毫米波无线通信系统的技术研究
时间：2023-04-08 11:10:03 来源：千叶帆 本文已影响人
林达宜，赖幸君
（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）
随着科学技术的迅速发展，通信技术尤其毫米波无线通信技术在产业的应用越来越广泛，引起了更多的人关注。相比较于其他通信技术而言，毫米波无线通信技术有着显著的特点和优点，其主要表现在巨大的带宽、高速率传输以及便于集成等方面。本文对毫米波无线通信的概念、特点、环境以及优劣势等方面展开较为全面的综述分析，并结合毫米波无线通信系统中的阻塞及中继技术进行研究，最后展望了产业应用，旨在为相关研究人员提供参考。
1.1 毫米波的特点
参考现有的文献资料，毫米波为电磁波，其频率范围约在30～300 GHz，并且有着1～10 mm范围的波长长度[1]。可以看出，相对其他电磁波，毫米波有着巨大的带宽，正是这一特点，毫米波甚至实现了Gpbs层次的通信效果，传输速率更迅捷。现在越来越多的电子产品朝着集成化的方向发展，利用毫米波信号波长短的特点，使得天线元件被集成到无线芯片成为了可能，同时，有利于发射装置和接受装置中的天线增益增大，弥补了电磁波传播中的信道衰减和高噪音的缺陷。但是，毫米波也存在一些缺陷，其通信过程对于障碍物的敏感性较高，一般常见的障碍物的尺寸都接近或者高于毫米波波长，这样就会导致毫米波传输过程容易受到障碍物的遮挡，造成通信链路一定的阻塞，甚至有可能造成传输中断。
1.2 毫米波通信的特点
毫米波主要有以下特点[2]。
（1）较高的传输速率。毫米波通信过程其频段的带宽可能会达到270 GHz，这将是普通频段的微波无法相比的。从香农定理了解到，频段带宽越大，所能够容纳的信息量就越大，进而可以实现较高的传输速率，这对于未来移动数据网络产业化发展奠定了基础。
（2）方向性好。在空间里，毫米波通信是以直射波的方式进行的一种视距传播方式，表现出直线行进的特点，因此方向性好。
（3）探测能力强。毫米波通信在纵向探测和速度探测能力方面优于普通电磁波，可实现远距离的捕捉和监测，已被应用在雷达、制导的航天领域和人体器官监测的医学领域。
以上主要的毫米波通信特点可以帮助毫米波在汽车电子、医学、航空航天等产业得到广泛的应用，产生巨大的效应。
1.3 毫米波通信的环境
毫米波通信与环境条件有着密切的联系，将从以下几个方面分析影响毫米波通信的因素[3]。
（1）空间损耗。根据Friis传播定律如式（1）所示，可以计算出空间损耗的大小，并且可以得到关键的影响因素。
式中， 为载波频率；
Gt为发射天线增益；
c为3×108m；
Pt为发射功率；
R为发射接收段的距离；
Gr为接收天线增益；
Pr为接收功率。
在式（1）中，天线增益Gt和Gr理想条件下为1，那么对于接收功率Pr的影响因素只有频率f，并与频率f的平方成反比，f值越大，功率Pr越小。
（2）降雨损失。受天气影响，尤其在下雨天气，由于雨滴的尺寸与毫米波波长相近，导致毫米波信号传输存在散射，影响通信效果。
（3）渗透损失。毫米波与低频段的电磁波相比较，波长短，因此对于材料的渗透损失较高，如干燥白墙的衰减为2.4 d B/c m，光滑玻璃的衰减为11.3 dB/cm，金属网加固的玻璃衰减更是达到31.9 d B/cm，可以发现毫米波频段的渗透损失普遍来说是较高的。
（4）大气衰减。在大气环境中存在水分子和氧气分子等，毫米波频段在大气衰减要高于低频段。但如果在室内传播的话，不大会受到影响，保密性较好。
1.4 毫米波通信的优劣势分析
1.4.1 毫米波通信优势分析
（1）可靠性高。由于毫米波的频率较宽，且较高的频率受到自然条件的影响小，传输信号稳定，与激光传输相比较，可以说毫米波具有全天候特性。
（2）方向性好。它以直射波的方式在空间进行传播，波束很窄，具有良好的方向性。一方面，由于毫米波受大气吸收和降雨衰落影响严重，一般用于点对点的短距离通信；
另一方面，由于频段高，干扰源很少，所以传播稳定可靠。
（3）易于小型化。因为毫米波波长短，发射天线和接收天线尺寸小，易于集成在小型芯片上。相比微波，毫米波通信系统更易于小型化。
1.4.2 毫米波通信劣势分析
