Applications of mm-wave for 5G Mobile Communications

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Abstract: In this lecture, the concept of 5G, KPI and exploitation of new spectrum(mm-wave) for 5G, is introduced.

Keywords: 5G mobile; KPI; Spectrum; mm-wave

1 引言

自20世纪80年代无线蜂窝移动电话问世以来,经30多年的发展,已进入到4G时代。表1列出了1~4代的

技术发展水平[1],从中可见,从第一代到第二代,实

现了从模拟制到数字制的跨越;在传输速率、可靠性和应用等方面,每十年就跨上一个台阶,到第四代,已将分组交换完全取代了电路交换,提高了通信资源的利用率,从而提升了信道容量和吞吐量。总之,无线蜂窝移动通信在短短的数十年里,其进步是快速而巨大的。

表1 1~4G无线蜂窝移动通信的发展

(1)要指出,无线移动通信每一阶段的发展,都是对全球社会信息化的巨大推动。在发达国家,它提供了包括话音、短信乃至多种数据业务的便捷 通信;在发展中国家,它以较低代价,迅速实现了通信现代化,填平了与发达国家之间的“数字鸿沟”。

(2)第四代无线移动通信已几近“极致”,实现了在任何地方、任何时间与任何人之间的人与人之间的通信联系,但其发展并未完结,“第五代”

(“5G”)移动通信又已提到了日程上来。国际电信联盟(ITU)2015年11月将第五代无线移动通信正式命名为IMT-2020,给出了5G的发展路线图(图1),规定到2020年达到实用化的目标[2]。

(3)在中国,华为、中兴、大唐等开发商和中国

移动、中国电信、联通等运营商也提出了与之同步的时间表。5G移动通信出台前的工作正紧锣密鼓地

进行着。

2 什么是5G?为什么要发展5G?

什么是5G移动通信?至今未见统一的严格的定

义。从“入门”认知的角度看,可以认为,5G无线移动

通信是传输速度更快、时延更短、容量更大、应用更广、能量更节省、更绿色、更可靠的新一代移动通

信。进一步说明,图2给出了5G的系统架构。从中可见,5G将是一个真正意义上的应用范围极广的会聚系统:从移动语音到每秒数千兆比传输的移动互

联网,到设备与设备(D2D)、车辆与车辆或车辆与基础设施(V2X)的通信,以及机器类(MTC)通信和公共安全应用。总之,5G是产业,5G是第四次产

业革命的基础设施。在宏蜂窝区层面上,基站将采

用三维多入-多出(3D-MIMO)技术,以进一步提升

数据速率和容量;同时在盲区和热点,利用中继、

布置超密度小区或Wi-fi卸载,进一步提升覆盖、容量和端到端传输性能。此外,5G中,智能电网也是

非常有价值的应用,它能使电网以更可靠和高效的方式运行。在无线接入网中,采用云计算,可大降低末端用户的通信时延,以支持对时延要求苛刻的应用场合的实时控制。

由于嵌入小区,会给网络架构带来新的挑战。

图3给出了传统的蜂窝移动网络与5G网络比较的示

意图,网络从单层演变为多层,网络拓扑更为复杂,容纳了各种用途的终端,通信联接无时不在、无处不在。 (本图引自Jonathan Rodriguez. Fundamentals of 5G Mobile Networks. Wiley,2015)

经过世界有关方面和专家的协商,已确定用户体验速率、峰值速率、时延、移动性、连接数密度、流量密度、能效和频谱效率等8个作为5G的关键性能指标,其定义和量化值如表2所示。 (本图引自Ekram Hossain,et.al,5g Cellular: Key Enabling Technologies and Research Challenges)

据认为,这8个关键性能指标中,最具代表性的是达到1Gb/s的用户体验速率,用户使用这样的手机,在数秒钟内,可下载一部高清电影,或无须缓存等待的足球、篮球赛直播节目,这是以往所无法

达到的,就是说,5G打开了广大用户进入了千兆比时代的大门。

需求是发展5G的推动力。移动互联网和物联网是发展5G的两大推动力(图4)[2]。

首先,是人类社会信息化向更高水平发展,推动了移动互联网数量与质量的进一步提升。最初,互联网中的计算机和通信设备是固定不动的,但使用计算机和通信设备的人对信息的依赖性起来越大,而他们是常常是需要走动的,如随着工业、商业、行政和文教等远程办公和移动办公人员越来越多,对

移动互联的需求也越来越大。除工作外,人们在文化、娱乐、体育活动及家庭亲友的交互中,移动互连也是大量的,必不可少的。就娱乐游戏而言,人们需要在线从二维升级到增强现实、虚拟现实、超高清

(3D)视频等更加身临其境的体验。这需要宽带、高速率数据传输和多媒体技术的支持;3D游戏互动则要求极短的时延。图5给出了关于全球移动连

接和数据业务的统计与增长预测情况[3],可见其需求的快速增长。

其次,是随着全球城市智慧化的进程,数以千亿计的机器、设备将接入网络,所构成的物联网将获得巨大发展,这将极大扩展通信服务范围,从人与人通信延伸到物与物、人与物的智能互联。包括机器对机器(M2M)、设备对设备(D2D)等移动互联。其中,M2M通信是物联网的基础,海量的机器

