裴振宇

(公誠(chéng)管理咨詢有限公司 湖南分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410003)

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代面對(duì)呈指數(shù)型增長(zhǎng)的移動(dòng)流量和數(shù)據(jù)以及不斷出現(xiàn)的新型設(shè)備與場(chǎng)景，5G技術(shù)的發(fā)明成為了歷史發(fā)展的必然。5G毫米波技術(shù)受限于傳輸距離上的短板，一直以來沒有得到廣泛應(yīng)用，但隨著技術(shù)的發(fā)展及設(shè)備的進(jìn)步，該技術(shù)所具有的穩(wěn)定性及方向性優(yōu)勢(shì)逐漸掩蓋了其在傳輸距離上的缺點(diǎn)，受到了行業(yè)的重視及認(rèn)可。更多的頻譜資源為5G毫米波技術(shù)的發(fā)展提供了可能，毫米波技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展5G技術(shù)中不可或缺的重要部分。根據(jù)3GPP協(xié)議，5G技術(shù)主要使用了FR1頻段和FR2頻段，其中FR1的頻段范圍為450 MHz～6 GHz，F(xiàn)R2頻段的頻率范圍為24.25～52.6 GHz。目前，越來越多的運(yùn)營(yíng)商開始布局5G，各類5G運(yùn)營(yíng)設(shè)備也開始建設(shè)，國(guó)家相關(guān)管理機(jī)構(gòu)已經(jīng)確定將5G毫米波頻段24.75～27.5 GHz和37～42.5 GHz作為可供應(yīng)用的頻段。在此種情況下，有必要對(duì)5G毫米波技術(shù)進(jìn)行深入分析與研究，探索其在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。

1 5G毫米波技術(shù)概述

1.1 5G毫米波技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化情況

在3GPP協(xié)議中，5G毫米波頻段相關(guān)射頻標(biāo)準(zhǔn)的制定工作是經(jīng)由RAN4進(jìn)行的，研究包括兩個(gè)階段。第一個(gè)階段深入研究了5G毫米波技術(shù)在40 GHz以下頻率段中的應(yīng)用問題，其能夠滿足需求較為緊急的商業(yè)方向。第二個(gè)階段則是著力于5G毫米波技術(shù)在最高100 GHz頻率下的應(yīng)用問題，從而實(shí)現(xiàn)毫米波技術(shù)的全面應(yīng)用。

1.2 5G毫米波產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況

5G毫米波已經(jīng)逐漸進(jìn)入到商用領(lǐng)域，從各國(guó)的具體情況分析，美日韓在5G毫米波技術(shù)的應(yīng)用速度較快，美國(guó)的眾多運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在重要城市完成了毫米波的運(yùn)營(yíng)設(shè)備裝設(shè)，主要著力于在FWA場(chǎng)景下的28 GHz/39 GHz頻譜；韓國(guó)運(yùn)營(yíng)商在其國(guó)內(nèi)范圍內(nèi)基本完成了28 GHz毫米波頻譜的分配；日本運(yùn)營(yíng)商則已對(duì)28 GHz毫米波頻譜開展外場(chǎng)范圍內(nèi)的測(cè)試。目前，毫米波主要應(yīng)用在FWA領(lǐng)域，還未對(duì)車聯(lián)網(wǎng)和熱點(diǎn)覆蓋等范圍來進(jìn)行具體部署。美日韓頻段下，設(shè)備已經(jīng)具有了基本應(yīng)用功能，但是在移動(dòng)性以及管理性方面還有很大的進(jìn)步空間。在毫米波的基帶方面，5G低頻段設(shè)備已經(jīng)較為成熟，但是在射頻方面的性能及測(cè)試尚未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。在測(cè)試過程中，高頻段主要使用了OTA的方式來進(jìn)行射頻測(cè)試。國(guó)內(nèi)對(duì)于毫米波段的測(cè)試，已經(jīng)獲得了一定的成果，但是仍然存在較大的問題，主要是在芯片及終端方面落后。英特爾已經(jīng)發(fā)布了多代的基帶芯片，其基帶芯片能夠支持6 GHz以下頻段和28 GHz毫米波頻段，而高通方面則已經(jīng)成功量產(chǎn)了商用等級(jí)的毫米波終端芯片，國(guó)內(nèi)的OPPO、vivo以及ZTE也已經(jīng)推出相應(yīng)的芯片樣機(jī)終端[2]。高頻核心器件是毫米波通信所需要面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)，我國(guó)在此方面距離領(lǐng)先集團(tuán)仍然具有一定的差距，因此還需要加大研究與測(cè)試力度。

2 5G毫米波技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 5G毫米波技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

