高頻段寬帶無線通信前瞻*

方 箭，王 坦，黃 標(biāo)

（國家無線電監(jiān)測中心 北京100037）

1 引言

2013 年12月4日，我國第四代移動通信（4G）TD-LTE牌照發(fā)放，宣告世界上移動通信用戶數(shù)量最龐大的國家全面進(jìn)入4G時代，而全球的4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)也上升到250多個[1]。與此同時，面向下一代移動通信需求的第五代移動通信（5G）技術(shù)的研發(fā)也已在世界范圍內(nèi)如火如荼地展開。在國際電信聯(lián)盟關(guān)于5G愿景研究的號召下[2]，歐盟、日本等陸續(xù)開展相關(guān)工作[3]，我國也適時成立了IMT-2020（5G）推進(jìn)組[4]，從5G的需求、頻率、無線傳輸與組網(wǎng)技術(shù)、評估測試驗證技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化及知識產(chǎn)權(quán)等各個方面，探究5G的宏偉藍(lán)圖。

業(yè)內(nèi)觀點(diǎn)普遍認(rèn)為，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)滲透到人們生活的方方面面，無線數(shù)據(jù)流量將持續(xù)快速增長，整個社會對信息通信的需求水平將不斷提升，5G相比4G將實現(xiàn)單位面積移動數(shù)據(jù)流量1 000倍增長[5]。海量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，不僅依賴于各項無線傳輸與組網(wǎng)技術(shù)的演進(jìn)，還需要更多的頻譜資源予以支撐。

當(dāng)前，《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》在9 kHz～275 GHz頻段范圍對42種無線電業(yè)務(wù)進(jìn)行劃分[6]，無線通信系統(tǒng)主要?dú)w為移動業(yè)務(wù)。主流無線通信系統(tǒng)（包括2G、3G、4G以及無線局域網(wǎng)等）一般使用6 GHz以下的VHF/UHF頻段，例如，蜂窩移動通信工作在800 MHz、900 MHz、2 GHz等頻段附近，而無線局域網(wǎng)工作在2.4 GHz、5 GHz等頻段附近，主要有下述兩方面原因。其一，早期的無線接入主要提供語音業(yè)務(wù)和短消息數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，VHF/UHF頻段能保證足夠的頻譜資源；其二，對于天線尺寸大小、射頻器件實現(xiàn)難易等，VHF/UHF頻段更加合適。

現(xiàn)階段，低頻段已經(jīng)很難找到連續(xù)可用的寬帶頻譜資源，近些年，基于CMOS工藝的集成電路的快速發(fā)展，使得原本昂貴的毫米波無線通信設(shè)備將從小批量的專業(yè)市場快速轉(zhuǎn)向并應(yīng)用于大規(guī)模量產(chǎn)的民用無線通信市場。因此，在5G大帶寬、高數(shù)據(jù)速率的需求下，尋求高頻段潛在可用頻譜資源成為解決頻譜需求瓶頸問題的關(guān)鍵手段之一，而高頻段無線通信也已被視為5G研究最重要的方向之一[7]。

2 頻譜需求預(yù)測

為積極應(yīng)對未來移動通信數(shù)據(jù)流量的快速增長，ITU確定在WRC-15大會上考慮為寬帶移動通信系統(tǒng)增加頻率劃分，設(shè)立1.1議題以滿足移動寬帶的未來需求。1.1議題的核心工作就是預(yù)測未來的頻譜需求，并尋求未來的潛在可用資源。為此，ITU-R WP 5D工作組對世界范圍內(nèi)的頻譜需求進(jìn)行測算，而中國、美國、俄羅斯、日本等國家也根據(jù)本國情況開展了相關(guān)工作，具體情況見表1[8]。雖然各國移動通信發(fā)展所處階段、人口分布、預(yù)測建模方法等存在差異，但預(yù)測2020年的頻譜需求均為1.5 GHz帶寬左右。

