5G毫米波浅谈

什么是毫米波？

毫米波（Millimeter Wave，mmWave）通常指波长在10毫米到1毫米之间的无线电波，就是以往常说的超高频段（Extremely High Frequency，EHF）或极高频段（Very High Frequency，VHF）。利用公式：频率 = 波速/ 波长，可以得到频率在30GHz到300GHz之间的无线电波为毫米波

为什么毫米波在5G系统中这么热？

首先我们看下香农定理：
R=W*log2(1+S/N)，其中W表示通信带宽，S/N表示信噪比，R表示信道信息传送速率的上限，也就是信道容量。从公式可以直观地看到信道容量与通信带宽成正比，可见挖掘更大的传输带宽对提升无线通信容量至关重要。
然而，目前无线通信广泛使用的是6GHz以下的中、低频段，尤其是2.9GHz以下频段，但此类频段上的无线电业务越来越繁多，可用的频谱资源日益匮乏。此外，静态的频谱划分规则又导致可用频谱呈现严重的碎片化和零散化，使得通信带宽严重受限。为了拓展通信带宽，学术界和工业界逐渐将研究的重点放在毫米波频段。
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首先要明确的一点是，5G频段目前分成两个部分，一个是sub-6GHz，一个是毫米波。为什么5G要上毫米波频段，主要有两点原因：1）sub-6GHz已经十分拥挤，各类电子设备互干扰严重。而毫米波频段相对比较“干净”；2）相比sub-6GHz，毫米波频段能提供更大的信号带宽，而根据香农公式，带宽越大信道容量越大，可支持的通信速率就越高。此外，毫米波还将被应用于5G车联网(V2X)，提供远超GPS和LTE精度的定位服务。这是因为距离分辨率与信号带宽成反比，毫米波的大带宽因而可以达到厘米级的定位精度。
然而，天下没有免费的午餐，毫米波带来了以上诸多好处，当然也有不少的缺陷。其中最大的缺陷就是毫米波的路损(path-loss)和雨衰(rain-attenuation)。众所周知，信号在空间中传播受到的衰减与频率的平方成正比，因此，毫米波信号承受的衰减将是sub-6GHz信号的几十甚至上百倍（注意，这里还是最理想的自由空间损耗情况）。此外，相比于10GHz以下的信号，雨，雪，冰雹等恶劣天气对毫米波的衰减也更为显著。简而言之，毫米波“传不远”。这对于毫米波在5G通信中的实际应用无疑是一个极大的挑战。
作者：刘大
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毫米波的传播特性

1）波长短,适合采用大规模天线阵列。波长短使得有限面积上布置大量天线阵元成为可能,因此，毫米波通信系统中可以采用大规模天线阵列进行波束赋形，从而集中功率抵抗严重的路损与衰落；
2）衰减大,路损严重。毫米波频段高、波长短,其在视距(Hne-of-sight,LoS)和非视距(notUne-of-sight,NLoS)环境下都存在很大的信号衰减。在视距环境中,毫米波的高频率导致其在雨水、大气、树叶及特定的建筑材料等环境中均存在更大的损耗;在发射功率相等的情况下,传播相同的距离毫米波信号的路损要比微波频段大20dB以上。非视距环境中,由于波长短,毫米波在传播过程中遇到障碍物的反射能力更差,导致信号衰减更大。简而言之，毫米波“传不远”。
3）LoS环境大量存在,NLoS环境较少。毫米波在传播过程中容易被各类障碍物阻挡,且其反射与散射能力也很弱,使得毫米波在NLoS环境中各径功率相比LoS径功率小很多,在较复杂的境中,严重的衰落甚至会导致NLoS径数大量减,也即，毫米波信道通常是稀疏的。因此可根据接收信号不同的到达方向来区分不同信源，这使得 DOA 估计技术可以在毫米波大规模天线阵列中得到应用，并且还可以使用波束成形技术来增强天线阵列在某一方向上的发射和接收增益，并以此来解决路径损耗大的问题。
附： LOS信道和NLos信道