毫米波在5G 中的应用
颉斌
（北京中网华通设计咨询有限公司，北京 100070）
摘 要 5G性能相比4G，容量更大、速率更快、连接数量更多，高性能的实现需要连续大带宽频谱的支持，目前分配
密集书架
的中低频段满足不了5G需求。毫米波利用其丰富的频谱资源，能很好地满足5G连续大带宽需求。本文对毫米波在无线通信中的优劣势进行分析，并介绍毫米波在5G中的应用场景，最后通过测试结论证明通过使用毫米波提高系统速率和容量的可行性。视力保健远眺图
中图分类号 TN929.5 文献标识码 A 文章编号 1008-5599（2021）03-0087-06
收稿日期：2020-06-28
毫米波通常是指频率在30～300 GHz、波长在1～10 mm 之间的电磁波。它位于微波与远红外波相交叠
的波长范围，因而具有两种频谱的特点。毫米波目前主要应用在军事领域，包括通信、雷达和遥感等。与中低频相比，毫米波传播损耗大、覆盖范围小，且器件生产工艺要求非常高，因此目前在民用移动通信领域还没有得到广泛应用。 大带宽、大连接和低时延是5G 网络的三大特性。依托5G 强大的能力和丰富的连接场景，其在行业应用方面势必激发出广阔的需求空间，而满足这些需求仅仅依靠目前分配的中低频段是根本无法实现的。根据香农定理，无线系统容量与小区数量、信道数量、频率带宽和信噪比相关，在上述因素中，增加带宽是增加容量和传输速率最直接的方法。全频谱接入是5G 关键技术之一，通过高中低频协同工作，在满足覆盖的同时解决系统容量问题。低频段是5G
的核心频段，用于无缝覆盖；高频段作为辅助频段，用于热点区域的速率提升。目前6 GHz 以下频谱资源稀缺，基本已经分配完毕。6 GHz 以上频谱资源相对丰富，尤其是30 GHz 以上，能够为5G 系统提供连续大带宽频段。3GPP 协议定义了从Sub-3G、C-band 到毫米波的5G 目标频谱，而且定义毫米波小区带宽最高为400 MHz，而Sub-6G 小区带宽最高仅为100 MHz，理论上讲4倍带宽可带来4倍的容量或速率。
3GPP 定义的5G 毫米波频谱见表1，频谱集中于24.25～52.6 GHz，严格意义上讲，24.25 GHz 波长大于10 mm，已经不属于毫米波范畴。
各国在5G 频谱资源分配时，均涵盖了毫米波。例
频段号上行（MHz）下行（MHz）带宽（MHz）
双工模式n25726 500～29 50026 500～29 500 3 000TDD n25824 250～27 50024 250～27 500 3 000TDD n260
37 000～40 000
37 000～40 000
3 000
TDD
表1 5G毫米波频谱定义
如美国在统筹考虑国内的卫星、航天和军事系统后，率先将28 GHz 频段（27.5～28.35 GHz）、37 GHz 频段（37～38.6 GHz）、39 GHz 频段（38.6～40 GHz）以频率授权管理的模式规划给5G 使用，以200 MHz 为带宽对频率进行划分；64～71 GHz 为未授权频谱。其中28 GHz 和39 GHz 的毫米
波频段在2017年4月已颁发，并且在2020年已经部署使用。中国工信部2017年7月也批复24.75～27.5 GHz 和37～42.5 GHz 频段用于5G 技术研发毫米波实验频段。
在5G 网络实际部署中，中国、韩国和日本都从中频开始部署，计划在网络建设中后期再引入毫米波作为容量补充。目前只有美国采用毫米波部署，主要提供家庭宽带FWA 业务。
1 毫米波
广义毫米波涵盖20～300 GHz，频谱宽度高达280 GHz。毫米波在传播过程中，与中、低频不同的是会受到大气的影响，主要是氧气和水蒸气。大气的影响程度在整个频段内是选择性的，水蒸气引起的共振会吸收22 GHz 和183 GHz 附近的电磁波，而氧气的共振吸收影响的是60 GHz 和120 GHz 附近的电磁波，这也导致对毫米波的使用只能集中在几个大气窗口频段和3个
衰减峰频段上，如图1所示。大气窗口频段主要用于点对点通信，而衰减峰频段主要用于安全性要求非常高的保密通信。
下面重点介绍毫米波的传播特性以及在移动通信中应用的优劣势。1.1 毫米波传播特性
