Page 28 - 网络电信2018年8月刊上
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可以通过1～2个数量级的提高频谱效率，有必要扩大频率的几 基于毫米波频率高，波长短的特征，5G天线相对尺寸短达
倍甚至几十倍的扩大频率带宽，从而可以满足eMBB情景5G的需 毫米级别，根据此特点可以实现5G另一个关键技术：大规模天
求。 线阵列，通过MIMO和波束赋形，提高天线增益，弥补毫米波覆
mMTC为海量大连接场景，需要完成每平方公里100万个连 盖短板。
接的目标，单靠低频段是不够的，主要原因有二：一是当前低 2、Massive MIMO
频段在单位面积、单位频率下的连接数不够；二是即使按照NB- 由于毫米波的波长约为1～10mm，在一定的单位面积里，相
IoT方式改造，也只能部分满足低速物联网连接的需求，而中、 比于微波，可集成更多的天线。因此，在基站侧可以通过配置
高速率的物联网用户需求仍然得不到满足。因而只有扩宽频 大规模天线阵列，结合MIMO技术，有效解决高频毫米波传输速
率，才能在大带宽的条件下满足大容量的物联网用户接入。 率及频谱效率的问题。
uRLLC为低时延高可靠场景，需提供低时延高可靠通信连接 当小区中的基站天线数量变得无限大时，可以忽略诸如附
的网络服务。主要应对一些特殊场景包括工业自动化、自动驾 加高斯白噪声和瑞利衰减等副作用，并且可以大大提高数据速
驶、移动医疗以及其它高度延迟敏感型业务。在4G时代，用户 率。虽然高频传播损耗非常大，但由于高频段波长很短，因此
端到端的时延要求为10ms，实际应用中一般在50～100ms，这在 可以在有限的面积内部署非常多的天线阵子，通过大规模天线
5G的uRLLC场景下的业务运行是不可接受的，容易出现工业控制 阵列形成具有非常高增益的窄波束抵消传播损耗。如图2所示，
误差，所谓的“差之毫厘，谬以千里”。5G要求在uRLLC场景下 以20cm×20cm的天线尺寸为例，假设天线间距为工作频率波长
的时延比4G降低一个数量级，达到1ms以下，以此满足低时延高 一半，当工作频段为3.5GHz时，可部署16根天线；工作频段为
可靠的目标。 10GHz时，可部署100根天线；工作频段为20GHz时，则可部署高
达400根天线。
二、5G关键技术发展
为满足5G如此高速率的性能指标需求，在现有4G技术的 图2 20 cm×20 cm天线面板阵子分布及波束示意图
情况下，需要通过进一步加大频点带宽和提高频率利用率，而
加大带宽是起点，由此而产生的毫米波mmWave、大规模阵列天
线技术、混合波束赋形技术、新多址接入技术、新编码调制技
术、新波形设计技术等都是顺理成章的技术趋势。
1、mmWave
mmWave毫米波特指波长为1～10mm的电磁波，频率从
30～300GHz。根据通信原理，无线通信的最大带宽约为载频的
5%，载波频率越高，信号速率越高。在毫米波段，28GHz频段
和60GHz频段是5G最有希望被采用的频带。28GHz频段中可用的
频谱带宽高达1GHz，而60GHz频带中每个信道的可用带宽高达
2GHz。
与5G相比，目前运营商在4G-LTE频段使用的最高频率约
Massive MIMO具有优点如下。
2.6GHz，可使用频谱带宽100MHz。故后续的5G研究，将集中在
（1）更高的系统性能，利用Massive MIMO提供的空间自由
高频段范围，使频谱带宽尽可能提升，从而提高传输速率，图1
度，基站可同时传输更多数据流，同时与更多用户通信，另外
为未来毫米波频率使用示意图。
大规模阵列天线可发送具有指向行的信号，减少用户之间的干
图1 频率使用示图 扰，大大提升数据传输速率，性能比现有MIMO系统明显提高。
（2）更高的空间分辨度，大规模阵列天线可以集中辐射更
小的空间区域，可形成更窄的波束，并增加垂直纬度的波束，
产生三维可控波束，大大提升空间分辨度和自由度。
（3）更高的可靠性，Massive MIMO天线的有效孔径比普通
天线更大，从而可以接收更多信号分集度（如折射、散射等路
径传输过来的信号），通信的可靠性得到加强。
3、Mixed Beamforming
常规的波束赋形系统主要为数字波束赋形系统，此种系统
特点为射频链路数量需要与天线数目相同，如果应用在配置了
大规模天线阵列的毫米波系统，由于天线数目太大，会加重系
6GHz以上的毫米波频段虽然具备大量的连续频谱资源，并 统成本和功耗。为了解决该问题，同时限制射频链路的数量，
可支持超过10Gbit/s的接入速率，但毫米波频段的覆盖是个严 目前主要技术是提出Mixed Beamforming混合波束赋形技术，通
重的短板，频率越高，波长越短，绕射和衍射能力越弱，覆盖 过把一部分波束赋形转换到模拟域完成。
面积越小，信号直射穿透过程中损耗越大。
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