1、毫米波產生的背景

 

在(zai)頻(pin)譜(pu)資(zi)源(yuan)越(yue)來(lai)越(yue)緊(jin)缺(que)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，開(kai)發(fa)利(li)用(yong)使(shi)用(yong)在(zai)衛(wei)星(xing)和(he)雷(lei)達(da)軍(jun)用(yong)係(xi)統(tong)上(shang)的(de)毫(hao)米(mi)波(bo)頻(pin)譜(pu)資(zi)源(yuan)成(cheng)為(wei)了(le)第(di)五(wu)代(dai)移(yi)動(dong)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)的(de)重(zhong)點(dian)，因(yin)毫(hao)米(mi)波(bo)段(duan)擁(yong)有(you)巨(ju)大(da)的(de)頻(pin)譜(pu)資(zi)源(yuan)開(kai)發(fa)空(kong)間(jian)所(suo)以(yi)成(cheng)為(wei) Massive MIMO 通信係統的首要選擇。毫米波的波長較短，在 Massive MIMO xitongzhongkeyizaixitongjizhanduanshixiandaguimotianxianzhenliedesheji，congershihaomiboyingyongjiehezaiboshuchengxingjishushang
，zheyangkeyiyouxiaodetishengtianxianzengyi
，danyeshiyouyuhaomibodebochangjiaoduan
，suoyizaihaomibotongxinzhong，chuanshuxinhaoyihaomiboweizaitishirongyishoudaowaijiezaoshengdengyinsudeganraohebutongchengdudeshuaijian。

 

2
、毫米波簡介

 

毫米波 （millimeter wave ）：波長為1～10毫米的電磁波稱毫米波，對應頻率為30~300GHz

，它位於微波與遠紅外波相交疊的波長範圍，因而兼有兩種波譜的特點。

 

 

毫米波的優勢:

 

　　1）極寬的帶寬。通常認為毫米波頻率範圍為26.5～300GHz
，帶寬高達273.5GHz。超過從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時隻能使用四個主要窗口，但這四個窗口的總帶寬也可達135GHz
，為微波以下各波段帶寬之和的5倍。配合各種多址複用技術的使用可以極大提升信道容量，適用於高速多媒體傳輸業務, 這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。

 

　　2）波束窄。在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個 12cm的天線，在9.4GHz時波束寬度為18度，而94GHz時波束寬度僅1.8度。因此可以分辨相距更近的小目標或者更為清晰地觀察目標的細節。

 

　　3）可靠性高
，較高的頻率使其受幹擾很少
，能較好抵抗雨水天氣的影響，提供穩定的傳輸信道
；與激光相比，毫米波的傳播受氣候的影響要小得多
，可以認為具有全天候特性。

 

　　4）方向性好，毫米波受空氣中各種懸浮顆粒物的吸收較大，使得傳輸波束較窄

，增大了竊聽難度，適合短距離點對點通信
；

 

　  5）波(bo)長(chang)極(ji)短(duan)，所(suo)需(xu)的(de)天(tian)線(xian)尺(chi)寸(cun)很(hen)小(xiao)
，易(yi)於(yu)在(zai)較(jiao)小(xiao)的(de)空(kong)間(jian)內(nei)集(ji)成(cheng)大(da)規(gui)模(mo)天(tian)線(xian)陣(zhen)。和(he)微(wei)波(bo)相(xiang)比(bi)


，毫(hao)米(mi)波(bo)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)尺(chi)寸(cun)要(yao)小(xiao)得(de)多(duo)。因(yin)此(ci)毫(hao)米(mi)波(bo)係(xi)統(tong)更(geng)容(rong)易(yi)小(xiao)型(xing)化(hua)。

 

毫米波的缺點:

 

除了優點之外
，毫米波也有一個主要缺點，那就是不容易穿過建築物或者障礙物

，並且可以被葉子和雨水吸收。這也是為什麼5G網(wang)絡(luo)將(jiang)會(hui)采(cai)用(yong)小(xiao)基(ji)站(zhan)的(de)方(fang)式(shi)來(lai)加(jia)強(qiang)傳(chuan)統(tong)的(de)蜂(feng)窩(wo)塔(ta)。毫(hao)米(mi)波(bo)通(tong)信(xin)係(xi)統(tong)中(zhong)，信(xin)號(hao)的(de)空(kong)間(jian)選(xuan)擇(ze)性(xing)和(he)分(fen)散(san)性(xing)被(bei)毫(hao)米(mi)波(bo)高(gao)自(zi)由(you)空(kong)間(jian)損(sun)耗(hao)和(he)弱(ruo)反(fan)射(she)能(neng)力(li)所(suo)限(xian)製(zhi)，又(you)由(you)於(yu)配(pei)置(zhi)了(le)大(da)規(gui)模(mo)天(tian)線(xian)陣(zhen)，很(hen)難(nan)保(bao)證(zheng)各(ge)天(tian)線(xian)之(zhi)間(jian)的(de)獨(du)立(li)性(xing)，因(yin)此(ci)
，在(zai)毫(hao)米(mi)波(bo)係(xi)統(tong)中(zhong)天(tian)線(xian)的(de)數(shu)量(liang)要(yao)遠(yuan)遠(yuan)高(gao)於(yu)傳(chuan)播(bo)路(lu)徑(jing)的(de)數(shu)量(liang)。

