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高频段宽带无线通信前瞻释解

 论文栏目:无线通信论文     更新时间:2014-4-25 8:53:19   

1全球高频段无线通信发展情况

传统而言,高频段往往用于大功率系统的点对点无线传输,如卫星通信、微波通信系统。近些年,业界逐渐开展了点对多点的无线通信相关研究和标准化工作。国际上,在宽带无线接入系统方面,60GHz频段是业内关注的重点,其主要用于短距离、高速率的传输,传输距离通常在10m以内,采用TDD工作模式,具体工作频段为56~66GHz,与此相关的主要是以下3个国际标准:ECMA387标准、IEEE802.15.3c和IEEE802.11ad,另外,IEEE已经成立IEEE802.11aj工作组,制定针对中国60GHz和45GHz频段的无线局域网标准。在频率规划和分配方面,早在2001年,美国FCC以非授权方式为无线通信分配了一段7GHz(57~64GHz)的连续频谱[10];在欧洲,ECC以非授权方式规划了连续9GHz(57~66GHz)的连续频谱,将62~63GHz和65~66GHz两个频段分配给移动宽带系统,将59~62GHz频段分配给无线局域网[11];日本、澳大利亚也在此频段开展了相关规划,具体如图1所示。在公众移动通信方面,欧盟正式启动METIS(MobileandWirelessCommunicationsEnablersfortheTwenty-Twenty(2020)InformationSociety)项目[3],开始进行5G研发,高频段通信也是其关注重点之一。以三星公司为代表的韩国,针对6GHz以上频段,特别是13.4~14GHz、18.1~18.6GHz、27.0~29.5GHz、38.0~39.5GHz,进行了大量研究与测试,在28GHz高频段上,利用64根天线,采用自适应波束成形技术,在200m的距离内实现1Gbit/s的峰值下载速率[12];NTTDoCoMo、爱立信等公司也开展高频段通信研究工作。在国内,LTE-Hi(LTEhotspot/indoor)作为LTE小基站满足热点及室内覆盖需求的技术,具有小覆盖、密集组网、低功耗、低成本等特点[13]。国内标准化组织、国家重大科技专项等均开展相关研究,并已经正式在3GPPR12标准化工作中立项。相比传统的公众移动通信,LTE-Hi使用更高的频率,目标频段主要在3.4~3.8GHz。而在更高频段,国内设立“863”计划重点项目“高频段无线通信基础技术研究开发与示范系统”、“973”计划“硅基毫米波亚毫米波集成电路与系统的基础研究”等,研究高频段通信的关键技术、器件实现、原型系统,为未来提供技术基础。另外,国内IMT-2020(5G)推进组正在研究高频段关键技术、潜在候选频段等。在无线通信系统的频率规划方面,2006年,将59~64GHz频段规划用于无线微功率(短距离)无线电技术应用;2013年,我国率先将40~50GHz频段规划用于宽带无线接入系统和点对点的无线传输系统。

2高频段特性

分析高频段特性是设计和实现高频段宽带无线通信的基础,而对传播特性的认知则是关键。对于高频段传播特性,可以从两方面描述:自由空间损耗和附加损耗[14]。对于自由空间损耗而言,路径损耗与频率变化呈平方的关系,在较短距离内会产生极大的损耗,如60GHz相对于5GHz高出至少20dB;附加损耗一般包括大气气态损失、雨衰、树叶堵塞、散射、绕射等。大气气态损耗一般是在电磁波通过大气时,由水、氧气等分子吸收造成的,具体损耗值与这些气体的谐振频率相关,通常水蒸汽的第一吸收峰值(吸收最强处)是22.3GHz,氧气在60GHz左右,典型的大气吸收衰减曲线如图2所示[15];雨衰则是电波在雨中传播时由于雨点吸收和散射而产生的衰减,在1~50GHz频带内,降雨衰减与降雨强度成正比;树木阻挡的衰减量取决于树叶和枝干的浓密度以及电波穿过树冠的路径长度;另外,随着频率增加,波长变短,反射表面更加粗糙,导致漫反射更多,而电磁波频率越高,波长越短,受建筑物阴影的衰落越大。总体来说,高频段的传播特性较为复杂,是多种因素共同决定的。基于高频段的传播特性分析,其特点总结如下:•适用于短距离通信,传播损耗较大;•可利用的频谱范围宽,1%的相对带宽可以提供数百兆乃至吉比特可用带宽;•安全性高,传输路径损耗大,墙壁等障碍物的衰减很大;•抗干扰性好,传播损耗较大且方向性强;•频率复用性高,在较小区域内存在大量的微小区,可高度复用;•元器件的尺寸小,高频段波长较小;•器件加工精度要求高,成熟CMOS集成电路技术;•收发系统频偏较大,由于环境变化引起的多普勒频率扩展以及射频本振误差造成的频率偏差和相位噪声也会随着工作频率的增加而线性增加。

