毫米波移動通信

2017-03-24 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1 毫米波 - 為什么要用毫米波做移動通信?

準確的說,毫米波(milimeter Wave)不是個技術,而是個部署場景。

但凡有點無線通信常識的人都知道,通信頻率越高,無線電波的繞射性能越差,相應的衰落越大。那么為什么還要使用高頻呢?實在是因為低頻沒有了。

在WRC-07為4G分配頻率的時候,基本的焦點還在2.6GHz以下,3.5GHz雖然也提了,但沒人特別在意。沒想到了5G時代,6GHz以下的可用連續(xù)頻率就只有3.5GHz(日本已經部署4G)和4.4-4.9GHz了。這兩段目前都被衛(wèi)星占據,部分區(qū)域還是軍用衛(wèi)星和雷達,所以基本沒有清頻的可能。中國目前能看到的可用頻率包括三段(3.3-3.6GHz,4.4-4.5GHz和4.8-4.99GHz)。其中3.4-3.6GHz已經批準部署5G實驗系統(tǒng)了;3.3-3.4GHz和4.8-4.99GHz目前正在協(xié)調,分配給IMT的可能性較大;4.4-4.5GHz據說困難不小,暫時可能性不大。也就是說,6GHz以下,新的可用頻率差不多也就是500MHz,三個運營商每家130MHz。運營商看看5G系統(tǒng)的指標,特別是用戶感知速率和流量密度,開始大倒苦水,頻率距離夠用差太多了。
沒辦法了,往高頻看吧。
在工業(yè)界,把6GHz以上統(tǒng)稱為毫米波,簡寫是mmW。其實這種叫法不準確,因為波長在分米 - 毫米之間。但為了簡單,還是叫毫米波了。

這段頻率的特點是可用的連續(xù)頻率較多,帶寬也比較大,通常都在GHz級別。

美國FCC在7月份公布了毫米波頻率的頻率分配方案(NPRM),分配了大約11GHz的頻率,主要在28GHz+39GHz(授權頻率)、37GHz(混合授權)和64-71GHz(免授權)。其中64-71GHz這段是之前免授權頻率(57-64GHz)的補充,鼓勵工業(yè)界在802.11ad系統(tǒng)上的創(chuàng)新,這段未來既可能成為802.11ay的主頻率,也有可能成為5G NR的部署頻率。28+39GHz這段是傳統(tǒng)的授權頻率方式,目前已經有一些固定接入業(yè)務部署在這個頻率上,以Verizon為代表的運營商正試圖在這段頻率部署5G無線接入系統(tǒng)。37GHz這段比較復雜,需要根據區(qū)域確定授權情況和條件。

美國是全球范圍內,第一個公布5G毫米波頻率劃分的國家。這一舉措也促進了其他區(qū)域的行動,據路邊社傳聞,歐洲正在考慮把26GHz和32GHz分配給5G系統(tǒng)。中國情況比較復雜,可能性比較大的頻率是27GHz,但這段帶寬不大,可能還需要別的頻率。前幾天看新聞說ZTE在上海申請了一段15GHz做5G實驗,但就樓主的消息,這段頻率實驗性質大,未來是否能被分配為5G頻率仍然存疑。而且聽說國內因為射頻器件成熟度不高(主要是手機),業(yè)界在推動頻率劃分時也有很多顧慮。

回顧產業(yè)界,目前的測試主要集中在28GHz(美國、日本、韓國)。而產品成熟度最高的是60GHz的802.11ad系統(tǒng),高通已經出貨、三星在北美的產品已經配置了高通的32天線11ad芯片。
這段頻率因為衰落比較大,甚至會被較大的樹葉遮擋。注定這段頻率需要采用波束賦型技術來集中功率、提高接收信噪比、同時降低彼此干擾。

mmW的關鍵技術基本上都是圍繞對抗衰落和波束賦型展開的。

2 毫米波關鍵技術

今天開始前先看段視頻吧。我給個鏈接。

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

這個視頻演示了毫米波通信的幾個特性:
1. Beam acquisition
2. Beam tracking
3. Handover

這也正是mmW通信的關鍵技術。mmW通信衰落比低頻率更明顯,為了保證接收SNR,提高發(fā)送的EIRP需要在天線賦型上做文章。也就是利用波束賦型提供beam forming gain,來彌補自由空間衰落大的缺點。同時,由于mmW的波長段、在較小的面積上可以部署大量的天線,這為獲得較高的賦型增益提供了可能性。

作為通信的第一步,就是搜索到最佳的波束。常用的做法是:基站發(fā)送多個beam,終端用自己的beam去全向時分搜索,保存了各個基站beam的RSRP之后,接入其中最佳的beam。這就是beam acquisition。其實整個思路和小區(qū)搜索差不多。