 

同時以技術來看
，毫米波曾經的技術“缺陷”現如今也能成為優勢。

 

要(yao)知(zhi)道(dao)頻(pin)段(duan)越(yue)高(gao)
，對(dui)於(yu)接(jie)收(shou)天(tian)線(xian)的(de)尺(chi)寸(cun)要(yao)求(qiu)就(jiu)會(hui)越(yue)低(di)。這(zhe)意(yi)味(wei)對(dui)於(yu)支(zhi)持(chi)毫(hao)米(mi)波(bo)的(de)終(zhong)端(duan)而(er)言(yan)，機(ji)身(shen)內(nei)部(bu)的(de)接(jie)收(shou)天(tian)線(xian)可(ke)以(yi)做(zuo)得(de)比(bi)以(yi)往(wang)更(geng)小(xiao)，而(er)對(dui)於(yu)沒(mei)有(you)尺(chi)寸(cun)限(xian)製(zhi)的(de)終(zhong)端(duan)
，也(ye)可(ke)以(yi)在(zai)原(yuan)先(xian)的(de)技(ji)術(shu)上(shang)容(rong)納(na)更(geng)多(duo)的(de)高(gao)頻(pin)段(duan)天(tian)線(xian)

，從(cong)而(er)獲(huo)得(de)更(geng)好(hao)的(de)接(jie)受(shou)效(xiao)果(guo)。

 

更為重要的是，毫米波本身由於傳播距離比6GHzyixiapinlvgengduan，yincizaizhenggechuanbolujingxia，tadedingxiangxingjianghuigengjuyoushi

，zheshidehaomiboxinhaojianshoudaoganraodekenengxingjianghuibiandegengxiao
，chuanbodejingduyousuotigao。lingwai
，zhaiboshubenshenyouyuchuanbojuliduan，tabeiyuanjulijiehuodekenengxingjiangbiandegengdi
，zaitongxunanquanfangmian，yeyouzhewukebinideyoushi。

 

當然嚴格來說，所謂的毫米波（mmWave）更確切的是指EHF頻段，它是頻率範圍橫跨30GHz至300GHz的電磁波

，如果從波長來定義，30GHz的電磁波波長為10毫米，而300GHz的電磁波波長則僅為1毫米。但根據FR2頻段的播放來計算，24.25GHz的波長已經超過10毫米，雖然我們將它稱作毫米波，但許多人認為它更應該劃入厘米波的範疇。

 

不過由於世界並沒有組織對毫米波下達過明確的定義
，因此從廣義認同的界限來看，FR2頻段算作毫米波也無傷大雅。

 

 

3、毫米波頻譜劃分

 

2015年
，ITU-R WP5D發布了IMT.ABOVE 6GHz的研究報告
，詳細研究了不同頻段無線電波的衰減特性。在同年的世界無線電通信大會(WRC-15)上提出了多個5G候選的毫米波頻段，最終5G毫米波頻譜的確定將在WRC-19上的完成。

 

在全球範圍內，5G部署的頻段有且隻有兩種，一種是sub-6GHz
，指的是6GHz以下的頻段，一種是毫米波。

 

 

經過多年的研究和討論，各國各地區對毫米波頻譜資源的劃分都有所進展
，以下將著重介紹中國、美國及歐洲在毫米波頻段劃分上的近況。

 

中國：2017年6月，工信部麵向社會廣泛征集24.75-27.5 GHz、37-42.5 GHz或其他毫米波頻段用於5G係統的意見，並將毫米波頻段納入5G試驗的範圍
，意在推動5G毫米波的研究及毫米波產品的研發試驗。

 

美國：早在2014年，FCC(美國聯邦通訊委員會)就開啟了5G毫米波頻段的分配工作
，2016年7月，確定將27.5-28.35 GHz
、37-38.6 GHz、38.6-40 GHz作為授權頻譜分配給5G，另外還為5G分配了64-71 GHz作為未授權頻譜。

 