表1 未來IMT頻譜需求預(yù)測情況

對于以無線局域網(wǎng)為代表的寬帶無線接入的頻率需求預(yù)測，ITU-R WP 5A工作組也開展了測算工作，具體見表2[9]。

表2 未來寬帶無線接入頻譜需求預(yù)測情況

雖然ITU-R已規(guī)劃了約1.2 GHz帶寬的頻譜用于IMT系統(tǒng)，但考慮到劃分和規(guī)劃的區(qū)域特性，各國實際的規(guī)劃值遠(yuǎn)小于該值，為滿足未來移動通信系統(tǒng)對覆蓋、性能、容量的不同需求，集中在6 GHz以下尋求更多的潛在資源。

考慮到5G商用可能面向2025年或更加長遠(yuǎn)，屆時，新的業(yè)務(wù)量增長將導(dǎo)致頻譜需求缺口繼續(xù)擴(kuò)大；另外，要求高傳輸速率和實時大數(shù)據(jù)量的傳輸服務(wù)多發(fā)生在密集城區(qū)small cell場景下，M2M等服務(wù)應(yīng)用也將廣泛分布于短距離傳播的區(qū)域內(nèi)；而高頻段的傳播特性決定了它在熱點(diǎn)場景下具有大容量接入的特點(diǎn)。因此，采用6 GHz以上高頻段解決大容量需求問題必將是大勢所趨。

3 全球高頻段無線通信發(fā)展情況

傳統(tǒng)而言，高頻段往往用于大功率系統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)無線傳輸，如衛(wèi)星通信、微波通信系統(tǒng)。近些年，業(yè)界逐漸開展了點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通信相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。

國際上，在寬帶無線接入系統(tǒng)方面，60 GHz頻段是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)，其主要用于短距離、高速率的傳輸，傳輸距離通常在10 m以內(nèi)，采用TDD工作模式，具體工作頻段為56～66 GHz，與此相關(guān)的主要是以下3個國際標(biāo)準(zhǔn)：ECMA 387標(biāo)準(zhǔn)、IEEE 802.15.3c和IEEE 802.11ad，另外，IEEE已經(jīng)成立IEEE 802.11aj工作組，制定針對中國60 GHz和45 GHz頻段的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

在頻率規(guī)劃和分配方面，早在2001年，美國FCC以非授權(quán)方式為無線通信分配了一段7 GHz（57～64 GHz）的連續(xù)頻譜[10]；在歐洲，ECC以非授權(quán)方式規(guī)劃了連續(xù)9 GHz（57～66 GHz）的連續(xù)頻譜，將62～63 GHz和65～66 GHz兩個頻段分配給移動寬帶系統(tǒng)，將59～62 GHz頻段分配給無線局域網(wǎng)[11]；日本、澳大利亞也在此頻段開展了相關(guān)規(guī)劃，具體如圖1所示。

圖1 國際60 GHz頻段分配情況

在公眾移動通信方面，歐盟正式啟動METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty(2020)Information Society）項目[3]，開始進(jìn)行5G研發(fā)，高頻段通信也是其關(guān)注重點(diǎn)之一。以三星公司為代表的韓國，針對6 GHz以上頻段，特別是13.4～14 GHz、18.1～18.6 GHz、27.0～29.5 GHz、38.0～39.5 GHz，進(jìn)行了大量研究與測試，在28 GHz高頻段上，利用64根天線，采用自適應(yīng)波束成形技術(shù)，在200 m的距離內(nèi)實現(xiàn)1 Gbit/s的峰值下載速率[12]；NTT DoCoMo、愛立信等公司也開展高頻段通信研究工作。

在 國 內(nèi)，LTE-Hi（LTE hotspot/indoor）作 為LTE小 基 站滿足熱點(diǎn)及室內(nèi)覆蓋需求的技術(shù)，具有小覆蓋、密集組網(wǎng)、低功耗、低成本等特點(diǎn)[13]。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織、國家重大科技專項等均開展相關(guān)研究，并已經(jīng)正式在3GPP R12標(biāo)準(zhǔn)化工作中立項。相比傳統(tǒng)的公眾移動通信，LTE-Hi使用更高的頻率，目標(biāo)頻段主要在3.4～3.8 GHz。而在更高頻段，國內(nèi)設(shè)立“863”計劃重點(diǎn)項目“高頻段無線通信基礎(chǔ)技術(shù)研究開發(fā)與示范系統(tǒng)”、“973”計劃“硅基毫米波亞毫米波集成電路與系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究”等，研究高頻段通信的關(guān)鍵技術(shù)、器件實現(xiàn)、原型系統(tǒng)，為未來提供技術(shù)基礎(chǔ)。另外，國內(nèi)IMT-2020（5G）推進(jìn)組正在研究高頻段關(guān)鍵技術(shù)、潛在候選頻段等。在無線通信系統(tǒng)的頻率規(guī)劃方面，2006年，將59～64 GHz頻段規(guī)劃用于無線微功率（短距離）無線電技術(shù)應(yīng)用；2013年，我國率先將40～50 GHz頻段規(guī)劃用于寬帶無線接入系統(tǒng)和點(diǎn)對點(diǎn)的無線傳輸系統(tǒng)。

