浅谈5G通信中的两个微波技术

 1  5G发展概述

  如今，4G移动通信已在世界范围内大规模商用，我们已经感受到信息时代带给我们的非凡体验，以大信息量为基础的虚拟现实、全息图像等新型业务对移动通信技术的要求不断提高，一些更大胆的想法，如超密集型物联网、车联网，需要更高效的通信技术支持，5G移动通信技术呼之欲出。

  鉴于4G的LTE技术已经成为移动通信的主流技术，因此5G移动通信系统的首要发展方式就是在这个技术基础上兼容构建。相比于4G，5G将具有更显著的频谱利用率，更高数量级的传输速率，更高的无线覆盖性能、系统安全和用户体验。

  5G移动通信的关键技术主要体现在无线传输技术和网络技术两方面，前者主要包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术，后者主要有自组织网络(SON)、软定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(VNF)等[1]。本文主要论述毫米波通信技术和大规模天线技术。

2  毫米波通信技术

2.1  毫米波特性

  毫米波通信属于微波通信，频率范围为30GHz-300GHz，波长范围为1mm -10mm。相比于4G的分米波波段，其频率更高，波长更短，但其散射与绕射能力较差，因此毫米波通信更接近光通信，主要依赖直视路径进行传输，而且毫米波波束窄，具有良好的方向性，但遇到阻挡就会被反射或被阻断。

2.2  通信频段选择

  大气中的云、雾、雨等小水滴会对电波进行热吸收，水分子、氧分子会对电波进行谐振吸收，当波长短于3cm，大气层对电波的衰减将趋于严重[2]。试验结果显示，因氧气分子作用，60 GHz和119 GHz两个频段衰减明显，因水蒸气作用，183 GHz频段衰减明显，因此这3个频段被称为3个衰减窗口。于此相对应，毫米波频段还有4个被大气衰减相对较小的透明窗口，其中心频率分别为35GHz、94GHz、140GHz和220 GHz，在5G通信中会优先考虑这几个频段。图1展示了3个衰减窗口和4个透明窗口。

                                                      

                                         图1 毫米波在大气中的衰减曲线

  我国在2017年7月召开的APG（亚太电信联盟）会议期间，阐述了优先研究24.75GHz-27.5GHz和37GHz - 42.5 GHz频段的观点。表1为我国当前4G通信使用频段。

表1  LTE频段分配

运营商	LTE频段/Mhz	总带宽/Mhz
中国移动	1880-1900, 2320-2370, 2575-2635	130
中国联通	2300-2320, 2555-2575	40
中国电信	2370-2390, 2635-2655	40

  由于最大信号带宽与载波频率成正比，因此提高载波频率，我国5G通信的带宽将扩展到9.25GHz，相比于4G通信210Mhz的带宽，提高了一个数量级。

2.3  毫米波天线

  在天线的电参数中，增益系数表征天线在特定方向上辐射立体角度内的能量与天线在所有方向上辐射立体角度内的能量的比率，其计算公式如下：

                                                                         

  公式中，η为天线的孔径系数，D为天线直径，λ为电波波长。保持其他变量，只改变电波波长，波长越短（频率越高），天线增益越大。

  天线的另一个电参数，标准波束角是指天线辐射的波束能量减少一半时的位置所对应的夹角，其计算公式如下：

                                                                            

  保持天线直径，只改变电波波长，波长越短（频率越高），天线波束角越小。

  综上，毫米波天线增益将提高，并且具有一定的方向性，这有利于降低天线功耗，提高天线辐射效率。

  在5G通信系统中，移动终端可以采用砷化镓（GaAs）微带阵列天线，砷化镓材料适用于高频[3]，毫米波波长短使得天线尺寸更小，天线尺寸小使得阵列天线能够集成在印刷电路板上，这些优点有利于天线阻抗和有源器件完全匹配，提高高频条件下的通信质量和效率。图2显示了从LTE终端到毫米波终端的天线变化。

                                                             

                                            图2  LTE终端和毫米波终端天线

  基站也采用阵列天线，这是由毫米波传播距离短、衰减严重的特性所决定的，需要密集型基站布局和大规模天线技术来保证通信质量。

3  大规模天线技术

  其实MIMO(multiple-input multiple- output，多输入多输出)技术在4G通信中已经被采用，但没有发挥出其优势，因此在5G通信中继续挖掘其潜能。

  MIMO技术可以提供三大增益，包括分集增益、复用增益和功率增益[4]。分集增益可以提高系统的可靠性, 复用增益可以支持单用户的空间复用和多用户的空分复用, 而功率增益可以通过波束成形提高系统的功率效率。

