毫米波技術(shù)在5G物聯(lián)網(wǎng)中的運用

關(guān)英哲

毫米波具有帶寬大、波束窄、抗干擾能力強等一系列優(yōu)點，由于頻譜資源豐富，可以更好地支持5G物聯(lián)網(wǎng)對于大流量、高密度通信數(shù)據(jù)的傳輸要求。但是從實踐應(yīng)用來看，由于自身具備的一些特性，以及技術(shù)不夠成熟等原因，毫米波也面臨著諸多的缺陷。例如信道性能差，由于傳輸路徑損耗大，通常只能用于短距離通信。因此，需要針對毫米波的這些缺陷，探究相應(yīng)的優(yōu)化策略，讓其在5G物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮出更大的作用。

1 毫米波信道的特性分析

毫米波是一種波長在1mm～10mm的電磁波，相比于目前常用的微波，毫米波的最大帶寬提升了數(shù)倍，而帶寬越寬，能夠提供的通信資源就越豐富。在5G時代，物聯(lián)網(wǎng)上的通信傳輸速率更快，數(shù)據(jù)流量更大，而毫米波則能夠滿足這些需求，因此應(yīng)用前景廣闊。雖然毫米波的發(fā)現(xiàn)時間較早，但是技術(shù)開發(fā)的成熟度較低，也沒有得到商用。近年來，頻譜資源的稀缺讓毫米波的重要性不斷提升，商業(yè)價值也在持續(xù)的升高，關(guān)于毫米波技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴展。但是在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，毫米波也存在諸多的缺陷。例如，毫米波在傳輸過程中，信號的衰減現(xiàn)象比較嚴(yán)重，隨著傳輸距離的增加，信號接收質(zhì)量不斷下降，衰減幅度通常在10-3dB/m。5G物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是不可逆的趨勢，只有持續(xù)優(yōu)化毫米波技術(shù)，才能在5G時代搶占發(fā)展優(yōu)勢。

2 面向5G物聯(lián)網(wǎng)的毫米波技術(shù)優(yōu)化策略

5G物聯(lián)網(wǎng)時代毫米波將會有更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和更加良好的應(yīng)用前景。但是由于現(xiàn)階段對于毫米波技術(shù)的研究和開發(fā)還不夠深入，目前來看在5G物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用還存在一些缺陷。為此，下一步應(yīng)當(dāng)將毫米波在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的優(yōu)化應(yīng)用作為研究重點。其中，OFMD技術(shù)、FBMC技術(shù)、單載波系統(tǒng)等，已經(jīng)在改善毫米波通信方面開展了大量的試點應(yīng)用，初步取得了較為顯著的效果。

2.1 OFDM技術(shù)

OFDM（正交頻分復(fù)用）能夠改善信號在傳輸過程中多徑衰落帶來的影響，且其開銷簡單，傅里葉變換和逆變換模塊元器件復(fù)雜度低，因此在4G通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。鑒于OFDM在4G時代的良好表現(xiàn)，進入5G時代后，可以通過適應(yīng)性的改良，增強毫米波的傳輸穩(wěn)定性，改良措施如下：一是從放大器線性失真入手，通過提升放大器的放大性能，降低峰值平均功率。但是存在成本較高的缺點；二是從子載波傳播入手，通過在子載波傳播路徑中增加保護間隔，達(dá)到防止相互串?dāng)_的效果。但是可能會導(dǎo)致系統(tǒng)冗余的情況，目前針對這一問題的解決方法，通常是在毫米波傳輸路徑中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)增加保護間隔，而其他非節(jié)點部位，則不采用保護間隔。這樣就可以在防止信號串?dāng)_和控制系統(tǒng)冗余之間達(dá)到較好的平衡。

2.2 FBMC技術(shù)

FBMC（濾波器組多載波）和OFDM同屬于多載波系統(tǒng)，都存在頻譜利用率低的問題。相比于OFDM，F(xiàn)BMC在每個子載波中加入濾波器濾除掉多余干擾的旁瓣，不需加入循環(huán)前綴從而降低帶外功率泄露，提高頻譜效率，加入濾波器組會增加系統(tǒng)的復(fù)雜度?；诖笠?guī)模MIMO技術(shù)的FBMC系統(tǒng)的具有自均衡能夠降低系統(tǒng)的延遲和復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的頻譜利用率，減小峰值功率比，且系統(tǒng)的盲信道跟蹤特性可以解決MIMO技術(shù)中的信道污染問題。但是就目前的FBMC技術(shù)應(yīng)用來看，也還存在一個亟需優(yōu)化的問題，即多載波系統(tǒng)運行過程中如何提高載波協(xié)調(diào)性。這也成為下一步技術(shù)研究需要重點關(guān)注的問題。

2.3 單載波系統(tǒng)

從實際應(yīng)用效果來看，單載波系統(tǒng)的峰值功率比極低，這種結(jié)構(gòu)特性決定了單載波系統(tǒng)既能夠緩解信號傳輸中面臨的多經(jīng)衰落問題，同時又可以保持較低的運行成本，在實用價值和經(jīng)濟效益之間達(dá)到了較好的平衡。另外也有研究發(fā)現(xiàn)，單載波系統(tǒng)很少出現(xiàn)頻偏的情況，這也使得該技術(shù)在5G物聯(lián)網(wǎng)上行鏈路中有應(yīng)用優(yōu)勢。雖然單載波系統(tǒng)在5G物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用并不像上文所述的OFMD和FBMC兩種多載波系統(tǒng)有著廣泛應(yīng)用，但是其優(yōu)勢不容忽視。在5G物聯(lián)網(wǎng)的一些特殊領(lǐng)域，單載波系統(tǒng)仍然有著重要應(yīng)用。

