60 GHz高速率短距离通信系统综述

岳光荣，陈雷，徐廷生，唐俊林

(1．电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室，四川 成都 611731; 2．中国人民解放军78006部队，四川 成都 610041)

60 GHz高速率短距离通信系统综述

岳光荣1，陈雷1，徐廷生2，唐俊林1

(1．电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室，四川 成都 611731; 2．中国人民解放军78006部队，四川 成都 610041)

随着第五代移动通信时代的临近，无线通信系统设计面临着更高速率、更大容量的挑战。60 GHz无线通信技术具有丰富的免许可频段，在未来无线通信应用中有巨大的潜力。针对60 GHz系统应用在短距离通信中的挑战与潜力，从60 GHz频段信道传播、关键技术和相关应用场景展开讨论。相比较低频段系统，60 GHz信号传播损耗大、系统实现难度高、射频器件非理想特性明显。然而，60 GHz频段系统拥有带宽资源丰富、信号方向性良好的优势，通过采取恰当的技术手段，60 GHz系统在Wi-Fi、基站无线回传、D2D和异构网络中有着广阔应用前景。

60 GHz；传播特性；应用场景

0 引言

从上世纪八十年代开始，蜂窝无线通信经历几代技术的飞速发展，每十年就有新的一代移动通信技术诞生，系统传输速率也从最初的每秒几千比特发展到目前的每秒上百兆比特，大大提高了人们交流沟通和获取信息的能力［1］。但是随着移动通信数据量的迅猛增加以及智能终端的广泛普及，传统移动蜂窝无线通信系统正面临着如何满足未来通信高速率、低延迟和大容量要求的挑战。对于未来第五代移动通信提出的每秒几千兆到数十千兆比特的传输速率，目前移动蜂窝无线通信采用的700 MHz～2．6 GHz的许可频带显得有些捉襟见肘，很难在如此有限的频段上满足如此高速率的传输要求［2，3］。因此，在未来移动通信系统的架构里，频带在30～300 GHz的毫米波短距离通信系统［4］将起到非常重要的作用。随着全球众多国家和地区相继在60 GHz频率附近开放了免许可频段，大量学术界和工业界的研究者投入到对60 GHz无线通信技术的研究工作中，这也使得60 GHz无线通信技术成为未来移动通信最具潜力的技术之一。在接下来的篇幅内，将从标准制订现状、信道传播特性和系统设计等方面介绍60 GHz系统的概况。

1 标准制订情况

早期针对60 GHz用于商用系统的研究主要集中在短距离的多媒体传输系统应用，一些标准也围绕该类场景设计，如IEEE 802．15．3c［5］、WirelessHD［6］和ECMA－387［7］等，主要面向机顶盒、电视等消费类电子产品之间传输未压缩的高速数据和高清视频。除此之外，还有旨在移动设备之间进行高速传输的IEEE 802．11ad［8］标准和无线千兆联盟(WirelessGigabitAlliance，WiGig)［9］。IEEE 802．11ad是现阶段最成功的60 GHz系统标准，它支持近7 Gbps的传输速率，支持设备在2．4 GHz、5 GHz和60 GHz多个频段上任意切换，无缝运行802．11网络，同样也支持发送机采用波束成形模式和媒体访问控制层的直联互通。2015年，IEEE 802．11工作组成立了Task Groupay任务组［10］，由以前的NG60(next generation 60 GHz)发展而来，希望制订一个针对802．11物理层与MAC层的修订标准，在保持或提升现有基站功率效率的前提下，满足至少有一种工作制式能达到20 Gbps的传输速率。标准中的系统方案主要在45 GHz以上的免许可频段工作，并能够与802．11ad标准兼容共存。另一方面，中国也在积极发展适合本国市场和频段的60 GHz标准。2012年，IEEE 802．11工作组正式采纳了中国提出的毫米波建设意见，成立了适用于中国毫米波频段的IEEE 802．11aj任务组［11］，加快发展和制定中国国内的下一代无线局域网标准。

2 信道传播特性

60 GHz频段系统拥有独特的信道传播特性，与低频段系统相比，其特点主要体现在几个方面:一是丰富的免费频带资源;二是更严重的传播损耗;三是信号传播粒子特性明显。

2.1 频段划分

2001年，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)就将57～64 GHz频段划分为免许可频段，以供无线通信研究和发展［12］。随后，全球各国纷纷参与到60 GHz频段划分工作中，各国频段分配情况如图1所示，其中大约有5 GHz的共有带宽，这让60 GHz频段具有良好的国际通用性。60 GHz频段丰富的频带资源保证了在选择了合理的调制方式和编码方式的情况下，系统传输速率能够能达到每秒数千兆比特甚至更高的传输速率。

