毫米波移动通信

2017-03-24 by:CAE仿真在线来源:互联网

1 毫米波 - 为什么要用毫米波做移动通信?

准确的说,毫米波(milimeter Wave)不是个技术,而是个部署场景。

但凡有点无线通信常识的人都知道,通信频率越高,无线电波的绕射性能越差,相应的衰落越大。那么为什么还要使用高频呢?实在是因为低频没有了。

在WRC-07为4G分配频率的时候,基本的焦点还在2.6GHz以下,3.5GHz虽然也提了,但没人特别在意。没想到了5G时代,6GHz以下的可用连续频率就只有3.5GHz(日本已经部署4G)和4.4-4.9GHz了。这两段目前都被卫星占据,部分区域还是军用卫星和雷达,所以基本没有清频的可能。中国目前能看到的可用频率包括三段(3.3-3.6GHz,4.4-4.5GHz和4.8-4.99GHz)。其中3.4-3.6GHz已经批准部署5G实验系统了;3.3-3.4GHz和4.8-4.99GHz目前正在协调,分配给IMT的可能性较大;4.4-4.5GHz据说困难不小,暂时可能性不大。也就是说,6GHz以下,新的可用频率差不多也就是500MHz,三个运营商每家130MHz。运营商看看5G系统的指标,特别是用户感知速率和流量密度,开始大倒苦水,频率距离够用差太多了。
没办法了,往高频看吧。
在工业界,把6GHz以上统称为毫米波,简写是mmW。其实这种叫法不准确,因为波长在分米 - 毫米之间。但为了简单,还是叫毫米波了。

这段频率的特点是可用的连续频率较多,带宽也比较大,通常都在GHz级别。

美国FCC在7月份公布了毫米波频率的频率分配方案(NPRM),分配了大约11GHz的频率,主要在28GHz+39GHz(授权频率)、37GHz(混合授权)和64-71GHz(免授权)。其中64-71GHz这段是之前免授权频率(57-64GHz)的补充,鼓励工业界在802.11ad系统上的创新,这段未来既可能成为802.11ay的主频率,也有可能成为5G NR的部署频率。28+39GHz这段是传统的授权频率方式,目前已经有一些固定接入业务部署在这个频率上,以Verizon为代表的运营商正试图在这段频率部署5G无线接入系统。37GHz这段比较复杂,需要根据区域确定授权情况和条件。

美国是全球范围内,第一个公布5G毫米波频率划分的国家。这一举措也促进了其他区域的行动,据路边社传闻,欧洲正在考虑把26GHz和32GHz分配给5G系统。中国情况比较复杂,可能性比较大的频率是27GHz,但这段带宽不大,可能还需要别的频率。前几天看新闻说ZTE在上海申请了一段15GHz做5G实验,但就楼主的消息,这段频率实验性质大,未来是否能被分配为5G频率仍然存疑。而且听说国内因为射频器件成熟度不高(主要是手机),业界在推动频率划分时也有很多顾虑。

回顾产业界,目前的测试主要集中在28GHz(美国、日本、韩国)。而产品成熟度最高的是60GHz的802.11ad系统,高通已经出货、三星在北美的产品已经配置了高通的32天线11ad芯片。
这段频率因为衰落比较大,甚至会被较大的树叶遮挡。注定这段频率需要采用波束赋型技术来集中功率、提高接收信噪比、同时降低彼此干扰。

mmW的关键技术基本上都是围绕对抗衰落和波束赋型展开的。

2 毫米波关键技术

今天开始前先看段视频吧。我给个链接。

https://www.qualcomm.com/videos/5g-mmwave-demonstration

这个视频演示了毫米波通信的几个特性:
1. Beam acquisition
2. Beam tracking
3. Handover

这也正是mmW通信的关键技术。mmW通信衰落比低频率更明显,为了保证接收SNR,提高发送的EIRP需要在天线赋型上做文章。也就是利用波束赋型提供beam forming gain,来弥补自由空间衰落大的缺点。同时,由于mmW的波长段、在较小的面积上可以部署大量的天线,这为获得较高的赋型增益提供了可能性。

作为通信的第一步,就是搜索到最佳的波束。常用的做法是:基站发送多个beam,终端用自己的beam去全向时分搜索,保存了各个基站beam的RSRP之后,接入其中最佳的beam。这就是beam acquisition。其实整个思路和小区搜索差不多。

在接入正确的beam后,随着终端运动需要修正beam、甚至切换。这时需要另一个关键技术 - beam tracking。实质就是根据信道测量结果调整波束赋型向量。测量的话主要由基站提供RS,UE测量上报RSRP、PMI等。如果考虑TDD频率的信道互易性,还可以通过测量UL RS通过波束到达角来估计波束发送方向。

