Applications of mm-wave for 5G Mobile Communications
--Welcome to the 5G Age
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.