4 高頻段特性

分析高頻段特性是設(shè)計和實現(xiàn)高頻段寬帶無線通信的基礎(chǔ)，而對傳播特性的認(rèn)知則是關(guān)鍵。對于高頻段傳播特性，可以從兩方面描述：自由空間損耗和附加損耗[14]。對于自由空間損耗而言，路徑損耗與頻率變化呈平方的關(guān)系，在較短距離內(nèi)會產(chǎn)生極大的損耗，如60 GHz相對于5 GHz高出至少20 dB；附加損耗一般包括大氣氣態(tài)損失、雨衰、樹葉堵塞、散射、繞射等。大氣氣態(tài)損耗一般是在電磁波通過大氣時，由水、氧氣等分子吸收造成的，具體損耗值與這些氣體的諧振頻率相關(guān)，通常水蒸汽的第一吸收峰值（吸收最強(qiáng)處）是22.3 GHz，氧氣在60 GHz左右，典型的大氣吸收衰減曲線如圖2所示[15]；雨衰則是電波在雨中傳播時由于雨點(diǎn)吸收和散射而產(chǎn)生的衰減，在1～50 GHz頻帶內(nèi)，降雨衰減與降雨強(qiáng)度成正比；樹木阻擋的衰減量取決于樹葉和枝干的濃密度以及電波穿過樹冠的路徑長度；另外，隨著頻率增加，波長變短，反射表面更加粗糙，導(dǎo)致漫反射更多，而電磁波頻率越高，波長越短，受建筑物陰影的衰落越大。總體來說，高頻段的傳播特性較為復(fù)雜，是多種因素共同決定的。

圖2 平均大氣吸收特性

基于高頻段的傳播特性分析，其特點(diǎn)總結(jié)如下：

·適用于短距離通信，傳播損耗較大；

·可利用的頻譜范圍寬，1%的相對帶寬可以提供數(shù)百兆乃至吉比特可用帶寬；

·安全性高，傳輸路徑損耗大，墻壁等障礙物的衰減很大；

·抗干擾性好，傳播損耗較大且方向性強(qiáng)；

·頻率復(fù)用性高，在較小區(qū)域內(nèi)存在大量的微小區(qū)，可高度復(fù)用；

·元器件的尺寸小，高頻段波長較小；

·器件加工精度要求高，成熟CMOS集成電路技術(shù)；

·收發(fā)系統(tǒng)頻偏較大，由于環(huán)境變化引起的多普勒頻率擴(kuò)展以及射頻本振誤差造成的頻率偏差和相位噪聲也會隨著工作頻率的增加而線性增加。

5 高頻段無線通信面臨的挑戰(zhàn)

在無線通信系統(tǒng)的研究和設(shè)計方面，由于高頻段所具備的諸多特性，在低頻段適用的關(guān)鍵技術(shù)或?qū)㈦y以直接應(yīng)用。如何既充分利用高頻段的優(yōu)點(diǎn)，同時又克服其缺點(diǎn)，相關(guān)工作面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本節(jié)從頻段選擇、傳輸技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)以及射頻技術(shù)等方面進(jìn)行分析。

（1）頻段選擇方面

隨著我國工業(yè)化和信息化融合的不斷加深，頻譜供需矛盾日益凸顯，為移動通信尋找可用頻段的難度也在持續(xù)加大。雖然6～275 GHz頻段有充足的移動業(yè)務(wù)頻率資源儲備，但選擇出合適的頻段仍需統(tǒng)籌規(guī)劃，以充分滿足各行業(yè)無線電業(yè)務(wù)的頻率需求。對于將高頻段用于移動通信，需要考慮以下因素。

