林達(dá)宜，賴幸君

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，通信技術(shù)尤其毫米波無線通信技術(shù)在產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，引起了更多的人關(guān)注。相比較于其他通信技術(shù)而言，毫米波無線通信技術(shù)有著顯著的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，其主要表現(xiàn)在巨大的帶寬、高速率傳輸以及便于集成等方面。本文對毫米波無線通信的概念、特點(diǎn)、環(huán)境以及優(yōu)劣勢等方面展開較為全面的綜述分析，并結(jié)合毫米波無線通信系統(tǒng)中的阻塞及中繼技術(shù)進(jìn)行研究，最后展望了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，旨在為相關(guān)研究人員提供參考。

1 毫米波無線通信概述

1.1 毫米波的特點(diǎn)

參考現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，毫米波為電磁波，其頻率范圍約在30～300 GHz，并且有著1～10 mm范圍的波長長度[1]?？梢钥闯觯鄬ζ渌姶挪?，毫米波有著巨大的帶寬，正是這一特點(diǎn)，毫米波甚至實(shí)現(xiàn)了Gpbs層次的通信效果，傳輸速率更迅捷?，F(xiàn)在越來越多的電子產(chǎn)品朝著集成化的方向發(fā)展，利用毫米波信號波長短的特點(diǎn)，使得天線元件被集成到無線芯片成為了可能，同時(shí)，有利于發(fā)射裝置和接受裝置中的天線增益增大，彌補(bǔ)了電磁波傳播中的信道衰減和高噪音的缺陷。但是，毫米波也存在一些缺陷，其通信過程對于障礙物的敏感性較高，一般常見的障礙物的尺寸都接近或者高于毫米波波長，這樣就會導(dǎo)致毫米波傳輸過程容易受到障礙物的遮擋，造成通信鏈路一定的阻塞，甚至有可能造成傳輸中斷。

1.2 毫米波通信的特點(diǎn)

毫米波主要有以下特點(diǎn)[2]。

（1）較高的傳輸速率。毫米波通信過程其頻段的帶寬可能會達(dá)到270 GHz，這將是普通頻段的微波無法相比的。從香農(nóng)定理了解到，頻段帶寬越大，所能夠容納的信息量就越大，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)較高的傳輸速率，這對于未來移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

（2）方向性好。在空間里，毫米波通信是以直射波的方式進(jìn)行的一種視距傳播方式，表現(xiàn)出直線行進(jìn)的特點(diǎn)，因此方向性好。

（3）探測能力強(qiáng)。毫米波通信在縱向探測和速度探測能力方面優(yōu)于普通電磁波，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的捕捉和監(jiān)測，已被應(yīng)用在雷達(dá)、制導(dǎo)的航天領(lǐng)域和人體器官監(jiān)測的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

以上主要的毫米波通信特點(diǎn)可以幫助毫米波在汽車電子、醫(yī)學(xué)、航空航天等產(chǎn)業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，產(chǎn)生巨大的效應(yīng)。

1.3 毫米波通信的環(huán)境

毫米波通信與環(huán)境條件有著密切的聯(lián)系，將從以下幾個(gè)方面分析影響毫米波通信的因素[3]。

（1）空間損耗。根據(jù)Friis傳播定律如式（1）所示，可以計(jì)算出空間損耗的大小，并且可以得到關(guān)鍵的影響因素。

式中， 為載波頻率；Gt為發(fā)射天線增益；c為3×108m；Pt為發(fā)射功率；R為發(fā)射接收段的距離；Gr為接收天線增益；Pr為接收功率。

在式（1）中，天線增益Gt和Gr理想條件下為1，那么對于接收功率Pr的影響因素只有頻率f，并與頻率f的平方成反比，f值越大，功率Pr越小。

（2）降雨損失。受天氣影響，尤其在下雨天氣，由于雨滴的尺寸與毫米波波長相近，導(dǎo)致毫米波信號傳輸存在散射，影響通信效果。

（3）滲透損失。毫米波與低頻段的電磁波相比較，波長短，因此對于材料的滲透損失較高，如干燥白墻的衰減為2.4 d B/c m，光滑玻璃的衰減為11.3 dB/cm，金屬網(wǎng)加固的玻璃衰減更是達(dá)到31.9 d B/cm，可以發(fā)現(xiàn)毫米波頻段的滲透損失普遍來說是較高的。