一是在帶寬方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。一般情況下，毫米波波頻范圍為26.5～300 GHz，帶寬最高能夠到達(dá)273.5 GHz，相比較于微波等技術(shù)而言，其帶寬甚至能夠達(dá)到其他技術(shù)的10倍，同時(shí)配合多址復(fù)用技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更大的信道寬度，在目前傳輸資源緊張的局面下，其無疑是具有優(yōu)勢(shì)的。二是波束較窄。相對(duì)于微波而言，毫米波在同等天線下波束要窄的多，因此在距離較小的傳輸范圍內(nèi)，其能夠更加精準(zhǔn)地定位傳輸?shù)攸c(diǎn)，保證傳輸信息細(xì)節(jié)的完整。三是安全性能高。由于毫米波在大氣中傳播受氧、水氣以及降雨的影響，吸收衰減很大，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直通距離很短，超過這個(gè)距離信號(hào)就會(huì)變得十分微弱，這就增加了敵方進(jìn)行竊聽和干擾的難度。另外毫米波的波束很窄且副瓣低，這又進(jìn)一步降低了其被截獲的概率[3]。四是指向性能強(qiáng)。因?yàn)楹撩撞ㄈ菀妆淮髿夥肿右约案鞣N大顆粒分子吸收，所以其傳輸范圍較小，但是在小傳播范圍內(nèi)很難受到干擾，傳播精準(zhǔn)程度高，因此指向性能強(qiáng)，定位更加準(zhǔn)確。

2.2 5G毫米波技術(shù)的劣勢(shì)及解決措施

影響5G毫米波傳播的主要因素是環(huán)境，包括了大氣因素、溫度因素及降水因素等。在這幾種因素的影響之下，其遠(yuǎn)距離傳輸能力較差，穿透性也并不突出，具體劣勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

一是傳輸距離短。其在遠(yuǎn)距離發(fā)射時(shí)，能量發(fā)散非?？欤菀资艿酱髿夥肿右约八肿拥母蓴_，衰弱速度快，因此很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。二是穿透性較差。在阻礙物眾多的城市地區(qū)，其很容易被建筑及人體所反射或者阻礙。三是衰弱速度快。因?yàn)槠涫苤朴诟黝惙肿拥奈?，在傳輸過程中會(huì)發(fā)生較快的衰弱，造成其無法完整地完成信息傳輸，從而導(dǎo)致其很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。但是如果能夠提供足夠的鏈路預(yù)算，就不會(huì)因其存在的劣勢(shì)而導(dǎo)致傳輸中斷。運(yùn)營(yíng)商在進(jìn)行布局和規(guī)劃時(shí)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)不同地區(qū)的環(huán)境因素來預(yù)測(cè)可能影響毫米波傳輸路線的要素，確定毫米波的最大傳輸距離，具體包括以下幾個(gè)方面。

首先充分利用墻體或者反射裝置的反射作用，即利用非視距鏈路代替視距鏈路，需要注意的是此種方式雖然能夠有效降低毫米波的衰減，但是其功耗非常大，效率也比較低，不適宜在城市地區(qū)應(yīng)用。其次采用空間分集技術(shù)，在毫米波的賦形過程中能夠沿著多個(gè)路徑發(fā)射多個(gè)波束，從而來降低衰減程度，提高傳輸?shù)挠行裕谴朔N方法將會(huì)提高毫米波賦形的復(fù)雜程度，對(duì)此可以引入更加高級(jí)的算法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并將其切換至主導(dǎo)波束路徑之上。最后利用中繼節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)持續(xù)性的連接，可以在毫米波的傳輸路徑之上布置更多的中繼節(jié)點(diǎn)，形成更加多樣化的結(jié)構(gòu)，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)被建筑物所阻擋時(shí)，仍然能夠選擇其他有效節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)迂回連接，確保毫米波能夠連續(xù)的傳播。

3 5G毫米波技術(shù)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

3.1 場(chǎng)景應(yīng)用

3.1.1 毫米波小基站場(chǎng)景

根據(jù)目前各個(gè)運(yùn)營(yíng)商對(duì)于毫米波應(yīng)用的具體部署而言，在毫米波技術(shù)成熟之前，應(yīng)該會(huì)采用4G與5G協(xié)同應(yīng)用的方式來完成目標(biāo)建網(wǎng)，并且在5G方面仍然會(huì)采用Sub 6 GHz頻段。隨著更多的設(shè)備以及行業(yè)連接入5G網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)的密度和規(guī)模將會(huì)不斷增加，應(yīng)用毫米波技術(shù)將成為移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的重要支點(diǎn)。受限于毫米波的劣勢(shì)，未來在毫米波技術(shù)的應(yīng)用方面需要采用小基站、大數(shù)量的方式來完成場(chǎng)景建設(shè)。

3.1.2 毫米波基站回傳

5G毫米波技術(shù)相比較于傳統(tǒng)技術(shù)而言，能夠更好地滿足基站回傳的指標(biāo)要求。目前，很多基站回傳會(huì)采用傳統(tǒng)的有線傳輸方式，隨著有線鋪設(shè)成本和難度的增加，基站的無線回傳將會(huì)成為必然。

