5G毫米波在移动通信系统的应用

裴振宇

(公诚管理咨询有限公司 湖南分公司，湖南 长沙 410003)

0 引 言

网络信息时代面对呈指数型增长的移动流量和数据以及不断出现的新型设备与场景，5G技术的发明成为了历史发展的必然。5G毫米波技术受限于传输距离上的短板，一直以来没有得到广泛应用，但随着技术的发展及设备的进步，该技术所具有的稳定性及方向性优势逐渐掩盖了其在传输距离上的缺点，受到了行业的重视及认可。更多的频谱资源为5G毫米波技术的发展提供了可能，毫米波技术已经成为发展5G技术中不可或缺的重要部分。根据3GPP协议，5G技术主要使用了FR1频段和FR2频段，其中FR1的频段范围为450 MHz～6 GHz，FR2频段的频率范围为24.25～52.6 GHz。目前，越来越多的运营商开始布局5G，各类5G运营设备也开始建设，国家相关管理机构已经确定将5G毫米波频段24.75～27.5 GHz和37～42.5 GHz作为可供应用的频段。在此种情况下，有必要对5G毫米波技术进行深入分析与研究，探索其在移动通信系统中的具体应用。

1 5G毫米波技术概述

1.1 5G毫米波技术的标准化情况

在3GPP协议中，5G毫米波频段相关射频标准的制定工作是经由RAN4进行的，研究包括两个阶段。第一个阶段深入研究了5G毫米波技术在40 GHz以下频率段中的应用问题，其能够满足需求较为紧急的商业方向。第二个阶段则是着力于5G毫米波技术在最高100 GHz频率下的应用问题，从而实现毫米波技术的全面应用。

1.2 5G毫米波产业链发展情况

5G毫米波已经逐渐进入到商用领域，从各国的具体情况分析，美日韩在5G毫米波技术的应用速度较快，美国的众多运营商已经在重要城市完成了毫米波的运营设备装设，主要着力于在FWA场景下的28 GHz/39 GHz频谱；韩国运营商在其国内范围内基本完成了28 GHz毫米波频谱的分配；日本运营商则已对28 GHz毫米波频谱开展外场范围内的测试。目前，毫米波主要应用在FWA领域，还未对车联网和热点覆盖等范围来进行具体部署。美日韩频段下，设备已经具有了基本应用功能，但是在移动性以及管理性方面还有很大的进步空间。在毫米波的基带方面，5G低频段设备已经较为成熟，但是在射频方面的性能及测试尚未达到标准要求[1]。在测试过程中，高频段主要使用了OTA的方式来进行射频测试。国内对于毫米波段的测试，已经获得了一定的成果，但是仍然存在较大的问题，主要是在芯片及终端方面落后。英特尔已经发布了多代的基带芯片，其基带芯片能够支持6 GHz以下频段和28 GHz毫米波频段，而高通方面则已经成功量产了商用等级的毫米波终端芯片，国内的OPPO、vivo以及ZTE也已经推出相应的芯片样机终端[2]。高频核心器件是毫米波通信所需要面临的一个重要挑战，我国在此方面距离领先集团仍然具有一定的差距，因此还需要加大研究与测试力度。

2 5G毫米波技术的优缺点分析

2.1 5G毫米波技术的优势

一是在带宽方面具有极大的优势。一般情况下，毫米波波频范围为26.5～300 GHz，带宽最高能够到达273.5 GHz，相比较于微波等技术而言，其带宽甚至能够达到其他技术的10倍，同时配合多址复用技术能够实现更大的信道宽度，在目前传输资源紧张的局面下，其无疑是具有优势的。二是波束较窄。相对于微波而言，毫米波在同等天线下波束要窄的多，因此在距离较小的传输范围内，其能够更加精准地定位传输地点，保证传输信息细节的完整。三是安全性能高。由于毫米波在大气中传播受氧、水气以及降雨的影响，吸收衰减很大，点对点的直通距离很短，超过这个距离信号就会变得十分微弱，这就增加了敌方进行窃听和干扰的难度。另外毫米波的波束很窄且副瓣低，这又进一步降低了其被截获的概率[3]。四是指向性能强。因为毫米波容易被大气分子以及各种大颗粒分子吸收，所以其传输范围较小，但是在小传播范围内很难受到干扰，传播精准程度高，因此指向性能强，定位更加准确。

2.2 5G毫米波技术的劣势及解决措施

影响5G毫米波传播的主要因素是环境，包括了大气因素、温度因素及降水因素等。在这几种因素的影响之下，其远距离传输能力较差，穿透性也并不突出，具体劣势主要体现在以下几个方面。

一是传输距离短。其在远距离发射时，能量发散非常快，容易受到大气分子以及水分子的干扰，衰弱速度快，因此很难实现远距离传输。二是穿透性较差。在阻碍物众多的城市地区，其很容易被建筑及人体所反射或者阻碍。三是衰弱速度快。因为其受制于各类分子的吸收，在传输过程中会发生较快的衰弱，造成其无法完整地完成信息传输，从而导致其很难实现大规模的商业应用。但是如果能够提供足够的链路预算，就不会因其存在的劣势而导致传输中断。运营商在进行布局和规划时，应当依据不同地区的环境因素来预测可能影响毫米波传输路线的要素，确定毫米波的最大传输距离，具体包括以下几个方面。