图1 部分国家地区60 GHz频段分配

2.2 传播损耗

2.2.1 室外传播

60 GHz频段信号的室外传播能力并不理想。众所周知，60 GHz频段的大气衰减是整个毫米波频段最严重的，在海平面上氧气衰减在60 GHz处出现峰值，达到15 dB/km，而以60 GHz为中心的，其附近的8 GHz的氧气衰减为10 dB/km，而水蒸气衰减仅为0．1 dB/km［13］。同时，60 GHz频段信号还面临比低频段更严重的落雨衰减和树叶衰减［3］。除此之外，相较于现有的移动通信频段，即使在自由空间条件下，60 GHz本身也有更严重的路径损耗，其通常比2～5 GHz以下频段高20～30 dB。综合以上因素，60 GHz频段在室外的传播距离相当有限，这能降低不同系统间隔离和复用的难度，增强保密性，但是也了对信号覆盖产生了负面影响。

2.2.2 室内传播

60 GHz信号在室内的传播特性表现为穿透能力弱，需要依靠直射路径或反射路径通信。表1［3，15，16］整理了一些常见建筑材料的穿透损耗情况。总体上看，相较于低频段系统，60 GHz频带内信号的穿透能力较弱。因此，即使是在室内，不同房间之间的系统覆盖仍然需要认真设计，可以通过采用波束成形和中继来加强信号覆盖［14］，同时利用玻璃和木质材料的低穿透损耗，通过门窗寻找能够建立链接的信号路径。

表1 60 GHz频段建筑材料穿透损耗

2.3 绕射与反射

60 GHz信号波长远远小于现阶段广泛应用的5 GHz以下系统的信号波长，这使其在传播过程中表现出更显著的粒子特性。根据中的测量结果，60 GHz在材料边缘和建筑边缘的绕射损耗均达到30 dB左右［17，18］，即使是在非视距路径(NLOS)的信道环境中，60 GHz系统收发链路的建立也依赖环境当中的反射表面［19］。除此之外，人体活动对于60 GHz系统通信质量也会产生显著影响［17，18，20］。在室内，人类活动引起的遮挡会带来信道衰减的剧烈波动，波动幅度达到20 dB以上，且持续时间长，发生过渡时间短，具体的影响与天线配置以及人员个数有关［20］;在室外，人员在基站附近的活动也会造成15～40 dB的信号衰减［18］。

3 系统设计与关键技术

3.1 阵列天线

前面已经提到，60 GHz信号传播过程中的功率损耗很大，为了满足信号传输的功率要求，在系统设计过程中需要考虑增加发射功率，或增大发射和接收天线的增益。前者由于受限于60 GHz系统硬件实现难度很难达到理想效果，因此具有高增益的多阵元阵列天线被广泛采用。除了增益改善，阵列天线还能有效地降低信道的均方根时延［21］，减小接收机均衡设计的难度。同时，60 GHz信号较短的波长缩小了60 GHz系统的天线尺寸，使得多阵元的阵列天线能够在很小的面积内实现。基于此，IEEE 802．11ad标准中也定义了采用定向天线的传输模式［22］。与低频段相比，采用定向天线的60 GHz系统在系统设计考虑上也有一定不同，主要可以概括为以下几个方面［23］:首先，60 GHz频段全向阵元很难实现，所以实际设计中需要用准全向天线阵元取代全向阵元;其次，全向通信增益严重不足，导致链路建立阶段很难进行链路配置的同步;另外，定向天线能有效减小信号空间谱泄漏，更利于空间复用。

3.2 射频器件失真

60 GHz系统较高的工作频段以及很大的数据传输带宽给硬件设计带来了很多挑战。一些在低频段系统并不严重的射频器件失真在60 GHz系统内可能变得显著。减小射频失真有3种思路，一是使用更昂贵的器材原件，但这显然不利于控制系统成本;二是优化元器件设计;三是引入校准或者补偿算法。

3.2.1 功率放大器非线性失真

为了对抗信号传输损耗，60 GHz系统需要足够大的发射功率来满足信号的覆盖需求，因此，功率放大器的性能对发射机乃至整个系统性能都有极其重要的影响。为了满足功率放大要求，功率放大器通常需要工作在接近饱和点的非线性区域，由此带来了严重的非线性失真。为了保持高线性，功率放大器不得不采用功率回退，牺牲增益以保证功率放大器工作在线性区域。同样的情况在CMOS工艺的功率放大器上也存在，工艺进步的是晶体管速度提高，同时降低其栅氧厚度，考虑到器件可靠性，晶体管电源电压降低，这导致提升毫米波功放输出功率很困难，因此线性度和输出功率之前的权衡余地也就相应变小［12］。