与中低频相比，影响毫米波传播特性的因素包括构成大气成分的分子吸收（氧气、水蒸气等）、穿透损耗、雨衰（雨、雾、雪、雹、云等）、树衰、衍射、反射和人体损耗等。这些因素的共同作用会使电子表单系统
毫米波信号受到衰减、散射、改变极化和传播路径，进而在毫米波系统中引进新的噪声，这些因素将对毫米波系统的工作造成极大影响。
下面针对造成毫米波衰耗的主要影响因素进行分析。
1.1.1 路径损耗和穿透损耗
毫米波频段高，穿透损耗大。根据实测，毫米波穿透金属墙或水泥墙的损耗非常高，例如穿透标准的混凝土外墙（28 cm）损耗可以到65 dB。如此大的损耗，基本可以理解为穿不过去。穿透玻璃门窗或木门的损耗较低，根据实测值，28 GHz 信号穿透单层玻璃（0.8 cm）损耗大概3.5 dB ；穿透标准多层玻璃（1.8 cm）损耗大概15 dB。在非视距传播环境下，500 m 范围之内，28 GHz 路径损耗比3.5 GHz 高18
dB。
图1 毫米波频段衰减变化示意图
1.1.2 树衰和雨衰
中低频链路预算一般不考虑树衰和雨衰，但对毫米波影响非常大。树衰与树的密度强相关，衰减范围一般为7～27 dB，典型的树衰取值为17 dB。雨衰影响与降雨量、小区覆盖半径成正比关系。大暴雨情况下（20 mm/h），200 m 小区覆盖半径时，30 GHz 频段损失小于1 dB，60 GHz 频段损失小于2 dB，可见微站场景下雨衰影响可以忽略。毫米波在5G 中主要用于热点高容量场景，覆盖范围很小，所以链路预算中可以不考虑雨衰。
1.1.3 人体损耗
毫米波通信主要依赖直射路径进行信号传输，直射路径非常容易受到人体阻挡，在链路预算中要充分考虑。人体损耗的大小与人、终端、信号直射方向的相对位置密切相关，根据测试结果，对于28 GHz，典型人体损耗值约为15 dB 左右；室内场景下，因为信号多径传播，所以实际人体损耗会减小，人体损耗值约为5 dB 左右。中低频一般不考虑人体损耗。
1.1.4 绕射和反射
频段越高，穿透能力越强，绕射能力越弱。通过测试，非视距场景下毫米波绕射损失远大于反射损失。
综合上述因素，毫米波适用于小范围覆盖、普通玻璃室内穿透和丰富的城区反射场景。1.2 毫米波在5G 应用中优劣势分析
用毫米波承载5G 信号，优劣势都非常明显，下面分别进行分析。
1.2.1 优势分析
（1）可用频段宽。可提供大带宽，带宽越大，系统容量（速率）就越高，很好地支撑5G 性能需求。
（2）波长短。频率越高，波长越短，能有效降低天线尺寸，单位面积下能布放更多的天线振子，毫米波大规模天线振子数量可做到768个，目前3.5 GHz 基本为192个，最大为256个。毫米波元器件的尺寸小，相对于Sub-6 GHz 设备，更
易小型化，提高了部署的灵活性。例如3.5 GHz 频段Massive MIMO 天线阵列的尺寸为40 cm×90 cm，同等条件下毫米波Massive MIMO 天线阵列的尺寸可做到12 cm×10 cm，迎风面积减小了30倍。
（3）波束窄。能量集中，方向性好。在相同天线尺寸下，毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如1个12 cm 的天线，在9.4 GHz 时波束宽度为18°，而94 GHz 时波速宽度仅1.8°。因此能分辨相距更近的小目标或更为清晰地观察目标的细节，更适合大规模天线在用户跟踪方面的应用。
1.2.2 劣势分析
（1）路径传播损耗大。根据理想化的自由空间传播损耗公式，传播损耗与频率的对数成正比。以3.5
GHz 与28 GHz 对比， 相差20 dB。而在非理想的传播条件下，传播损耗还要差得多。毫米波系统在通信方面的应用必须通过提高发射功率、天线增益和接收灵敏度等方法来补偿传播损耗。
（2）绕射能力差，非视距传播受限。频率越高，绕射能力越差。如图2所示，进行绕射损失计算，当无线与障碍物之间水平距离为1.8 m 时，绕射损失高达28 dB，可看出毫米波不适合
NLOS 场景。结合路径损耗和绕射损耗大等因素，毫米波仅适合短距离、视距通信。
图2 毫米波绕射示意图
（3）外部环境影响大。从前面分析可看出，树木、降雨和大气等外部环境因素对毫米波通信影响比较大，做链路预算时要留出充足的余量，以保证正常的通信。