歐洲：2016年11月，RSPG(歐盟委員會無線頻譜政策組)發布了歐盟5G頻譜戰略，確定將24.25-27.5 GHz作為歐洲5G 的先行頻段，31.8-33.4 GHz 、40.5-43.5 GHz作為5G潛在頻段。

 

4
、毫米波終端技術實現

 

毫米波頻段頻率高、帶寬大等特點將對未來5G終端的實現帶來諸多挑戰
，毫米波對終端的影響主要在於天線及射頻前端器件。

 

4.1 終端側大規模天線陣列

 

由(you)於(yu)天(tian)線(xian)尺(chi)寸(cun)的(de)限(xian)製(zhi)
，在(zai)低(di)頻(pin)段(duan)大(da)規(gui)模(mo)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)隻(zhi)能(neng)在(zai)基(ji)站(zhan)側(ce)使(shi)用(yong)。但(dan)隨(sui)著(zhe)頻(pin)率(lv)的(de)上(shang)升(sheng)，在(zai)毫(hao)米(mi)波(bo)段(duan)
，單(dan)個(ge)天(tian)線(xian)的(de)尺(chi)寸(cun)可(ke)縮(suo)短(duan)至(zhi)毫(hao)米(mi)級(ji)別(bie)，在(zai)終(zhong)端(duan)側(ce)布(bu)置(zhi)更(geng)多(duo)的(de)天(tian)線(xian)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。如(ru)下(xia)圖(tu)1所示，目前大多數LTE終端隻部署了兩根天線
，但未來5G毫米波終端的天線數可達到16根甚至更多，所有的天線將集成為一個毫米波天線模塊。由於毫米波的自由空間路損更大
，氣衰
、雨yu衰shuai等deng特te性xing都dou不bu如ru低di頻pin段duan
，毫hao米mi波bo的de覆fu蓋gai將jiang受shou到dao嚴yan重zhong的de影ying響xiang。終zhong端duan側ce使shi用yong大da規gui模mo天tian線xian陣zhen列lie可ke獲huo得de更geng多duo的de分fen集ji增zeng益yi
，提ti高gao毫hao米mi波bo終zhong端duan的de接jie收shou和he發fa射she性xing能neng
，能neng夠gou在zai一yi定ding程cheng度du彌mi補bu毫hao米mi波bo覆fu蓋gai不bu足zu的de缺que點dian，終zhong端duan側ce大da規gui模mo天tian線xian陣zhen列lie將jiang會hui是shi毫hao米mi波bo得de以yi商shang用yong的de關guan鍵jian因yin素su之zhi一yi。

 

圖1：LTE終端與毫米波終端天線設想

 

終端部署更多的天線意味著終端設計難度的上升，與基站側部署大規模天線陣列不同，終端側的大規模天線陣列受終端尺寸
、終zhong端duan功gong耗hao的de製zhi約yue，其qi實shi現xian難nan度du將jiang大da大da增zeng加jia，目mu前qian隻zhi能neng在zai固gu定ding終zhong端duan上shang實shi現xian大da規gui模mo天tian線xian陣zhen列lie的de布bu置zhi。移yi動dong終zhong端duan的de大da規gui模mo天tian線xian陣zhen列lie設she計ji麵mian臨lin諸zhu多duo挑tiao戰zhan，包bao括kuo天tian線xian陣zhen列lie校xiao準zhun，天tian線xian單dan元yuan間jian的de相xiang互hu耦ou合he以yi及ji功gong耗hao控kong製zhi等deng。

 

4.2 毫米波射頻前端器件

 

射頻前端器件包括了功率放大器
、開關、濾波器、雙工器、低噪聲放大器等，其中功率放大器是最為核心的器件，其性能直接決定了終端的通信距離、信號質量及待機時間。目前製造支持低頻段的射頻前端器件的材料多為砷化镓、CMOS和矽鍺。但由於毫米波段與低頻段差異較大
，低頻射頻前端器件的製造材料在物理特性上將很難滿足毫米波射頻前端器件的要求。

 

以功率放大器為例
，目前主流的功率放大器製造材料為砷化镓，但在毫米波頻段
，氮化镓及InP的製造工藝在性能指標上均要強於砷化镓。下表所示為從低頻到毫米波段主要的射頻前端器件製造工藝上的發展方向。

 

 

另外，毫米波頻段大帶寬的特點對射頻前端器件的提出了更高的要求，未來毫米波終端的射頻前端器件將可能需支持1GHz以上的連續帶寬。

 