3.2.2 IQ不平衡

直接变频结构是60 GHz接收机常见的一种结构［24－26］，其优点在于结构简单，易于集成。理想情况下，用于下变频的两路本振信号的幅度相同、相位相差恰好90°，同时两正交支路所有器件的频率响应完全相同。但是在实际系统当中，由于60 GHz载波频率很高，很难做到两路本振信号幅度和相位的完全匹配，由此产生的失真叫做IQ不平衡。除此之外，由于60 GHz系统的信号带宽较大，IQ两支路在信号带宽范围内的频率响应很难做到完全一样，造成了与频率相关的IQ不平衡现象。IQ不平衡，特别是与频率相关的IQ不平衡，在低频段并未引起太多的重视，然而在像60 GHz系统这种高频系统中，与频率相关的IQ不平衡对于系统性能有着重要影响。IQ不平衡会在信号中引入信号自身的镜像干扰，还会破坏功率放大器的线性特性［27］。图2是16QAM受IQ不平衡影响后的星座点，图3是与频率相关不平衡时的示意图。

图2 IQ不平衡接收机16QAM星座点

图3 IQ不平衡接收机相频响应示意图

3.2.3 相位噪声

理想的本振信号是一个单音信号，而实际系统中的本振信号是具有一定的带宽，伴随随机相位漂移和周期性的杂散的信号，这种本振信号相位抖动现象总称为相位噪声。相比功率放大器的非线性放大和IQ不平衡，相位噪声更为人们熟知，其主要原因是即使在低频段，相位噪声对于采用正交频分复用(OFDM)调制系统的性能影响也很明显［28，29］。对于60 GHz系统，由于本振的震荡频率高，供电电压小，相位噪声比低频段系统更加严重。相位噪声一般用给定偏移频率处的功率密度(PSD)来表征。在IEEE 802．15．3c和IEEE 802．11ad标准中给出了相位噪声PSD的“一个极点/一个零点”(One-pole/ one-zero model)模型［30，31］，分别根据一个低频点和一个高频点的相位噪声功率密度来表征整个相位噪声功率谱密度。

除了上面介绍的3种60 GHz中常见的射频非理想特性，还有一些额外的系统失真来源，例如频率偏移、直流偏执以及带内失真等，有大量针对这些非理想特性分别或者联合补偿的文献［32－36］，这里限于篇幅，不一一详细介绍。

3.3 混合波束成形技术

前文提到，由于功放增益不足，信道损耗偏高，60 GHz系统通常会使用阵列天线通过波束成形来提高天线增益。但是，60 GHz波束成形技术上面临一些固有的困难。最大的困难就是数模混合器件，主要是数模/模数转换器(DAC/ADC)的功率消耗过高。针对这一问题，现行的解决思路是让多根天线共用一个数模模数转换器以降低波束成形器中数模模数转换器的数量，或者采用低功耗的单比特量化技术［14］。对于前者，当天线数大于模数转换器时，传统的数字波束成形不能充分利用天线自由度，因此需要在模拟域内实现波束成形算法，这无疑会带来很大的实现难度。为解决该问题，一种改进的波束成形方案是在数字域进行一次低维度的波束成形，随后在模拟域利用移相器改变各个天线上发射信号的相位实现相控波束成形［37－39］，这种方式性能虽然不如纯数字的波束成形，但实现成本大大降低。

4 60 GHz应用场景

在60 GHz发展早期，人们设想的60 GHz系统的应用场景主要是集中在高清视频传输和类似WIFI的无线数据传输方面。近年来，随着信息技术进一步从满足通信需求渗透到人们日常生活的方方面面，60 GHz系统的设计场景已经不再是单纯的多媒体传输或无线数据传输，更多更丰富灵活的应用场景开始逐渐被人们关注。

4.1 60 GHz应用于新一代Wi-Fi

60 GHz作为新一代Wi-Fi实现高速的无线数据传输是IEEE 802．11ad所设定的经典使用场景［23］。将60GHz应用于传统数据传输应用已经进入到了工业界研发阶段。美国高通公司2015年宣布将会展示其最新的三频接入芯片，将60 GHz技术与IEEE 802．11ac(5 GHz及2．4 GHz)技术进行整合;韩国三星公司也开始开发利用60 GHz技术的Wi-Fi，传输速率达到4．6 Gbps。除此之外，戴尔、英特尔等公司也有各种60 GHz的产品研发新闻公布。作为新一代Wi-Fi的候选技术，60 GHz技术的优势已经逐渐得到工业界的承认。

4.2 60 GHz应用于小型基站回传

60 GHz在户外的传播距离有限，并不能满足传统基站的信号覆盖要求。但伴随5G时代来临，人们对于小型密集基站的需求上升以求达到更大的系统容量［40］，同时小型基站的覆盖范围要求被降低，小型基站之间的通信距离通常在100～200 m［41］。使用大量小型基站的一个问题是如何在小型基站与宏基站之间实现低成本、高灵活性的回传［41］。传统的光纤方式显然不再使用，60 GHz及其以上的毫米波频段成为无线回传方式的候选频段［3］。60 GHz系统小巧的天线阵列能够很方便地架设，同时相比6 GHz以下的许可频段，60 GHz的带宽资源更加丰富。