2 毫米波在5G 中的应用场景
根据上述分析，结合毫米波的特性，毫米波在5G 中主要是做小范围覆盖、热点覆盖和容量补充，除此之外，在无线家庭宽带和无线回传等方面也有应用。2.1 热点覆盖
超密集组网是5G 关键技术之一，其原理为通过减少小区半径和密集部署传输节点，提高同样覆盖范围的小区数，达到满足5G 系统流量密度和连接密度的目的。应用场景包括密集住宅区、密集商务区、公寓、购物中心、交通枢纽、大型活动场馆和地铁等热点高容量场景。
超密集组网网络架构对应分为布局层、补盲层、吸热层和室内层，进而形成了以宏站为骨架，杆站、微站
和室分为主要覆盖手段的密集城区覆盖解决方案，其中，网络分层组网策略如图3所示。
毫米波在超密集组网中有大量应用，以微形态出现，主要分布在吸热层和室内层。通过在3.5 GHz
网络上叠加部署，利用带宽优势解决热点容量需求。以400 MHz 带宽、 256 QAM、4T4R 为例进行理论估算，单用户下行速率达到9.65 Gbit/s，基本达到5G 峰值速率目标。
在超密集分层组网架构下，宏站和微站采用不同频段，宏站工作在3.5 GHz 或者其它中低频段，并对整个网络微站进行统一控制和管理，这样就避免了移动通信环境下的频繁切换，提高了用户的使用体验（尤其是在高速环境下）。2.2 回传
5G 数量预计是现有4G 数量的3～5倍。在超密集组网架构下，并且物与物连接也接入网络，异
构网络（HetNet）的密度将会进一步增加。形
图3 网络分层组网策略
态包括宏、微、皮、飞等多种，其中后3种属于小微范畴。大街小巷甚至家庭内部都会部署小微进行容量承载，部署场景灵活多样，如果全部采用光纤回传，必然会敷设大量光纤，会增加高昂的传输成本，而且有些场景有线传输路由根本走不通。在此背景下，无线回传的概念应运而生。由于5G 微站大量采用毫米波，毫米波有足够的带宽同时满足接入与回传，并且大规模天线和多波束系统的部署，使得集成无线接入和回传的方案成为可能，这种方案通常称为自回传技术。
自回传技术是指回传链路和接入链路使用相同的无线传输技术，共用同一频带，通过时分和频分方式复用资源。通过回传链路和接入链路之间自适应的调整资源分配，可提高资源的使用效率。
如图4所示，5G 中继节点（图中A ）在时域、频域和空域（波束）上支持多个无线接入和回传链路。无线接入与回传频段选择有相同频段和不同频段两种方式，一般采用相同频段及带内中继。自回传技术要考虑无线接入和回传链路快速切换，降低通信阻塞；5G 中继节点之间要采用OTA 协作方式，以减轻干扰。2.3 无线家庭宽带
通过5G 无线传输技术实现无线家庭宽带（WTTx）的应用，同样是利用了毫米波大带宽的优势。中国光纤资源相对丰富，所以在中国应用并不普遍，但在美国和南非等地广人稀的国家，WTTx 比光纤接入成本要低很多。
2019年，全球已经有230张网络开始进行WTTx 的改造，WTTx 的用户数大幅增长。在欧洲，WTTx
的速率已经超越固网的接入速率。在美国，基于毫米波频段的WTTx 是5G 预商用的第一个商业模式。
3 测试情况
在中国IMT-2020（5G）推进组组织的5G 技术研
发试验第2阶段技术方案验证中，针对毫米波进行了两项测试。
3.1 热点高容量场景（高频）
3个厂家采用26 GHz 和28 GHz 频段，在带宽800～960 MHz、天线通道数为6、阵子数为256个并开启动态波束赋形技术的条件下，全部实现20 Gbit/s 以上的小区峰值传输速率，最高达到62.25 Gbit/s，满足了ITU 所确定的10～20 Gbit/s 的峰值传输速率性能指标要求。具体测试结果如图5所示。
上述测试是在视距情况下完成。对于毫米波频段，在视距或反射径比较丰富的场景下，可以获得比较好的性能，但非视距情况下，植被或建筑物等障碍物对高频
系统的性能影响非常严重。3.2 高低频混合组网场景
采用3.5 GHz 和26 GHz 双连接，
家庭自制黄豆芽机低频3.5
GHz
图4 集成无线接入和回传方案示意图
图5 热点高容量（高频）测试结果对比图汉语拼音卡片
>管理ip
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议