毫米波技术在5G物联网中的运用

关英哲

毫米波具有带宽大、波束窄、抗干扰能力强等一系列优点，由于频谱资源丰富，可以更好地支持5G物联网对于大流量、高密度通信数据的传输要求。但是从实践应用来看，由于自身具备的一些特性，以及技术不够成熟等原因，毫米波也面临着诸多的缺陷。例如信道性能差，由于传输路径损耗大，通常只能用于短距离通信。因此，需要针对毫米波的这些缺陷，探究相应的优化策略，让其在5G物联网中发挥出更大的作用。

1 毫米波信道的特性分析

毫米波是一种波长在1mm～10mm的电磁波，相比于目前常用的微波，毫米波的最大带宽提升了数倍，而带宽越宽，能够提供的通信资源就越丰富。在5G时代，物联网上的通信传输速率更快，数据流量更大，而毫米波则能够满足这些需求，因此应用前景广阔。虽然毫米波的发现时间较早，但是技术开发的成熟度较低，也没有得到商用。近年来，频谱资源的稀缺让毫米波的重要性不断提升，商业价值也在持续的升高，关于毫米波技术的应用领域也逐渐扩展。但是在应用中发现，毫米波也存在诸多的缺陷。例如，毫米波在传输过程中，信号的衰减现象比较严重，随着传输距离的增加，信号接收质量不断下降，衰减幅度通常在10-3dB/m。5G物联网的发展是不可逆的趋势，只有持续优化毫米波技术，才能在5G时代抢占发展优势。

2 面向5G物联网的毫米波技术优化策略

5G物联网时代毫米波将会有更为广泛的应用领域和更加良好的应用前景。但是由于现阶段对于毫米波技术的研究和开发还不够深入，目前来看在5G物联网中的应用还存在一些缺陷。为此，下一步应当将毫米波在5G网络环境下的优化应用作为研究重点。其中，OFMD技术、FBMC技术、单载波系统等，已经在改善毫米波通信方面开展了大量的试点应用，初步取得了较为显著的效果。

2.1 OFDM技术

OFDM（正交频分复用）能够改善信号在传输过程中多径衰落带来的影响，且其开销简单，傅里叶变换和逆变换模块元器件复杂度低，因此在4G通信系统中得到广泛应用。鉴于OFDM在4G时代的良好表现，进入5G时代后，可以通过适应性的改良，增强毫米波的传输稳定性，改良措施如下：一是从放大器线性失真入手，通过提升放大器的放大性能，降低峰值平均功率。但是存在成本较高的缺点；二是从子载波传播入手，通过在子载波传播路径中增加保护间隔，达到防止相互串扰的效果。但是可能会导致系统冗余的情况，目前针对这一问题的解决方法，通常是在毫米波传输路径中的关键环节增加保护间隔，而其他非节点部位，则不采用保护间隔。这样就可以在防止信号串扰和控制系统冗余之间达到较好的平衡。

2.2 FBMC技术

FBMC（滤波器组多载波）和OFDM同属于多载波系统，都存在频谱利用率低的问题。相比于OFDM，FBMC在每个子载波中加入滤波器滤除掉多余干扰的旁瓣，不需加入循环前缀从而降低带外功率泄露，提高频谱效率，加入滤波器组会增加系统的复杂度。基于大规模MIMO技术的FBMC系统的具有自均衡能够降低系统的延迟和复杂度，提高系统的频谱利用率，减小峰值功率比，且系统的盲信道跟踪特性可以解决MIMO技术中的信道污染问题。但是就目前的FBMC技术应用来看，也还存在一个亟需优化的问题，即多载波系统运行过程中如何提高载波协调性。这也成为下一步技术研究需要重点关注的问题。

2.3 单载波系统

从实际应用效果来看，单载波系统的峰值功率比极低，这种结构特性决定了单载波系统既能够缓解信号传输中面临的多经衰落问题，同时又可以保持较低的运行成本，在实用价值和经济效益之间达到了较好的平衡。另外也有研究发现，单载波系统很少出现频偏的情况，这也使得该技术在5G物联网上行链路中有应用优势。虽然单载波系统在5G物联网中的应用并不像上文所述的OFMD和FBMC两种多载波系统有着广泛应用，但是其优势不容忽视。在5G物联网的一些特殊领域，单载波系统仍然有着重要应用。