首先充分利用墙体或者反射装置的反射作用，即利用非视距链路代替视距链路，需要注意的是此种方式虽然能够有效降低毫米波的衰减，但是其功耗非常大，效率也比较低，不适宜在城市地区应用。其次采用空间分集技术，在毫米波的赋形过程中能够沿着多个路径发射多个波束，从而来降低衰减程度，提高传输的有效性，但是此种方法将会提高毫米波赋形的复杂程度，对此可以引入更加高级的算法，及时发现并将其切换至主导波束路径之上。最后利用中继节点来实现持续性的连接，可以在毫米波的传输路径之上布置更多的中继节点，形成更加多样化的结构，当某个节点被建筑物所阻挡时，仍然能够选择其他有效节点来实现迂回连接，确保毫米波能够连续的传播。

3 5G毫米波技术在移动通信系统中的应用分析

3.1 场景应用

3.1.1 毫米波小基站场景

根据目前各个运营商对于毫米波应用的具体部署而言，在毫米波技术成熟之前，应该会采用4G与5G协同应用的方式来完成目标建网，并且在5G方面仍然会采用Sub 6 GHz频段。随着更多的设备以及行业连接入5G网络，组网的密度和规模将会不断增加，应用毫米波技术将成为移动通信系统发展的重要支点。受限于毫米波的劣势，未来在毫米波技术的应用方面需要采用小基站、大数量的方式来完成场景建设。

3.1.2 毫米波基站回传

5G毫米波技术相比较于传统技术而言，能够更好地满足基站回传的指标要求。目前，很多基站回传会采用传统的有线传输方式，随着有线铺设成本和难度的增加，基站的无线回传将会成为必然。

利用毫米波技术能够发挥出其带宽大以及速度快的优势，同时毫米波的波长短、频率高，因此在同等面积范围内可以放置更多的天线阵列，波束的能力也更加集中，能够更好地满足基站无线回传的要求，避免基站有线回传的各种缺点。

3.1.3 毫米波垂直行业专网

5G毫米波技术能够与低频段的系统相互结合，实现联合组网，同时具有高速率以及稳定性的特点，并且也可以将特殊频点进行单独的规划，针对特殊用户，提供专门的服务。另外，随着人工智能等技术的不断发展，5G毫米波技术也能够实现一加一大于二的效果，更好地释放技术优势，为通信行业提供更加高效率的解决办法，满足行业内部的更多需要。

3.2 5G毫米波超密集异构网络应用分析

根据5G毫米波技术的特点，在移动通信系统中应用5G毫米波技术，未来相应的基站数量将会进一步增加，功能性也会逐渐增强。而当下4G与5G的联合组网方案将会持续相当长的一段时间，在多种技术叠加的异构网之上引入超密集组网方案能够针对密集小区实现立体覆盖的技术部署，进一步提升5G网络性能。综上所述，5G毫米波技术的超密集异构网络将是未来移动通信网络的重要发展方向，其具体的特点如下。

一是超密集重叠覆盖。低频高功率需求的小区能够提供更大范围的覆盖，而在毫米波低功率的小区则能够有效地满足峰值时点的容量要求，多个小区的覆盖面均能够包含在宏小区的覆盖面内。二是毫米波微小区能够更加灵活地完成部署。根据不同的业务要求来进行点对点的覆盖或者是线性覆盖，对于微小区的接入或者关闭，均不影响宏小区的整体性拓扑。三是传统的小区频率仍然能够适用于毫米波微小区中，利用合理的频率隔离能够进一步减小微小区之间的干扰。四是与传统移动通信网络相对比，当用户的终端到达宏小区边缘时，还可以获得微小区所提供的高速数据传输。

除上述优点之外，超密集异构网仍然存在相应的问题。一是频繁干扰。因为毫米波技术要求部署更加密集的小基站，从而将会导致大功率宏基站发生重复覆盖，相互之间将会产生较大的干扰，这主要体现在低功率基站同层之间以及宏基站与低功率基站之间的干扰[4]。对此而言，目前已经出现了很多有效的抗干扰技术，能够有效地避免干扰问题，如小区边缘扩展技术以及协调技术等。各类抗干扰技术不断创新与发展，干扰问题也逐渐破解。二是切换频繁。对于超密集异构网络这一缺点，可以通过采用虚拟化的方式来予以解决。宏基站小区可以作为虚拟层承载广播和巡护等服务实现更加高效的管理，而微基站小区则作为实体层来承载数据传输等服务[5]。虚拟层的方案能够以用户的需求为基础，突破各类小区之间的限制，更好地实现无线接入。同时能够随着用户的移动进行快速更换，确保虚拟层和终端之间始终有着较小的连接距离，让用户能够在密集部署区域获得稳定的数据传输，不会因为移动而影响用户的体验。

4 结 论

随着更多新兴技术的出现，5G技术必须与时俱进，5G毫米波技术应发挥技术优势。将其与移动通信系统相结合，释放更多的科技创新活力，帮助不同产业实现技术升级，推动产业变革。