4.3 60 GHz应用于D2D

60 GHz利用定向天线，实现低干扰传输的特点使其能够应用于终端直联通信(Device-to-device，D2D)［42］。设备间的直联通信允许设备在不经过基站的情况下与附近的设备进行直接通信，以充分利用信道资源。在D2D通信模式下，同一小区内的多对D2D通信设备之间会共享部分信道资源以实现频谱效率的最大化，在这部分信道上传输的多对设备之间是非正交传输的。60 GHz一方面有丰富的带宽资源，允许更多的设备划分独立的频段，同时利用定向天线减小了在相同频段工作的设备之间的相互干扰，实现正交化的传输［41］。在正在制订阶段的IEEE 802．11ay标准中，一些更加具体的D2D应用场景也有相关讨论，包括辅助现实(AR)或者虚拟现实(VR)技术设备，可穿戴设备等［43］。

4.4 60 GHz应用于异构网络

与同构网络不同，为了提高容量覆盖或是能效，异构网络中存在着各种各样的类型的基站。如果各个小型基站使用单一频率与宏基站通信会引起严重的跨层干扰(cross-tier interference)［41］。一种解决方法是将控制层与用户数据层分开，小型基站使用3 GHz以下的频率利用高功率信号与宏基站之间传输控制信息［14，41］;而利用如60 GHz一类高频率系统实现低功率的小型小区内的数据传输，通过60 GHz信号定向覆盖小型小区一方面能达到高吞吐，同时波束成形也减少了系统内的用户间干扰。在IEEE 802．11ay的相关文档中还讨论了Mobile Offloading的概念［43］，指的是移动端将移动数据业务，尤其是视频类的高吞吐业务从基站下卸(offload)到60 GHz频段终端进行传输。

5 结束语

60 GHz频段拥有丰富带宽资源，在未来无线通信有着广泛的应用场景。现阶段，60 GHz系统的研究重心已经从单纯追求高速率高带宽发展到了研究能够适用于各种场景，并针对各自应用优化的系统。讨论了60 GHz的信道传播特点、系统设计关键技术以及潜在应用场景，明确指出了60 GHz系统在带宽资源、器件尺寸和干扰降低等方面的优势，也说明了其在硬件设计和覆盖能力等方面的劣势。通过文中论述，可以肯定的是，60 GHz系统在未来无线通信中有着巨大的应用潜力，但是要成为一个成熟的技术，60 GHz系统还有很多技术难题需要克服。

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Overview on 60 GHz Short－range High-speed Communication Systems

YUE Guang-rong1，CHEN Lei1，XU Ting-sheng2，TANG Jun-lin1
(1．National Key Lab of Communications，University of Electronic Science＆Technology of China，Chengdu Sichuan 611731，China;2．Unit 78006，PLA，Chengdu Sichuan 610041，China)

With the coming of the fifth generation of mobile communication，the wireless communications are faced with such challenges as higher data rate and larger system capacity．The 60 GHz band has abundant band resources and is of great potential in future wireless communication applications．Aiming at the challenge and potential of 60 GHz system in short-range communication，the propagation characteristics，key technologies and application scenarios are discussed．Compared with that in band of lower frequency，the signal in 60 GHz band suffers more propagation power loss，more difficulties in implementation and more obvious non-ideality of radio frequency devices．However，in virtue of its band resource and good directional property，the 60 GHz systems still have a wide application prospect in Wi-Fi，base-station backhaul，D2D and heterogeneous networks if proper technologies are adopted．

60 GHz;propagation characteristics;application scenarios

TN91

A

1003－3114(2015)05－01－6

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.01

岳光荣，陈雷，徐廷生，等．60 GHz高速率短距离通信系统综述［J］．无线电通信技术，2015，41(5):01－06．

2015－06－15

国家高技术研究发展计划(863计划)(2011AA010201);国家科技重大专项课题(2013ZX03005010);四川省科技厅支撑项目(2012FZ0119、2013GZ0029)

岳光荣(1974—)，男，博士，研究员/教授，2006年12月毕业于电子科技大学，获得工学博士学位;2007至2008年赴加州大学伯克利分校进行博士后研究，回国后主要从事毫米波高速率短距离通信系统相关研究。陈雷(1987—)，男，博士在读，2010年毕业于电子科技大学通信与信息工程学院，获工学学士学位，现就读于电子科技大学通信抗干扰国家级重点实验室，主要研究方向:60 GHz射频非理想特性补偿。