·合法性：要確保所選頻段為《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》中已劃分（或以腳注形式標(biāo)注）給移動業(yè)務(wù)的頻段。

·安全性：我國高頻段目前多以主要業(yè)務(wù)劃分給固定業(yè)務(wù)、無線定位業(yè)務(wù)、無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)以及衛(wèi)星固定、衛(wèi)星廣播等空間業(yè)務(wù)。在使用中，存在數(shù)字微波接力系統(tǒng)、航海及空中管制等雷達(dá)系統(tǒng)或衛(wèi)星通信等重要系統(tǒng)，移動通信選擇新頻率需要充分考慮系統(tǒng)間的電磁兼容問題，以確保對其他系統(tǒng)的保護(hù)和移動通信自身系統(tǒng)的抗干擾能力。

·有效性：結(jié)合高頻段的傳播特性，選擇適合的頻段確保系統(tǒng)的有效設(shè)計。

·連續(xù)性：高頻段的一大優(yōu)勢是具備連續(xù)的大寬帶頻譜資源，以此可確保系統(tǒng)獲得更高的效率。

·實現(xiàn)性：頻段選擇需要充分結(jié)合產(chǎn)業(yè)硬件制造能力，確保系統(tǒng)、終端、儀表等的可實現(xiàn)性。

因此，在高頻段為移動通信遴選可用頻段，需要進(jìn)行大量的論證與支撐工作。

（2）無線傳輸技術(shù)方面

高頻段通信既提供了優(yōu)勢，也帶來了挑戰(zhàn)。例如，對于作為4G核心傳輸技術(shù)之一的多入多出（MIMO）技術(shù)，小型化的天線和設(shè)備、較高的天線增益將為未來大規(guī)模MIMO（massive MIMO）技術(shù)實現(xiàn)創(chuàng)造得天獨(dú)厚的條件，可以極大地提升頻譜效率；同時，利用自適應(yīng)波束成形技術(shù)可以彌補(bǔ)高頻段的路徑損耗，增加期望用戶增益，抑制干擾用戶。此外，高頻段通信還將為其他5G關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)造條件，如無需借助基站的幫助即可實現(xiàn)終端間直接通信的終端直通（D2D）技術(shù)。在高頻段支撐下，D2D技術(shù)尤其適合于終端間的短距離直接通信，實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、低時延、低功耗，且通過廣泛分布的終端，還能夠加強(qiáng)頻率資源的復(fù)用性。

然而，對于4G的另一核心技術(shù)——正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，在高頻段中，其發(fā)送功率峰均比和對頻偏敏感的缺點(diǎn)將會被顯著放大，且在功放設(shè)計、頻偏補(bǔ)償?shù)确矫嬉泊嬖跇O大挑戰(zhàn)，這些內(nèi)容仍有待進(jìn)一步研究。

（3）組網(wǎng)技術(shù)方面

未來無線通信網(wǎng)絡(luò)正朝著密集化、混合化、扁平化、異構(gòu)融合化等方向演進(jìn)，使用高頻段組網(wǎng)，是實現(xiàn)該目標(biāo)的有效手段，具體介紹如下。

·密集化。隨著各種智能終端的普及，未來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將主要分布在室內(nèi)和熱點(diǎn)地區(qū)，這使得超密集網(wǎng)絡(luò)成為實現(xiàn)未來5G的1 000倍流量需求的主要手段之一。超密集網(wǎng)絡(luò)需配合高頻段、大帶寬，才能充分發(fā)揮其網(wǎng)絡(luò)部署靈活和頻率復(fù)用高效的特點(diǎn)。

·混合化。未來網(wǎng)絡(luò)必將是低頻側(cè)重覆蓋、中高頻側(cè)重性能和容量的混合組網(wǎng)，高頻段在混合組網(wǎng)的資源分布格局中扮演著重要作用。