3高频段无线通信面临的挑战

在无线通信系统的研究和设计方面,由于高频段所具备的诸多特性,在低频段适用的关键技术或将难以直接应用。如何既充分利用高频段的优点,同时又克服其缺点,相关工作面临着机遇和挑战。本节从频段选择、传输技术、组网技术以及射频技术等方面进行分析。(1)频段选择方面随着我国工业化和信息化融合的不断加深,频谱供需矛盾日益凸显,为移动通信寻找可用频段的难度也在持续加大。虽然6~275GHz频段有充足的移动业务频率资源储备,但选择出合适的频段仍需统筹规划,以充分满足各行业无线电业务的频率需求。对于将高频段用于移动通信,需要考虑以下因素。•合法性:要确保所选频段为《中华人民共和国无线电频率划分规定》中已划分(或以脚注形式标注)给移动业务的频段。•安全性:我国高频段目前多以主要业务划分给固定业务、无线定位业务、无线电导航业务以及卫星固定、卫星广播等空间业务。在使用中,存在数字微波接力系统、航海及空中管制等雷达系统或卫星通信等重要系统,移动通信选择新频率需要充分考虑系统间的电磁兼容问题,以确保对其他系统的保护和移动通信自身系统的抗干扰能力。•有效性:结合高频段的传播特性,选择适合的频段确保系统的有效设计。•连续性:高频段的一大优势是具备连续的大宽带频谱资源,以此可确保系统获得更高的效率。•实现性:频段选择需要充分结合产业硬件制造能力,确保系统、终端、仪表等的可实现性。因此,在高频段为移动通信遴选可用频段,需要进行大量的论证与支撑工作。(2)无线传输技术方面高频段通信既提供了优势,也带来了挑战。例如,对于作为4G核心传输技术之一的多入多出(MIMO)技术,小型化的天线和设备、较高的天线增益将为未来大规模MIMO(massiveMIMO)技术实现创造得天独厚的条件,可以极大地提升频谱效率;同时,利用自适应波束成形技术可以弥补高频段的路径损耗,增加期望用户增益,抑制干扰用户。此外,高频段通信还将为其他5G关键技术的研发创造条件,如无需借助基站的帮助即可实现终端间直接通信的终端直通(D2D)技术。在高频段支撑下,D2D技术尤其适合于终端间的短距离直接通信,实现高数据速率、低时延、低功耗,且通过广泛分布的终端,还能够加强频率资源的复用性。然而,对于4G的另一核心技术——正交频分复用(OFDM)技术,在高频段中,其发送功率峰均比和对频偏敏感的缺点将会被显著放大,且在功放设计、频偏补偿等方面也存在极大挑战,这些内容仍有待进一步研究。(3)组网技术方面未来无线通信网络正朝着密集化、混合化、扁平化、异构融合化等方向演进,使用高频段组网,是实现该目标的有效手段,具体介绍如下。•密集化。随着各种智能终端的普及,未来数据业务将主要分布在室内和热点地区,这使得超密集网络成为实现未来5G的1000倍流量需求的主要手段之一。超密集网络需配合高频段、大带宽,才能充分发挥其网络部署灵活和频率复用高效的特点。•混合化。未来网络必将是低频侧重覆盖、中高频侧重性能和容量的混合组网,高频段在混合组网的资源分布格局中扮演着重要作用。•扁平化。无线接入网逐渐向扁平化架构发展,扁平化能够减小系统时延、降低建网成本和维护成本,但对骨干网接入能力提出了更高的要求。微波回传链路是实现基站间互联互通、接入骨干网以及实现扁平化的重要措施,高频段通信将为微波回传链路提供更好的解决方案。•异构融合化。以LTE为代表的多制式蜂窝网和以WLAN为代表的宽带无线接入网将会持续共存并相互融合与补充,未来多频、多模、多标准的异构组网给无线资源管理带来了挑战。如何通过高频段使异构网络并存、互补,并逐步实现融合转化,有待进一步研究。(4)射频技术方面高稳定低相噪锁相频率综合器、宽带电调振荡器、低噪声放大器、高线性功放、高性能滤波器、低插损高隔离射频开关、低损耗高隔离双工器、多天线和多通道射频收发技术以及适合高频段的电磁兼容技术,射频功能器件的集成和模块化技术等都将给产业带来挑战。

4结束语

从未来频谱需求预测出发,指出高频段必将是未来5G通信的重要组成部分,分析全球高频段宽带通信的发展状况,基于高频段特性分析所面临的挑战,为未来发展提供思考。为推进国内高频段无线通信的发展,需要管理部门、标准化组织、运营企业、设备制造企业、高校、研究机构共同努力,从而在5G发展中占得先机。

作者:方箭 王坦 黄标 单位:国家无线电监测中心  

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