在接入正確的beam后,隨著終端運動需要修正beam、甚至切換。這時需要另一個關鍵技術 - beam tracking。實質就是根據信道測量結果調整波束賦型向量。測量的話主要由基站提供RS,UE測量上報RSRP、PMI等。如果考慮TDD頻率的信道互易性,還可以通過測量UL RS通過波束到達角來估計波束發(fā)送方向。

視頻里顯示了28GHz的信號反射特性。這點和想象中不太一樣。通過玻璃的反射,28GHz可以實現非視距傳輸,這點在室內尤其重要。

3 毫米波的其他應用

除了目前的授權使用外,毫米波還有一些其他的使用方法。

1. unlicensed band

802.11ad部署在57-64GHz,主要用于室內的高速視頻、數據傳輸。這段頻率是目前產業(yè)最成熟、發(fā)展最好的頻率。Q家的芯片已經量產,三星的手機也使用了這款芯片。但是由于禁運,國內目前還不能銷售。

國內把11ad移植到了40GHz,叫802.11aj。但是目前沒有產品支持,前途不明。

FCC在7月新分配了一段頻率(64-71GHz),作為對11ad下一代系統(tǒng)的支持。

3GPP的部分公司借鑒LAA,也在考慮把5G部署在這段頻率。但是由于LAA還沒完成標準化,這個工作優(yōu)先級并不高。

2. 車載雷達和5G V2X

目前車載雷達集中在70GHz左右,5G目前也不太考慮這么高的頻率,畢竟覆蓋太小。

但是有公司在建議把V2X業(yè)務部署在60GHz的unlicense band上,這個思路主要是從5.9GHz車聯網專用頻率衍生來的。但考慮到快速衰落和基本沒有繞射能力,成功的可能性不大。

4毫米波信道測量與建模

有一個公益性的工作,既浪費時間,又沒有太多IPR的機會。但是有理想、有志向的研究人員還趨之若鶩。這就是信道測量和建模。

這個工作如果做得好,就可以用自己的名字給信道模型命名。和別人說起來巨牛,哥兒們就是XX信道模型的XX。

從工作上看,這部分非常重要,是所有性能分析和驗證的基礎。如果沒這個,所有的研究和標準化都得停下來等著。

毫米波建模說起來也不是一天兩天了,但是由于通信行業(yè)此前沒有大規(guī)模部署,所以沒有一個類似M.2135(ITU用于4G系統(tǒng)評估)的統(tǒng)一的信道模型?？紤]到3GPP即將開始的5G工作,在15年9月,3GPP立項開始了6GHz以上的信道模型。

這項工作在行業(yè)已經有不少積累,3GPP的工作是將各個成果整合,并結合成員的輸入,選擇一種或多種信道建模方法和參數,用于整個5G系統(tǒng)的評估。

信道測量雖然沒有直接的IPR產生,但是個顯示公司實力的工作,很多公司都有不小的投入。比較出名的是三星的28GHz測試,高通的28GHz對比測試和60GHz(802.11ad工作頻率)測試,Nokia的28GHz、Ericsson的28GHz,中興的40GHz(802.11aj頻段)測試,華為的72GHz(微波頻段)測試,大唐的26GHz測試。國內還有一些高校(北郵、北交等)也做了不少測試。國際上最有名的大學是紐約大學的團隊,他們的測試結果包括了幾個頻段,也通過合作公司輸入了各個項目。

總體看,國外公司為了配合美國、日本和韓國的部署計劃和頻率分配,做了大量的28GHz測試。國內的高校、科研單位、和公司更多的是依托現有設備和產品進行測試。

3GPP TR38.900列出了參考的信道建模組織和項目:

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

在政府資助項目層面,這里參考了三個項目,分別來自北美、歐洲和中國(IMT-2020推進組)。推進組的高頻率工作組成立于2013年,參與單位做了大量的信道建模工作。

38.900引入了兩種建模方法:stochastic 和 map-based。其中stochastic是mandatory的,map-based是optional。

對于stochastic,定義了五種場景:UMi-street canyon and UMa、Indoor-office、RMa、UMi-open square、Indoor - shopping mall。針對每種場景分別定義了路損、LOS概率和穿透損耗。同時定義了快衰生成方法,氧衰、阻塞、空間一致性等參數。

對于Map-based,主要方法是通過信道測量,得到不同地形、地貌、植物、建筑的信道傳播特性,然后通過導入模擬地區(qū)的數字地圖,模擬信號在實際環(huán)境中傳播時遇到的損耗,疊加在傳播信號上,得到接收信號。這種方法的好處是更容易理解、在測量數據足夠大的參數集合支持下測量結果比較準確。但缺點是過于依賴前期測量結果,對于前期測量結果不支持的環(huán)境就會失效。例如在美國普通住宅木質較多,而在中國基本都是磚和混凝土結構,需要分別測量傳播特性。

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