利用毫米波技術(shù)能夠發(fā)揮出其帶寬大以及速度快的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)毫米波的波長(zhǎng)短、頻率高，因此在同等面積范圍內(nèi)可以放置更多的天線陣列，波束的能力也更加集中，能夠更好地滿足基站無線回傳的要求，避免基站有線回傳的各種缺點(diǎn)。

3.1.3 毫米波垂直行業(yè)專網(wǎng)

5G毫米波技術(shù)能夠與低頻段的系統(tǒng)相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合組網(wǎng)，同時(shí)具有高速率以及穩(wěn)定性的特點(diǎn)，并且也可以將特殊頻點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)的規(guī)劃，針對(duì)特殊用戶，提供專門的服務(wù)。另外，隨著人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，5G毫米波技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)一加一大于二的效果，更好地釋放技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為通信行業(yè)提供更加高效率的解決辦法，滿足行業(yè)內(nèi)部的更多需要。

3.2 5G毫米波超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析

根據(jù)5G毫米波技術(shù)的特點(diǎn)，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用5G毫米波技術(shù)，未來相應(yīng)的基站數(shù)量將會(huì)進(jìn)一步增加，功能性也會(huì)逐漸增強(qiáng)。而當(dāng)下4G與5G的聯(lián)合組網(wǎng)方案將會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，在多種技術(shù)疊加的異構(gòu)網(wǎng)之上引入超密集組網(wǎng)方案能夠針對(duì)密集小區(qū)實(shí)現(xiàn)立體覆蓋的技術(shù)部署，進(jìn)一步提升5G網(wǎng)絡(luò)性能。綜上所述，5G毫米波技術(shù)的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將是未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展方向，其具體的特點(diǎn)如下。

一是超密集重疊覆蓋。低頻高功率需求的小區(qū)能夠提供更大范圍的覆蓋，而在毫米波低功率的小區(qū)則能夠有效地滿足峰值時(shí)點(diǎn)的容量要求，多個(gè)小區(qū)的覆蓋面均能夠包含在宏小區(qū)的覆蓋面內(nèi)。二是毫米波微小區(qū)能夠更加靈活地完成部署。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)要求來進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的覆蓋或者是線性覆蓋，對(duì)于微小區(qū)的接入或者關(guān)閉，均不影響宏小區(qū)的整體性拓?fù)?。三是傳統(tǒng)的小區(qū)頻率仍然能夠適用于毫米波微小區(qū)中，利用合理的頻率隔離能夠進(jìn)一步減小微小區(qū)之間的干擾。四是與傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相對(duì)比，當(dāng)用戶的終端到達(dá)宏小區(qū)邊緣時(shí)，還可以獲得微小區(qū)所提供的高速數(shù)據(jù)傳輸。

除上述優(yōu)點(diǎn)之外，超密集異構(gòu)網(wǎng)仍然存在相應(yīng)的問題。一是頻繁干擾。因?yàn)楹撩撞夹g(shù)要求部署更加密集的小基站，從而將會(huì)導(dǎo)致大功率宏基站發(fā)生重復(fù)覆蓋，相互之間將會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，這主要體現(xiàn)在低功率基站同層之間以及宏基站與低功率基站之間的干擾[4]。對(duì)此而言，目前已經(jīng)出現(xiàn)了很多有效的抗干擾技術(shù)，能夠有效地避免干擾問題，如小區(qū)邊緣擴(kuò)展技術(shù)以及協(xié)調(diào)技術(shù)等。各類抗干擾技術(shù)不斷創(chuàng)新與發(fā)展，干擾問題也逐漸破解。二是切換頻繁。對(duì)于超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)這一缺點(diǎn)，可以通過采用虛擬化的方式來予以解決。宏基站小區(qū)可以作為虛擬層承載廣播和巡護(hù)等服務(wù)實(shí)現(xiàn)更加高效的管理，而微基站小區(qū)則作為實(shí)體層來承載數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?wù)[5]。虛擬層的方案能夠以用戶的需求為基礎(chǔ)，突破各類小區(qū)之間的限制，更好地實(shí)現(xiàn)無線接入。同時(shí)能夠隨著用戶的移動(dòng)進(jìn)行快速更換，確保虛擬層和終端之間始終有著較小的連接距離，讓用戶能夠在密集部署區(qū)域獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，不會(huì)因?yàn)橐苿?dòng)而影響用戶的體驗(yàn)。

4 結(jié) 論

隨著更多新興技術(shù)的出現(xiàn)，5G技術(shù)必須與時(shí)俱進(jìn)，5G毫米波技術(shù)應(yīng)發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)。將其與移動(dòng)通信系統(tǒng)相結(jié)合，釋放更多的科技創(chuàng)新活力，幫助不同產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革。