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系統中這么熱？
首先我們看下香農定理：
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務越來越繁多，可用的頻譜資源日益匱乏。此外，靜態的頻譜劃分規則又導致可用頻譜呈現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，學術界和工業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已經十分擁擠，各類電子設備互干擾嚴重。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，而根據香農公式，帶寬越大信道容量越大，可支持的通信速率就越高。此外，毫米波還將被應用于5G車聯網(V2X)，提供遠超GPS和LTE精度的定位服務。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通信中的實際應用無疑是一個極大的挑戰。
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，毫米波通信系統中可以采用大規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)環境下都存在很大的信號衰減。在視距環境中,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境中均存在更大的損耗;在發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環境大量存在,NLoS環境較少。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徑數大量減,也即，毫米波信道通常是稀疏的。因此可根據接收信號不同的到達方向來區分不同信源，這使得 DOA 估計技術可以在毫米波大規模天線陣列中得到應用，并且還可以使用波束成形技術來增強天線陣列在某一方向上的發射和接收增益，并以此來解決路徑損耗大的問題。
附： LOS信道和NLos信道
總結