2.4 毫米波信道編碼

該方法的原理是在通信傳輸中，在數(shù)據(jù)流中加入額外比特（如冗余比特），將比特信息作為特征信息，實現(xiàn)了對通信數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測。雖然現(xiàn)階段信道編碼的技術(shù)較為成熟，方法也比較多樣，但是適合毫米波的信道編碼方式還具有一定的局限性。同時，基于毫米波自身的一些特性以及在5G物聯(lián)網(wǎng)中的使用需求，需要制定專門的編碼策略。目前經(jīng)過實踐驗證可行的方法有兩種，即前向糾錯和自適應(yīng)選擇重傳。前者的優(yōu)勢在于降低了信道編/解碼工作中的帶寬占用，從而降低了系統(tǒng)運行功耗；后者的優(yōu)勢可以在進一步提高編碼效率的基礎(chǔ)上，自動適應(yīng)信道內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸效率，從而保證通信傳輸效率的最大化。

3 MIMO技術(shù)在毫米波中的應(yīng)用

3.1 MIMO的主要類型

MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)通過顯著增加毫米波的頻譜利用率，從而可以支持5G網(wǎng)絡(luò)有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度。為了解決傳播距離短的問題，改進了MIMO天線系統(tǒng)，除了在尺寸上更小、降低安裝成本外，還提高了系統(tǒng)容量。

目前MIMO技術(shù)根據(jù)用戶數(shù)量的不同，可以分為單用戶MIMO系統(tǒng)和多用戶MIMO系統(tǒng)兩種。前者由于只具備1個收/發(fā)端，通常用于定向傳輸；在5G互聯(lián)網(wǎng)中，多用戶MIMO系統(tǒng)的應(yīng)用更為廣泛。較為常見的是4天線2用戶模型，可以兼顧傳輸效率和系統(tǒng)容量。通過增加天線數(shù)量，可以實現(xiàn)信號強度的疊加，將能量集中在一起，這樣就可以將通信傳輸距離成倍的擴大，滿足了毫米波的長距離傳輸需要。一些規(guī)模較大的通信基站，MIMO天線系統(tǒng)中可以集成幾百根天線陣列，完全能夠滿足5G物聯(lián)網(wǎng)的通信需求。

3.2 MIMO的應(yīng)用優(yōu)勢

空間復(fù)用是MIMO技術(shù)的一大應(yīng)用優(yōu)勢。在以往的通信系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的魯棒性和有效性存在矛盾，要想維持一種性能（如傳輸速率），就必須犧牲另一種性能（如信號質(zhì)量）。在5G物聯(lián)網(wǎng)中，這種缺陷必須要得到改善，才能更好地支持“物-物”“人-物”之間的信息傳遞。為此，基于空間復(fù)用的MIMO技術(shù)得到了推廣使用。簡單來說，空間復(fù)用就是根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，從時間、頻率、質(zhì)量、碼元之間同時選擇2種或多種進行組合應(yīng)用。融合了空間復(fù)用的MIMO技術(shù)，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1）進一步提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。空間復(fù)用可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的分類、分段，在傳輸時不是打包傳輸，而是利用多個MIMO天線分別傳輸，采取這種“多徑分量”的方式，降低了信道擁堵，提高了傳輸速率。2）顯著改善了頻譜效率。天線數(shù)量與信道容量為正比關(guān)系。MIMO技術(shù)采用集成的天線陣列，信道容量得到了大幅度的加強，支持5G網(wǎng)絡(luò)中對于大容量數(shù)據(jù)、高效率傳遞的需求。3）將空間復(fù)用技術(shù)與分集技術(shù)進行融合，還可以在提高信號輻射能量、抑制干擾信號、防止信號失真等方面發(fā)揮出技術(shù)優(yōu)勢。

當(dāng)然，由于MIMO的研究時間較短，技術(shù)開發(fā)還不夠成熟，因此在毫米波中的應(yīng)用還有一定的缺陷。例如，采用集成天線陣列雖然可以在技術(shù)層面上滿足通信傳輸需要，保證了信號強度，但是無形中增加了應(yīng)用成本。還有就是在大規(guī)模的天線陣列中，很有可能出現(xiàn)信號串?dāng)_的情況，在5G物聯(lián)網(wǎng)的運行中，因為信號串?dāng)_導(dǎo)致接收端和發(fā)送端的信號內(nèi)容不一致，帶來了不必要的困擾。當(dāng)前MIMO技術(shù)應(yīng)用中存在的不足，也是下一步5G物聯(lián)網(wǎng)逐漸成熟過程中必須要重點解決的問題。

4 結(jié)語

5G物聯(lián)網(wǎng)在給各行各業(yè)帶來諸多便利的同時，基于5G網(wǎng)絡(luò)的特點，必須要有更強大的通信傳輸能力，才能支持5G物聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定運行。毫米波技術(shù)的開發(fā)和商用，除了能夠進一步豐富頻譜資源外，也要注意利用OFDM技術(shù)、FBMC技術(shù)，對毫米波自身存在的一些缺陷進行改良，從而讓毫米波的技術(shù)價值得到進一步的凸顯。MIMO技術(shù)被認(rèn)為是“通向5G時代的鑰匙”，通過集成多條輸入、輸出路徑，采用分路徑傳輸?shù)姆绞?，除了提高毫米波的抗干擾、抗分散能力外，也極大的提升了系統(tǒng)容量和傳輸效率。MIMO技術(shù)與毫米波技術(shù)的成熟應(yīng)用，成為推進5G物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)動力。