·扁平化。無線接入網(wǎng)逐漸向扁平化架構(gòu)發(fā)展，扁平化能夠減小系統(tǒng)時延、降低建網(wǎng)成本和維護(hù)成本，但對骨干網(wǎng)接入能力提出了更高的要求。微波回傳鏈路是實現(xiàn)基站間互聯(lián)互通、接入骨干網(wǎng)以及實現(xiàn)扁平化的重要措施，高頻段通信將為微波回傳鏈路提供更好的解決方案。

·異構(gòu)融合化。以LTE為代表的多制式蜂窩網(wǎng)和以WLAN為代表的寬帶無線接入網(wǎng)將會持續(xù)共存并相互融合與補(bǔ)充，未來多頻、多模、多標(biāo)準(zhǔn)的異構(gòu)組網(wǎng)給無線資源管理帶來了挑戰(zhàn)。如何通過高頻段使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并存、互補(bǔ)，并逐步實現(xiàn)融合轉(zhuǎn)化，有待進(jìn)一步研究。

（4）射頻技術(shù)方面

高穩(wěn)定低相噪鎖相頻率綜合器、寬帶電調(diào)振蕩器、低噪聲放大器、高線性功放、高性能濾波器、低插損高隔離射頻開關(guān)、低損耗高隔離雙工器、多天線和多通道射頻收發(fā)技術(shù)以及適合高頻段的電磁兼容技術(shù)，射頻功能器件的集成和模塊化技術(shù)等都將給產(chǎn)業(yè)帶來挑戰(zhàn)。

6 結(jié)束語

從未來頻譜需求預(yù)測出發(fā)，指出高頻段必將是未來5G通信的重要組成部分，分析全球高頻段寬帶通信的發(fā)展?fàn)顩r，基于高頻段特性分析所面臨的挑戰(zhàn)，為未來發(fā)展提供思考。為推進(jìn)國內(nèi)高頻段無線通信的發(fā)展，需要管理部門、標(biāo)準(zhǔn)化組織、運(yùn)營企業(yè)、設(shè)備制造企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)共同努力，從而在5G發(fā)展中占得先機(jī)。

1 Global Mobile Suppliers Association.GSA Confirms over 250 LTE Networks Now Launched,Dec 2013

2 ITU-R Study Group 5 Circular Letter 5/LCCE/24.Regional Workshops on IMT for the Next Decade,Jan 2011

3 Osseiran A,Braun V,Hidekazu T,et al.The Foundation of the Mobile and Wireless Communications System for 2020 and Beyond Challenges,Enablers and Technology Solutions.VTC Spring 2013,Jun 2013

4 苗圩出席IMT-2020(5G)推進(jìn)組第一次會議.http://www.miit.gov.cn/n11293472/n11294447/n13941444/153 65212.html,2013

5 大唐無線移動創(chuàng)新中心.演進(jìn)、融合與創(chuàng)新.5G白皮書,2013

6 中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定,2014

7 Rappaport T S.Millimeter Wave Cellular a Road to 5G,2013

8 ITU-R Study Group 5.Future Spectrum Requirements Estimate for Terrestrial IMT,2013

9 ITU-R WP 5A.Reply Liaison Statement on Spectrum Requirements forTerrestrialMobileBroadband(ExcludingIMT)Related to WRC-15 Agenda Item 1.1,2013

10 FCC.Code of Federal Regulation,2014

11 ETSI DTR/ERM-RM-049.Electromagnetic Compatibility and Radio Spectrum Matters(ERM);System Reference Document;Technical Characteristics of Multiple Gigabit Wireless Systems in the 60 GHz Range,Mar 2006

12 Samimi M,Wang K,Azar Y,et al.28 GHz angle of arrival and angle of departure analysis for outdoor cellular communications using steerable beam antennas in New York city.Proceedings of the 2013 IEEE Vehicular Technology Conference(VTC),Dresden,Germany,Jun 2013

13 Nakamura T,Nagata S,Benjebbour A,et al.Trends in small cell enhancements in LTE-Advanced.Communications Magazine,IEEE,2013,51(2):98～105

14 Huang K C.Millimeter Wave Communication Systems.Wiley,2011

15 Marcus M,Pattan B.Millimeter wave propagation:spectrum management implications.IEEE Microwave Magazine,2005,6(2):54～62