视频里显示了28GHz的信号反射特性。这点和想象中不太一样。通过玻璃的反射,28GHz可以实现非视距传输,这点在室内尤其重要。

3 毫米波的其他应用

除了目前的授权使用外,毫米波还有一些其他的使用方法。

1. unlicensed band

802.11ad部署在57-64GHz,主要用于室内的高速视频、数据传输。这段频率是目前产业最成熟、发展最好的频率。Q家的芯片已经量产,三星的手机也使用了这款芯片。但是由于禁运,国内目前还不能销售。

国内把11ad移植到了40GHz,叫802.11aj。但是目前没有产品支持,前途不明。

FCC在7月新分配了一段频率(64-71GHz),作为对11ad下一代系统的支持。

3GPP的部分公司借鉴LAA,也在考虑把5G部署在这段频率。但是由于LAA还没完成标准化,这个工作优先级并不高。

2. 车载雷达和5G V2X

目前车载雷达集中在70GHz左右,5G目前也不太考虑这么高的频率,毕竟覆盖太小。

但是有公司在建议把V2X业务部署在60GHz的unlicense band上,这个思路主要是从5.9GHz车联网专用频率衍生来的。但考虑到快速衰落和基本没有绕射能力,成功的可能性不大。

4毫米波信道测量与建模

有一个公益性的工作,既浪费时间,又没有太多IPR的机会。但是有理想、有志向的研究人员还趋之若鹜。这就是信道测量和建模。

这个工作如果做得好,就可以用自己的名字给信道模型命名。和别人说起来巨牛,哥儿们就是XX信道模型的XX。

从工作上看,这部分非常重要,是所有性能分析和验证的基础。如果没这个,所有的研究和标准化都得停下来等着。

毫米波建模说起来也不是一天两天了,但是由于通信行业此前没有大规模部署,所以没有一个类似M.2135(ITU用于4G系统评估)的统一的信道模型。考虑到3GPP即将开始的5G工作,在15年9月,3GPP立项开始了6GHz以上的信道模型。

这项工作在行业已经有不少积累,3GPP的工作是将各个成果整合,并结合成员的输入,选择一种或多种信道建模方法和参数,用于整个5G系统的评估。

信道测量虽然没有直接的IPR产生,但是个显示公司实力的工作,很多公司都有不小的投入。比较出名的是三星的28GHz测试,高通的28GHz对比测试和60GHz(802.11ad工作频率)测试,Nokia的28GHz、Ericsson的28GHz,中兴的40GHz(802.11aj频段)测试,华为的72GHz(微波频段)测试,大唐的26GHz测试。国内还有一些高校(北邮、北交等)也做了不少测试。国际上最有名的大学是纽约大学的团队,他们的测试结果包括了几个频段,也通过合作公司输入了各个项目。

总体看,国外公司为了配合美国、日本和韩国的部署计划和频率分配,做了大量的28GHz测试。国内的高校、科研单位、和公司更多的是依托现有设备和产品进行测试。

3GPP TR38.900列出了参考的信道建模组织和项目:

Groups and projects with channelmodels:

· METIS(Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty InformationSociety)

· MiWEBA(MIllimetre-Wave Evolution for Backhaul and Access)

· ITU-R M

· COST2100

· IEEE802.11

· NYU WIRELESS:interdisciplinary academic research center

· FraunhoferHHI has developed the QuaDRiGa channel model, Matlab implementation is availableat http://quadriga-channel-model.de

Groups and projects which intendto develop channel models:

· 5G mmWaveChannel Model Alliance: NIST initiated, North America based

· mmMagic(Millimetre-Wave Based Mobile Radio Access Network for Fifth GenerationIntegrated Communications): Europe based

· IMT-20205G promotion association: China based

在政府资助项目层面,这里参考了三个项目,分别来自北美、欧洲和中国(IMT-2020推进组)。推进组的高频率工作组成立于2013年,参与单位做了大量的信道建模工作。

38.900引入了两种建模方法:stochastic 和 map-based。其中stochastic是mandatory的,map-based是optional。

对于stochastic,定义了五种场景:UMi-street canyon and UMa、Indoor-office、RMa、UMi-open square、Indoor - shopping mall。针对每种场景分别定义了路损、LOS概率和穿透损耗。同时定义了快衰生成方法,氧衰、阻塞、空间一致性等参数。

对于Map-based,主要方法是通过信道测量,得到不同地形、地貌、植物、建筑的信道传播特性,然后通过导入模拟地区的数字地图,模拟信号在实际环境中传播时遇到的损耗,叠加在传播信号上,得到接收信号。这种方法的好处是更容易理解、在测量数据足够大的参数集合支持下测量结果比较准确。但缺点是过于依赖前期测量结果,对于前期测量结果不支持的环境就会失效。例如在美国普通住宅木质较多,而在中国基本都是砖和混凝土结构,需要分别测量传播特性。

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