雖然氮化镓被認為是未來毫米波終端射頻的主流製造工藝，但由於成本、產chan能neng等deng因yin素su，基ji於yu氮dan化hua镓jia工gong藝yi的de高gao性xing能neng射she頻pin前qian端duan器qi件jian多duo用yong於yu軍jun工gong和he基ji站zhan等deng特te殊shu場chang景jing。毫hao米mi波bo射she頻pin前qian端duan技ji術shu的de發fa展zhan將jiang會hui成cheng為wei毫hao米mi波bo終zhong端duan實shi現xian的de關guan鍵jian，預yu計ji到dao2020年之後，毫米波移動終端射頻器件的技術和成本才可能達到大規模商用的要求。

 

5、麵向5G的毫米波網絡構架

 

建成5G後，5G網絡強大的數據傳輸能力
，極強的穩定性以及大範圍的覆蓋率給大數據時代帶來了很多的好處
，在部分建設好的地區可以時用戶體驗到10M/S 及以上的傳輸速率
，通過網絡給社會發展與人們提供保障。有關事實表明，對於LTE 覆蓋範圍不大的這一個問題，通過5G 可以進行大範圍覆蓋
，處理該問題。可是因為5G 建jian設she初chu步bu階jie段duan需xu挑tiao選xuan合he適shi的de地di址zhi，建jian設she對dui應ying的de基ji礎chu設she施shi，同tong時shi在zai後hou期qi保bao養yang成cheng本ben高gao，因yin而er
，在zai當dang前qian還hai在zai進jin行xing理li論lun試shi驗yan，沒mei有you真zhen正zheng投tou入ru使shi用yong。因yin此ci，5G 英ying超chao向xiang著zhe小xiao型xing與yu集ji成cheng化hua的de趨qu勢shi發fa展zhan。基ji於yu此ci

，可ke將jiang基ji礎chu機ji構gou建jian設she為wei美mei觀guan的de形xing式shi，給gei沒mei有you環huan境jing提ti供gong助zhu力li。按an照zhao建jian設she的de實shi際ji情qing況kuang進jin行xing設she計ji，進jin行xing科ke學xue部bu署shu，這zhe樣yang就jiu可ke以yi節jie省sheng經jing濟ji。

 

zaitongxincengmian，shujuyuxinlingnenggouqidaobuyiyangdezuoyong。shujujingguozhuanmentongdaoyouyigezhongduanchuanshudaolingwaideyigezhongduan。xinlingxuzaiwangluozhongjingguogezhongchuanshu，tongshizaichuanshushikenengxuyaotongguochulicaikeqidaozuidazuoyong。zaitongxunxitonglimian，xinlingyushujujubeigezibuyiyangdechuanshuqudao，jianchengxitonghou，LTE可以運輸不一樣的信令。在5G 係統內的設計將數據與信令分離的傳輸形式，可以處理好在LTE 內信令占據過多資源的情況，進而提升傳輸的效率。

 

 

6
、總結

 

在現代化社會中，經濟的持續發展帶動了5G 技ji術shu的de持chi續xu發fa展zhan
，毫hao米mi波bo技ji術shu在zai未wei來lai發fa展zhan過guo程cheng中zhong也ye一yi定ding會hui變bian成cheng主zhu要yao的de工gong具ju。可ke是shi，現xian如ru今jin，因yin為wei毫hao米mi波bo傳chuan播bo的de範fan疇chou有you限xian，無wu法fa進jin行xing遠yuan距ju離li的de傳chuan輸shu
，伴ban隨sui科ke學xue技ji術shu的de進jin步bu，該gai問wen題ti也ye可ke以yi有you效xiao解jie決jue
，進jin而er給gei5G 的到來奠定基礎。毫米波具備一定的穩定性，能夠給5G 技術研究提供參照

，整體而言，要使5G技術更加成熟，就需要通過毫米波技術
，與創新科學技術

，研製出新型的技術在5G 中使用
，或許在不久的將來，毫米波將成為5G乃至6G的常用頻段。

 

我們相信，5G技ji術shu正zheng像xiang這zhe個ge時shi代dai的de蒸zheng汽qi機ji
，它ta將jiang再zai一yi次ci推tui動dong全quan人ren類lei全quan產chan業ye的de進jin步bu

，無wu論lun是shi工gong業ye領ling域yu還hai是shi普pu通tong人ren的de生sheng活huo，都dou將jiang因yin此ci而er改gai變bian。在zai頻pin譜pu資zi源yuan進jin一yi步bu被bei壓ya榨zha的de當dang下xia，毫hao米mi波bo技ji術shu最zui終zhong也ye將jiang登deng上shang曆li史shi舞wu台tai
，承cheng擔dan起qi提ti供gong更geng優you質zhi網wang絡luo的de重zhong任ren。

 

 

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