毫米波通信技术在下一代移动通信中的应用

毫米波通信技术在下一代移动通信中的应用

王玉杰

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摘要:本文探讨了毫米波通信技术在下一代移动通信(5G和更先进的网络)中的应用前景。毫米波频段拥有可观的频率资源,适合支持高数据速率和海量设备接入的通信需求。文章首先介绍了毫米波通信的关键技术,包括天线阵列波束赋形、混合波束追踪以及信道编码等。接着分析了毫米波在5G及其后续网络中的潜在应用场景,如增强移动宽带、大规模机器类通信和超可靠低延迟通信等。同时指出了毫米波系统在信道建模、波束管理和干扰消除等方面面临的挑战。最后总结了毫米波技术在未来移动通信中的关键作用和发展趋势。

关键词:毫米波通信；5G；波束赋形；信道编码；射频前端；天线阵列

引言:

移动通信技术正在飞速发展,未来移动网络需要满足诸如增强移动宽带、大规模机器类通信、超高可靠低延迟通信等多种不同的应用场景。而毫米波频段(30GHz-300GHz)蕴含着大量可利用频谱资源,被认为是实现高速率、大容量、低延迟通信的关键技术之一。本文将重点论述毫米波通信技术在5G及其后续网络的应用。

一、毫米波通信技术概述

毫米波指30-300GHz的频率范围,相比常规无线通信频段,拥有大量未被利用的频率资源。利用毫米波可实现高速率数据传输和大容量通信。毫米波通信技术包括天线阵列波束赋形、混合波束追踪、先进信道编码以及高性能射频前端等。其中,天线阵列可产生高增益波束快速追踪移动用户,并通过波束赋形提高频谱利用率;先进编码则帮助克服毫米波传播损耗。

二、毫米波在5G应用场景

（一）增强移动宽带(eMBB)

作为5G三大应用场景之一,eMBB侧重于为移动用户提供高速率的数据接入。毫米波频段提供了所需的大带宽,配合大规模天线阵列的高天线增益和波束赋形技术,毫米波通信可以高效利用频谱资源,为用户提供数Gbps级别的无线接入速率。在热点区域部署毫米波小微蜂窝网络,能够满足虚拟现实、超高清视频等对超高数据吞吐量的需求。

（二）大规模机器类通信(mMTC)

预计未来将有大量物联网设备接入移动网络,因此mMTC应用场景对系统的覆盖和连接容量提出了巨大挑战。毫米波通信具有高频率再用和波束赋形等特性,借助超密集波束赋形技术,可显著提高小区容量和频谱利用率,从而支持海量物联网终端的连接。同时,毫米波的高传输速率也能够支持诸如工业自动化等对时延和可靠性有较高要求的mMTC应用。

（三）超可靠低延迟通信(uRLLC)

许多新兴应用如车联网、工业控制等都对移动通信系统的时延和可靠性提出了更高要求,这正是uRLLC应用场景所要解决的问题。毫米波通信具有高带宽、低空口时延等特点,加之天线阵列导向传输避免多径效应,可显著降低时延抖动,提供低时延服务。同时,通过适当的多址接入和高效信道编码等技术,也可以实现高可靠性的无线传输。

三、毫米波通信面临的挑战

（一）信道建模和预测

由于毫米波的传播特性与传统微波频段存在显著差异,准确的信道模型对于系统设计至关重要。毫米波易受建筑物、人体等阻挡物的影响,信号在近视距离内呈现准视距传播特征,且具有较高的路径损耗。因此,需要建立更贴近实际场景的信道模型,全面考虑反射、衍射、散射等传播机理,并针对不同应用场景给出合理的参数设置。另外,由于移动性导致信道快速变化,对实时信道预测和跟踪提出了新的挑战。

(二)波束管理

毫米波系统通常采用大规模天线阵列形成高增益波束,对波束管理的要求很高。既需要在初始接入时快速高效地发现最优波束对,又要在通信过程中持续跟踪移动用户,及时调整波束方向。此外,在多用户场景下,如何进行波束对资源分配,避免波束对之间的干扰,也是一个值得研究的课题。高效的波束管理算法是确保系统性能的关键。

(三)干扰消除

与传统系统相比,毫米波通信需要面临更为严峻的干扰挑战。一方面,为提高频谱利用率,小区会被进一步缩小,小区间的干扰将更加显著;另一方面,毫米波易受遮挡影响,可能出现严重的阻挡导致信号中断。因此,需要采取有效的干扰消除和避免技术,如基于波束赋形的空分复用、动态波束调整、小区协作等。同时还需要考虑与低频系统之间的协同工作。

(四)能效问题

虽然毫米波通信可实现高速率传输,但其发射功率和覆盖范围往往受到限制。为实现全覆盖,需要部署大量基站,从而增加系统能耗。此外,大规模天线阵列和大带宽模拟射频前端也将导致较高功耗。因此,如何在保证通信质量的同时,提高系统能效,将是毫米波通信面临的重大挑战之一。可考虑通过低功耗波束赋形、休眠控制、无线能量传输等多种手段来实现。

四、毫米波技术发展趋势

毫米波通信技术将朝着高度集成化、智能化和绿色化方向发展,为实现6G及其后续无线通信系统做好技术储备。首先是毫米波硬件的高度集成。未来将会看到高度集成的系统级芯片(SoC)和射频系统级封装(SiP),集成了基带处理、射频收发、天线阵列等功能模块,有助于终端设备的小型化和低功耗化。同时芯片设计也将向更高毫米波频段(如terahertz频段)拓展。

智能化是毫米波技术发展的另一个重点方向。通过人工智能和机器学习等先进技术,可以实现智能波束跟踪、信道建模与预测、资源优化分配等,提高通信链路的性能和可靠性。智能反射阵列等新型智能表面也为毫米波通信开辟了新的应用场景。绿色环保是毫米波技术必须考虑的重要因素。未来需要研究基于功率控制、基站休眠、无线能量传输等多种节能技术,在保证通信质量的同时最大限度地降低能耗,减少碳排放。毫米波技术的高集成度也将有利于降低系统功耗。

毫米波作为一种关键的无线接入技术,在高速率、大容量、低时延等方面具有独特优势,将为6G时代万物互联的愿景提供强有力的技术支撑。相信随着技术的不断创新,毫米波通信将推动下一代移动通信网络的长足发展。

结语:

毫米波通信技术为实现5G及未来更高级别的移动通信网络提供了坚实的技术基础。凭借其支持高数据速率、海量连接和低时延的能力,毫米波必将在不同应用场景得到广泛应用。同时,解决好信道建模、波束管理等挑战,并优化毫米波系统的能效表现,毫米波通信将为下一代无线通信注入新的动力。

参考文献

[1]徐宇顺,闫岗,杜刚亭.传输网络建设中的5G移动通信技术探究[J].数字通信世界,2022,(09):32-34.

[2]杨孙昆.5G系统中毫米波通信性能的分析与研究[D].北京邮电大学,2021.