毫米波除了上述的优点外，最大的缺点是由于其波长短，导致穿过建筑物或者障碍物较难，同时容易被空气中的水分子和氧气分子吸收，影响通信效率。因此，当前对于5G网络建设，常采用小基站的方式进行网络优化。
2.1 毫米波通信中的阻塞
（1）阻塞的引起因素。由于毫米波波长较短，所以障碍物的衍射和穿透能力一般。当尺寸相近的障碍物出现在毫米波传播链路中时，很大程度会造成通信传输中断或者传输失败，这一现象被称为阻塞现象。在应用过程中，阻塞现象往往对毫米波在高速传输过程的效果造成影响。
（2）缓解阻塞的方式。为了缓解阻塞现象所造成的影响，目前常用的技术主要有两种，一种是中继方式，另一种回退方式。所谓的中继方式是指，当障碍物出现在毫米波的链路中，选择通过中间站的方式与目标进行通信，进而完成发射器与接收器的通信的过程。但是，由于毫米波通信具有良好的方向性，选择通过中继节点后，源节点必须通过中继节点，并由中继节点进行转发信号，从而增加了传输时间，这与常规微波通过解码方式有所不同。而退回方式是指，在遇到障碍物后会选择转变为微波状态，等通过障碍物后，再次转变为毫米波，这个转换的过程将会有一定性能损失，常常不被采用，因而在下文中将重点讨论中继技术。
2.2 毫米波通信中的中继技术
通过建立中间站点，对数据进行转发传输，避开障碍物，使得信号适用范围扩大，既能够解决毫米波的衍射能力差的问题，又能保证链路的稳定。
2.2.1 中继链路建立机制
在IEEE802.11 ad协议里，对中继链路的建立进行了定义，具体框架如图1所示。
图1 中继基本框架
根据图1可以看出，当节点P需要传输到终端A时，当障碍物出现在链路中时，则会发送请求给节点P，这时节点P会利用已建立的中继站点C进行信息转送，从而完成通信，提高了可靠性。中继链路的建立需要请求、发现选择和初始化三个阶段完成[4]。
（1）请求阶段。发现链路中出现障碍物，终端会给源节点发送中继选择请求，源节点在收到请求后，会反馈到中继选择请求帧，当帧收到请求后，会向源节点和终端都展示可用的中继节点信息，为下一步的选择准备。
（2）发现选择阶段。当源节点和终端都了解到可用的中继节点信息后，接下来需要进行波束对齐，实现两者选择相同的中继节点，在此，源节点还需要对链路的信道质量进行检测，如质量差的话，会重新选择新的中继节点。
（3）初始化的阶段。当完成请求和选择阶段后，源节点和终端都与相同的中继节点建立联系后，接着开始对中继链路进行初始化。所谓初始化，可以理解为信号演练，即源节点将信号发送到中继节点后，由中继节点再发送到终端，收信号的终端同时需要给中继节点发送反馈，再通过中继节点完成到源节点的过程，整个过程顺利完成后，此时的中继链路就完成建立。
2.2.2 两种中继操作
毫米波通信传输过程采用的中继技术也被分为两种工作模式，分别是链路切换工作模式与链路合作工作模式。所谓链路切换工作模式是指源节点和终端间的链路不是一成不变的，会通过内置算法选择出最优的链路完成信号传递。而所谓链路合作工作模式是指对直连链路、中继链路的信号进行了合并，使得它在接收链路的数量以及信号的质量上都得到了很大的提高。
3.1 毫米波助力5G产业发展
毫米波通信的技术特点将成为5G产业发展的重要支柱。在未来，高速率和大流量传输将成为人们日常的需求，繁华的步行街、广场、车站等室外场景，以及办公室、商场等室内场景，都会成为毫米波通信的应用场地。另外，固定无线宽带业务也可以运用毫米波通信完成，满足人们对于更高清电视的需求。在未来5年内，4G移动将成为过去式，5G移动将颠覆人们的生活领域，极大地方便人类社会活动。预计2030年，5G移动所创造的价值将达到6 000亿美元，对全球GDP的贡献率达0.6%[5]。
3.2 毫米波芯片将成为未来趋势
毫米波芯片过去在军工领域应用较多，但随着科技的发展与人们生活方式的改变，未来毫米波芯片将更贴近人们生活，具体在VR、AR以及物联网等领域得到广泛应用。毫米波波长短使得元器件尺寸较小，有利于设备集成化和小型化，更加符合未来产品的需求，预计到2026年，5G毫米波前段模块的产值将高达30亿美元。
本文对毫米波无线通信技术开展研究，主要从毫米波相关概念入手，对毫米波通信过程进行了分析，总结出阻塞原因和解决方式，重点对中继技术进行了论述，最后展望了毫米波通信产业的未来。■
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