（4）大氣衰減。在大氣環(huán)境中存在水分子和氧氣分子等，毫米波頻段在大氣衰減要高于低頻段。但如果在室內(nèi)傳播的話，不大會受到影響，保密性較好。

1.4 毫米波通信的優(yōu)劣勢分析

1.4.1 毫米波通信優(yōu)勢分析

（1）可靠性高。由于毫米波的頻率較寬，且較高的頻率受到自然條件的影響小，傳輸信號穩(wěn)定，與激光傳輸相比較，可以說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間進(jìn)行傳播，波束很窄，具有良好的方向性。一方面，由于毫米波受大氣吸收和降雨衰落影響嚴(yán)重，一般用于點(diǎn)對點(diǎn)的短距離通信；另一方面，由于頻段高，干擾源很少，所以傳播穩(wěn)定可靠。

（3）易于小型化。因?yàn)楹撩撞úㄩL短，發(fā)射天線和接收天線尺寸小，易于集成在小型芯片上。相比微波，毫米波通信系統(tǒng)更易于小型化。

1.4.2 毫米波通信劣勢分析

毫米波除了上述的優(yōu)點(diǎn)外，最大的缺點(diǎn)是由于其波長短，導(dǎo)致穿過建筑物或者障礙物較難，同時(shí)容易被空氣中的水分子和氧氣分子吸收，影響通信效率。因此，當(dāng)前對于5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，常采用小基站的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

2 毫米波無線通信系統(tǒng)阻塞及中繼技術(shù).

2.1 毫米波通信中的阻塞

（1）阻塞的引起因素。由于毫米波波長較短，所以障礙物的衍射和穿透能力一般。當(dāng)尺寸相近的障礙物出現(xiàn)在毫米波傳播鏈路中時(shí)，很大程度會造成通信傳輸中斷或者傳輸失敗，這一現(xiàn)象被稱為阻塞現(xiàn)象。在應(yīng)用過程中，阻塞現(xiàn)象往往對毫米波在高速傳輸過程的效果造成影響。

（2）緩解阻塞的方式。為了緩解阻塞現(xiàn)象所造成的影響，目前常用的技術(shù)主要有兩種，一種是中繼方式，另一種回退方式。所謂的中繼方式是指，當(dāng)障礙物出現(xiàn)在毫米波的鏈路中，選擇通過中間站的方式與目標(biāo)進(jìn)行通信，進(jìn)而完成發(fā)射器與接收器的通信的過程。但是，由于毫米波通信具有良好的方向性，選擇通過中繼節(jié)點(diǎn)后，源節(jié)點(diǎn)必須通過中繼節(jié)點(diǎn)，并由中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)信號，從而增加了傳輸時(shí)間，這與常規(guī)微波通過解碼方式有所不同。而退回方式是指，在遇到障礙物后會選擇轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉顟B(tài)，等通過障礙物后，再次轉(zhuǎn)變?yōu)楹撩撞?，這個(gè)轉(zhuǎn)換的過程將會有一定性能損失，常常不被采用，因而在下文中將重點(diǎn)討論中繼技術(shù)。

2.2 毫米波通信中的中繼技術(shù)

通過建立中間站點(diǎn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，避開障礙物，使得信號適用范圍擴(kuò)大，既能夠解決毫米波的衍射能力差的問題，又能保證鏈路的穩(wěn)定。

2.2.1 中繼鏈路建立機(jī)制

在IEEE802.11 ad協(xié)議里，對中繼鏈路的建立進(jìn)行了定義，具體框架如圖1所示。

圖1 中繼基本框架

根據(jù)圖1可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)P需要傳輸?shù)浇K端A時(shí)，當(dāng)障礙物出現(xiàn)在鏈路中時(shí)，則會發(fā)送請求給節(jié)點(diǎn)P，這時(shí)節(jié)點(diǎn)P會利用已建立的中繼站點(diǎn)C進(jìn)行信息轉(zhuǎn)送，從而完成通信，提高了可靠性。中繼鏈路的建立需要請求、發(fā)現(xiàn)選擇和初始化三個(gè)階段完成[4]。