具有通信能力且构成网络,可智慧互动,实现对机器本身或周围环境的监视、控制,它不是简单产生采集点的数据,而是一种机器间的协作系统。它们

具有传输量少、巨量连接、突发性等特征。图6是全

球和中国移动设备及物联网连接现状与发展趋势

[3],正是其需求的高速增长,为5G开辟了新的宽阔

的市场。这样,从限于人与人之间的通信互联,到全球的万物(包括人)互联,并赋予“智慧”,这是人类社会带根本性的信息化革命。

如上所述,未来的5G将容纳多种终端、多种业

务和应用环境,其中几种典型的应用场景举例如图7所示[3]。图中所列的关键挑战与表2中所列出的关

键性能指标,是呼应的。

连续广域覆盖是移动通信最基本的覆盖方式,要保证用户的移动性和业务连续性,为用户提供无缝的高速业务体验。在一些热点区域,要为用户提供极高的数据传输速率,满足网络极高的流量密度需求。后二场景,是为物联网的应用而设。低功耗大连接,是面向具有小数据包、低功耗、海量连接等特点的,以传感和数据采集为目标的应用。低时延高可靠主要面向车联网、工业控制等对时延和可靠性具有极高的指标要求的场合。

无线链路的设计上述场景的实现密切相关,表3分别列出了应用的要求对无线链路设计的影响[4]。

表3各种5G应用的要求对无线链路设计的影响

3 全频谱接入

为了实现5G的目标,需要一系列的政策与技术支持,如图8所示。其中,新频谱的开发利用是极为重要的。

高速率、大容量、海量用户密度......等等,需要足够频谱资源的支持。原有移动通信频谱已无法满足新一代移动通信发展的要求,按照山农公式,信道通信容量按下式计算: C = B log (1 +γ ) = FB × f × log (1 +γ) 2 0 2

式中,B为信道带宽; FB为相应的分数带宽

(=B /f 0);f0为中心频率; γ 为信道信噪比。引入分数带宽,是消除不同频段射频值的影响,以便于系

统的设计。通常,移动通信中FB为1%左右。从上式

可见,当FB一定时, f 越高,所获得的通信容量越

0

大。因此,采用更高的射频,即厘米波高频段和毫米波,已成为必然趋势;在图7所示的5G关键性能

指标和相应的候选技术中,可以看到新频谱开发的重要意义,可以说毫米波的登场,是5G技术的一大

亮点。同时,对较低的射频,也要继续开拓和挖掘潜力,就是说,5G将通过全频谱的接入(图9),来

保证网络的连通。表4列出了5G在上述高等级要求中,与所涉及的潜在频谱的关系[4]。

4 采用毫米波面临的挑战

毫米波频段具有丰富的频谱资源,可充分支持 5G通信的需要。但也要注意到,应用毫米波时会遇

到与低频段不同的若干问题与挑战,是要认真对待和处理的。

首先,是环境对毫米波传播的影响。大气、降雨等对毫米波会造成严重的吸收损耗,一般地说,频率越高,所引起电波的衰减越严重;大气中的氧分子和水蒸汽对毫米波的某些频率,还会产生强烈的共振吸收,造成衰减峰。因此,即使毫米波信号是在自由空间中传输,其通信距离也会严重的制约。

其次,毫米波频率接近光频,是近似直线传播的,对障碍物的绕射和穿透能力,均弱于较低频率的电磁波,在城区,常受到建筑物和人群的阻挡,在室内,则有墙壁等的阻隔;在郊区,其间的地形地物,如山丘、植被等,电波受到反射、吸收衰减,这些,都是不利于毫米波的传送的。

再者,毫米波对人的健康的影响也不容忽视[5]。

据研究,人的皮肤和角膜对毫米波具有吸收作用,因此,皮肤和肌肉近表层区是毫米波辐射影响的主要目标。皮肤包含微血管和神经末梢,毫米波的生物效应可能通过分子机构或神经系统传递。如同微波一样,毫米波具有热和非热效应。为了克服上述因素对毫米波传播的影响,在城区的热点,利用毫米波的基站和用户设备将是大量而密集的,特别是手机等与使用者紧靠,这对人的健康是否有害,是十分值得关注的。■

参考文献

[1] Ganesh R. Patil et al. 5G Wireless Technology[j]. International Journal of Computer Science and Mobile Computing.vol.3 Issue.10,october2004,pp.203-207.

[2] IMT-2020. IMT-2020(5G) Promotion Group.http://www.imt-2020.org.

cn/,2016.

[3] 钱航.工信部《中国5G现状,展望》. 5G微信公众平台

(Id:angmobile),2017,2,21

[4] 4G Americas. 5G Spectrum Recommendations[r] .August 2015.

[5] Cindy Russell. A 5G Wireless Future:will it Give Us a Smart Nation or

Contribute to an Unhealthy One? The Bulletin[j],jan./feb.,2017.

图1 IMT-2020发展路线图

图2 5G的系统架构

图3传统的蜂窝移动网络与5G网络比较的示意图

图4发展5G的推动力

图7 5G典型应用场景和关键性能挑战

图6 2010-2030年移动设备和物联网连接的增长

图5全球和中国移动数据业务的统计与预测

图8 5G的关键性能指标和相应的候选技术

图9 5G通过全频谱接入为网络提供保障

表4 5G高等级要求中,涉及的潜在频谱利用

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