHz10-1100101102衰减窗3衰减/(dB/km)衰减窗1实验数据平滑曲线衰减窗2衰减窗4透明窗3透明窗2透明窗1无线通信RadioCommunication张长青面向5G的毫米波技术应用研究312016/06/DTPT出的优点是波长短和频带宽，是微型化和集成化通信设备支撑高性能、超宽带通信系统的技术基础。毫米波千倍于LTE的超带宽，为5G系统的超高速率和超连接数量提供了保证。毫米波通信设备的体积小、重量轻，便于微型化、集成化和模块化设计，不仅可以使天线获得很高的方向性和天线增益，还特别适合移动终端的设计理念。毫米波的光通信直线传播特点，非常适应室内外移动通信，室外可以获得高稳定性，室内可以避免室间干扰。毫无疑问，5G网络将会是一个具有连续广域覆盖、热点区域高容量、数据传输低时延和高可靠、终端设备低功率和海量连接数等应用特征的移动通信系统。其中，连续广域覆盖反映5G不再仅仅局限于小区概念，而是多种接入模式的融合共存，通过智能调度可在广域覆盖中为用户提供高达10Mbit/s的体验速率。热点区高容量表明在集会、车站等人口密度大、流量密度高区域，5G可通过动态资源调度满足高达10Gbit/s的体验速率和10Tbit/km2的流量密度要求。数据传输的低时延和高可靠，说明5G可应用于未来自动驾驶和工业控制等领域。终端设备的低功耗和大连接则反映5G网络将是一个低功耗、低成本的万物互联体系和应用无所不能、需求无所不有的服务体系。实践证明，在LTE演进过程中，宏站与微站并举的网络架构，为解决LTE“大带宽、小覆盖”困境，完成网络深度覆盖立下了汗马功劳。其中宏站体积大、容量大，需要机房建设、有线传输、空调、监控等配套系统，建站、维护和优化成本很高，站址选择和传输敷设非常困难，但覆盖范围一般可达200~800m，适用于室外大范围连续区域；微站因其体积、容量、功率和覆盖范围等较小，无需机房和传输，建站简单快捷，易于实现，非常适应局部精确补盲、补热、深度覆盖，是宏站的有益补充。由于LTE是主频为2.35GHz（以TD-LTE常用的2.3GHz频段为例）的分米波，天线和MIMO阵列较大，所以微站天面资源占用不可小觑，以至于成为阻碍微站设计小型化和集成化的重要原因。5G通信系统同样是一个演进系统、一个多个同构与异构网络的共存系统，一个适应万物互联和高数据率的密集型网络架构系统。为此，5G网络架构可以借用LTE宏站与微站的并举模式，建立大基站簇拥许多小基站的大基站群单元网络体系，其中大基站与LTE宏站相当，物理上，通过无线信道下连终端和小基站，通过有线信道上连5G核心网、横连其他大基站；小基站与LTE微站相当，实际上是一个无线中继独立体，由于采用了毫米波技术，基站天面可小型化和集成化，体积和重量的轻巧方便，可做成各种景观形式，可根据热点流量要求随时随地灵活部署，可在空闲或轻流量时段实时关闭或降低发射功率，可节省成本、降低能耗（见图2）。根据通信理论，信令和数据的职能完全不同，数据直接通过通信网络由发信方传输到收信方，信令则需要在通信网的终端、基站、核心网间传输，对其进行分析、处理，形成一系列操作和控制。为了实现对通信网的有效控制、状态监测和信道共享，移动通信系统必须有完善的控制功能。信令是通信系统中不同设备间交换的专用信息，是控制通信设备动作的专用信号，如状态标志、操作指示、拨号、呼叫等用户信令，终端与基站、基站与核心网、基站与基站间的网络信令等。通信系统中的信令和数据是通过不同信道传输的，这是因为信令在建立过程中对系统的要求相对较低，一旦建立成功就无用了，LTE