（1）請求階段。發(fā)現(xiàn)鏈路中出現(xiàn)障礙物，終端會給源節(jié)點(diǎn)發(fā)送中繼選擇請求，源節(jié)點(diǎn)在收到請求后，會反饋到中繼選擇請求幀，當(dāng)幀收到請求后，會向源節(jié)點(diǎn)和終端都展示可用的中繼節(jié)點(diǎn)信息，為下一步的選擇準(zhǔn)備。

（2）發(fā)現(xiàn)選擇階段。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和終端都了解到可用的中繼節(jié)點(diǎn)信息后，接下來需要進(jìn)行波束對齊，實(shí)現(xiàn)兩者選擇相同的中繼節(jié)點(diǎn)，在此，源節(jié)點(diǎn)還需要對鏈路的信道質(zhì)量進(jìn)行檢測，如質(zhì)量差的話，會重新選擇新的中繼節(jié)點(diǎn)。

（3）初始化的階段。當(dāng)完成請求和選擇階段后，源節(jié)點(diǎn)和終端都與相同的中繼節(jié)點(diǎn)建立聯(lián)系后，接著開始對中繼鏈路進(jìn)行初始化。所謂初始化，可以理解為信號演練，即源節(jié)點(diǎn)將信號發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)后，由中繼節(jié)點(diǎn)再發(fā)送到終端，收信號的終端同時(shí)需要給中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送反饋，再通過中繼節(jié)點(diǎn)完成到源節(jié)點(diǎn)的過程，整個(gè)過程順利完成后，此時(shí)的中繼鏈路就完成建立。

2.2.2 兩種中繼操作

毫米波通信傳輸過程采用的中繼技術(shù)也被分為兩種工作模式，分別是鏈路切換工作模式與鏈路合作工作模式。所謂鏈路切換工作模式是指源節(jié)點(diǎn)和終端間的鏈路不是一成不變的，會通過內(nèi)置算法選擇出最優(yōu)的鏈路完成信號傳遞。而所謂鏈路合作工作模式是指對直連鏈路、中繼鏈路的信號進(jìn)行了合并，使得它在接收鏈路的數(shù)量以及信號的質(zhì)量上都得到了很大的提高。

3 毫米波無線通信的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用展望

3.1 毫米波助力5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展

毫米波通信的技術(shù)特點(diǎn)將成為5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支柱。在未來，高速率和大流量傳輸將成為人們?nèi)粘５男枨?，繁華的步行街、廣場、車站等室外場景，以及辦公室、商場等室內(nèi)場景，都會成為毫米波通信的應(yīng)用場地。另外，固定無線寬帶業(yè)務(wù)也可以運(yùn)用毫米波通信完成，滿足人們對于更高清電視的需求。在未來5年內(nèi)，4G移動將成為過去式，5G移動將顛覆人們的生活領(lǐng)域，極大地方便人類社會活動。預(yù)計(jì)2030年，5G移動所創(chuàng)造的價(jià)值將達(dá)到6 000億美元，對全球GDP的貢獻(xiàn)率達(dá)0.6%[5]。

3.2 毫米波芯片將成為未來趨勢

毫米波芯片過去在軍工領(lǐng)域應(yīng)用較多，但隨著科技的發(fā)展與人們生活方式的改變，未來毫米波芯片將更貼近人們生活，具體在VR、AR以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。毫米波波長短使得元器件尺寸較小，有利于設(shè)備集成化和小型化，更加符合未來產(chǎn)品的需求，預(yù)計(jì)到2026年，5G毫米波前段模塊的產(chǎn)值將高達(dá)30億美元。

4 結(jié)束語

本文對毫米波無線通信技術(shù)開展研究，主要從毫米波相關(guān)概念入手，對毫米波通信過程進(jìn)行了分析，總結(jié)出阻塞原因和解決方式，重點(diǎn)對中繼技術(shù)進(jìn)行了論述，最后展望了毫米波通信產(chǎn)業(yè)的未來?！?/p>