5G毫米波浅谈
什么是毫米波？
毫米波（Millimeter Wave，mmWave）通常指波長在10毫米到1毫米之間的無線電波，就是以往常說的超高頻段（Extremely High Frequency，EHF）或極高頻段（Very High Frequency，VHF）。利用公式：頻率 = 波速/ 波長，可以得到頻率在30GHz到300GHz之間的無線電波為毫米波
為什么毫米波在5G系統(tǒng)中這么熱？
首先我們看下香農(nóng)定理：
R=W*log2(1+S/N)，其中W表示通信帶寬，S/N表示信噪比，R表示信道信息傳送速率的上限，也就是信道容量。從公式可以直觀地看到信道容量與通信帶寬成正比，可見挖掘更大的傳輸帶寬對提升無線通信容量至關(guān)重要。
然而，目前無線通信廣泛使用的是6GHz以下的中、低頻段，尤其是2.9GHz以下頻段，但此類頻段上的無線電業(yè)務(wù)越來越繁多，可用的頻譜資源日益匱乏。此外，靜態(tài)的頻譜劃分規(guī)則又導致可用頻譜呈現(xiàn)嚴重的碎片化和零散化，使得通信帶寬嚴重受限。為了拓展通信帶寬，學術(shù)界和工業(yè)界逐漸將研究的重點放在毫米波頻段。
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首先要明確的一點是，5G頻段目前分成兩個部分，一個是sub-6GHz，一個是毫米波。為什么5G要上毫米波頻段，主要有兩點原因：1）sub-6GHz已經(jīng)十分擁擠，各類電子設(shè)備互干擾嚴重。而毫米波頻段相對比較“干凈”；2）相比sub-6GHz，毫米波頻段能提供更大的信號帶寬，而根據(jù)香農(nóng)公式，帶寬越大信道容量越大，可支持的通信速率就越高。此外，毫米波還將被應(yīng)用于5G車聯(lián)網(wǎng)(V2X)，提供遠超GPS和LTE精度的定位服務(wù)。這是因為距離分辨率與信號帶寬成反比，毫米波的大帶寬因而可以達到厘米級的定位精度。
然而，天下沒有免費的午餐，毫米波帶來了以上諸多好處，當然也有不少的缺陷。其中最大的缺陷就是毫米波的路損(path-loss)和雨衰(rain-attenuation)。眾所周知，信號在空間中傳播受到的衰減與頻率的平方成正比，因此，毫米波信號承受的衰減將是sub-6GHz信號的幾十甚至上百倍（注意，這里還是最理想的自由空間損耗情況）。此外，相比于10GHz以下的信號，雨，雪，冰雹等惡劣天氣對毫米波的衰減也更為顯著。簡而言之，毫米波“傳不遠”。這對于毫米波在5G通信中的實際應(yīng)用無疑是一個極大的挑戰(zhàn)。
作者：劉大
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毫米波的傳播特性
1）波長短,適合采用大規(guī)模天線陣列。波長短使得有限面積上布置大量天線陣元成為可能,因此，毫米波通信系統(tǒng)中可以采用大規(guī)模天線陣列進行波束賦形，從而集中功率抵抗嚴重的路損與衰落；
2）衰減大,路損嚴重。毫米波頻段高、波長短,其在視距(Hne-of-sight,LoS)和非視距(notUne-of-sight,NLoS)環(huán)境下都存在很大的信號衰減。在視距環(huán)境中,毫米波的高頻率導致其在雨水、大氣、樹葉及特定的建筑材料等環(huán)境中均存在更大的損耗;在發(fā)射功率相等的情況下,傳播相同的距離毫米波信號的路損要比微波頻段大20dB以上。非視距環(huán)境中,由于波長短,毫米波在傳播過程中遇到障礙物的反射能力更差,導致信號衰減更大。簡而言之，毫米波“傳不遠”。
3）LoS環(huán)境大量存在,NLoS環(huán)境較少。毫米波在傳播過程中容易被各類障礙物阻擋,且其反射與散射能力也很弱,使得毫米波在NLoS環(huán)境中各徑功率相比LoS徑功率小很多,在較復雜的境中,嚴重的衰落甚至會導致NLoS徑數(shù)大量減,也即，毫米波信道通常是稀疏的。因此可根據(jù)接收信號不同的到達方向來區(qū)分不同信源，這使得 DOA 估計技術(shù)可以在毫米波大規(guī)模天線陣列中得到應(yīng)用，并且還可以使用波束成形技術(shù)來增強天線陣列在某一方向上的發(fā)射和接收增益，并以此來解決路徑損耗大的問題。
附： LOS信道和NLos信道
總結(jié)