3.1  天线配置

  为了提高移动数据服务的效率，5G通信将在4G通信系统的基础上，一方面增加节点或小区的个数，另一方面各节点使用大规模阵列天线替代目前采用的多天线。图3简单描述了基站到覆盖范围内用户之间的点对点通信。

                                                       

                                         图3  基站配置大规模阵列天线

  在4G通信中引入的MIMO技术，LTE系统中最多采用4 根天线，LTE-A 系统中最多采用8根天线，受限于节点天线的配置个数，MIMO的性能没有体现出来[5]，而在大规模MIMO中，小区配置数十根甚至数百根以上天线，在同一个时频资源上同时服务若干个用户，充分体现MIMO的优势。

  在天线的配置方式上，这些天线可以是集中地配置在一个基站上，形成集中式的大规模 MIMO（即 Massive MIMO），也可以是分布式地配置在多个节点上，形成大规模分布式MIMO（即Large-scale Distributed MIMO）。

  理论研究表明，随着天线个数趋于无穷大，多用户信道将趋于正交。在这种情况下，高斯噪声以及互不相关的小区间干扰将趋于消失[6]。这有利于降低信号发射功率，提高通信的抗干扰性。尽管这是理论上的理想状态，但增加天线数量必然会趋近其特性。

3.2  空分复用

  采用毫米波通信可以增大频带宽度，而使用大规模天线技术可以深度挖掘空间维度资源，提升频谱效率。

  在目前的通信系统中，为满足通信需求，扩展系统容量，采用多路复用技术，包括频分复用、时分复用和码分复用，天线数量的增加将产生空分复用的概念。因此，大规模天线系统的通信理论与传统MIMO系统相比，在容量分析、信道信息获取、无线传输技术和资源分配技术等理论层面将会出现较大的差异。

  应用到实际中，会使得网络中多个用户可以在同一时频资源上利用大规模MIMO技术提供的空间自由度与基站同时进行通信，从而大幅度提高频谱效率[7]。

3.3  波束成形

  之前已经提到，毫米波天线的增益系数会提高，并且方向性会增强，利用这些特性，通过对天线阵列的适当设计可使天线辐射具有极强方向性和空域分辨性的定向传输波束。与当前的全向波束天线相比，可大幅度降低发射功率，提高功率效率，并且抗干扰性能也会增强。

                                    

图4  全向天线波束

图5  定向天线波束

  值得一提的是，采用定向传输毫米波的发送端和接收端需要在建立有效链路之前进行相应的波束对准或波束扫描[8]，所以，如何精确快速地对准并且在接收端移动的情况下快速对准是体现波束成形优势的关键。

4 结语

  本文仅在理论上简述了5G通信中毫米波通信技术和大规模天线技术，而在实际应用中，还存在一些技术难关，例如毫米波频段对数模/模数转换器、混合器等硬件的要求会更高，大规模MIMO技术的信道状态系数矩阵为大维度矩阵，其计算复杂度更高。5G移动通信所蕴含的技术远超越微波范畴，它在将来带给我们体验不会辜负我们如今的探索。

 

参考文献:

[1] Gao Z,Dai L,Mi D,Wang Z,Imran M.A,Shakir M.Z.，Mmwave massive MIMO based wireless backhaul for the 5G ultra dense network[J]．IEEE Wireless Communications，2015(10）：13—21．

[2] 刘学观，郭辉萍.微波技术与天线[M].西安:西安电子科技大学出版社,2012.

[3] Carl J. Weisman.The Essential Guide to RF and Wireless[M].Beijing:TSINGHUA UNIVERSITY PRESS，2014. 

[4] Paulraj A J, Gore D A, Nabar R U, et al. An Overview of MIMO communications-a key to gigabit wireless. Proc IEEE, 2004 （2）: 198–218.  

[5] 王东明，张余,魏浩,尤肖虎,高西奇,王江舟.面向5G的大规模天线无线传输理论与技术[J].中国科学.2016（1）：3-21.             

[6] Wang D M, Zhao Z L, Huang Y Q, et al. Large-scale multi-user distributed antenna system for 5G wireless communications.In: Proceedings of IEEE 81st Vehicular Technology Conference Spring, Glasgow, 2015：1–5.

[7] 尤肖虎，潘志文，高西奇，曹淑敏，邬贺铨.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国学术期刊文摘.2016（3）：15-20.

[8] 何世文，黄永明，王海明，洪伟.毫米波无线通信发展趋势及技术挑战 .电信科学[J].2017（6）：11-20.