2.4 毫米波信道编码

该方法的原理是在通信传输中，在数据流中加入额外比特（如冗余比特），将比特信息作为特征信息，实现了对通信数据的动态监测。虽然现阶段信道编码的技术较为成熟，方法也比较多样，但是适合毫米波的信道编码方式还具有一定的局限性。同时，基于毫米波自身的一些特性以及在5G物联网中的使用需求，需要制定专门的编码策略。目前经过实践验证可行的方法有两种，即前向纠错和自适应选择重传。前者的优势在于降低了信道编/解码工作中的带宽占用，从而降低了系统运行功耗；后者的优势可以在进一步提高编码效率的基础上，自动适应信道内数据传输效率，从而保证通信传输效率的最大化。

3 MIMO技术在毫米波中的应用

3.1 MIMO的主要类型

MIMO（多输入多输出）技术通过显著增加毫米波的频谱利用率，从而可以支持5G网络有更高的数据传输速度。为了解决传播距离短的问题，改进了MIMO天线系统，除了在尺寸上更小、降低安装成本外，还提高了系统容量。

目前MIMO技术根据用户数量的不同，可以分为单用户MIMO系统和多用户MIMO系统两种。前者由于只具备1个收/发端，通常用于定向传输；在5G互联网中，多用户MIMO系统的应用更为广泛。较为常见的是4天线2用户模型，可以兼顾传输效率和系统容量。通过增加天线数量，可以实现信号强度的叠加，将能量集中在一起，这样就可以将通信传输距离成倍的扩大，满足了毫米波的长距离传输需要。一些规模较大的通信基站，MIMO天线系统中可以集成几百根天线阵列，完全能够满足5G物联网的通信需求。

3.2 MIMO的应用优势

空间复用是MIMO技术的一大应用优势。在以往的通信系统中，由于系统的鲁棒性和有效性存在矛盾，要想维持一种性能（如传输速率），就必须牺牲另一种性能（如信号质量）。在5G物联网中，这种缺陷必须要得到改善，才能更好地支持“物-物”“人-物”之间的信息传递。为此，基于空间复用的MIMO技术得到了推广使用。简单来说，空间复用就是根据数据传输的要求，从时间、频率、质量、码元之间同时选择2种或多种进行组合应用。融合了空间复用的MIMO技术，其优势主要体现在：1）进一步提高了数据传输速率。空间复用可以实现数据流的分类、分段，在传输时不是打包传输，而是利用多个MIMO天线分别传输，采取这种“多径分量”的方式，降低了信道拥堵，提高了传输速率。2）显著改善了频谱效率。天线数量与信道容量为正比关系。MIMO技术采用集成的天线阵列，信道容量得到了大幅度的加强，支持5G网络中对于大容量数据、高效率传递的需求。3）将空间复用技术与分集技术进行融合，还可以在提高信号辐射能量、抑制干扰信号、防止信号失真等方面发挥出技术优势。

当然，由于MIMO的研究时间较短，技术开发还不够成熟，因此在毫米波中的应用还有一定的缺陷。例如，采用集成天线阵列虽然可以在技术层面上满足通信传输需要，保证了信号强度，但是无形中增加了应用成本。还有就是在大规模的天线阵列中，很有可能出现信号串扰的情况，在5G物联网的运行中，因为信号串扰导致接收端和发送端的信号内容不一致，带来了不必要的困扰。当前MIMO技术应用中存在的不足，也是下一步5G物联网逐渐成熟过程中必须要重点解决的问题。

4 结语

5G物联网在给各行各业带来诸多便利的同时，基于5G网络的特点，必须要有更强大的通信传输能力，才能支持5G物联网的稳定运行。毫米波技术的开发和商用，除了能够进一步丰富频谱资源外，也要注意利用OFDM技术、FBMC技术，对毫米波自身存在的一些缺陷进行改良，从而让毫米波的技术价值得到进一步的凸显。MIMO技术被认为是“通向5G时代的钥匙”，通过集成多条输入、输出路径，采用分路径传输的方式，除了提高毫米波的抗干扰、抗分散能力外，也极大的提升了系统容量和传输效率。MIMO技术与毫米波技术的成熟应用，成为推进5G物联网发展的重要技术动力。