毫米波技术取得新突破：未来可支持超高速5G服务！

2019 年 4 月 25 日 IntelligentThings

导读

据西班牙IMDEA网络研究所官网近日报道，该研究所与中国华为公司合作完成了一个具有突破性成果的项目。由于该项目的成果，未来基于毫米波技术的高速通信网络将更加稳健与高效地提供极高速度、极高质量的视频以及多媒体内容与服务。

背景

如今，第五代移动通信系统（5th generation mobile networks，简称5G）离大规模商用越来越近。理论上讲，5G的网速将比4G高百倍甚至更多，峰值甚至可达10Gb/s以上。未来，5G将为人类的生产与生活增添更多的便利与乐趣，并造福于许多新兴技术领域，例如智能硬件、车联网、物联网、机器人、虚拟现实等。

然而，为了实现5G技术所要求的通信速率，增加频谱带宽是既简单又直接的方法。在当前频谱资源越来越紧缺的情况下，毫米波频谱资源成为了发展5G技术的重要选择。

什么是毫米波？

毫米波（millimeter wave），是指波长在1毫米~10毫米之间、频率在30GHz~300GHz之间的电磁波。它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，所以兼有两种波谱的特点。由于频率高、波长短，所以毫米波具备频谱宽、波束窄、可靠性高、方向性好、传输质量高等优势，可广泛应用于科研、通信、雷达、安检、医疗等一系列领域。

毫米波射电望远镜（图片来源：维基百科）

毫米波雷达技术示意图（图片来源: 广岛大学）

毫米波（红色箭头）传输的数据直接被转化为光纤中的光脉冲（黄色）（图片来源：参考资料【1】）

创新

近日，中国华为公司与西班牙IMDEA网络研究所合作完成了一个具有突破性成果的项目。IMDEA网络研究所是一家位于马德里的研究机构，它倡导开发了5G领域中的许多技术。由于该项目的成果，未来基于毫米波技术的高速通信网络将更加稳健与高效地提供极高速度、极高质量的视频以及多媒体内容与服务。

低频（2.45GHz）的条件下评估到达角（AoA）。该装置包括4个元件的天线阵列。研究人员使用MUSIC算法来评估接收到的信号的到达角。（图片来源：西班牙IMDEA网络研究所）

技术

该项目首席研究员、IMDEA网络研究所研究主任乔戈·威德默（Joerg Widmer）博士，描述了他的研究小组所应对的挑战：“信号的路径损耗随着频率的增加而显著增加。所以，高频（HF）通信，例如满足5G以及802.11ad标准Wi-Fi网络的速度与容量需求的毫米波系统，需要定向天线以克服信号衰减的问题。可是，这样会导致很高的信令开销，因为随着结点移动以及障碍物阻挡视距路径，通信系统的两端必须持续更新它们的天线转向。然而，低频（LF）网络具有丰富的多路径环境，并且衰减率要低得多，从而可以避免这些问题。”

“我们探索了如何采用低频段来推理高频毫米波频段的信道特性，并在波束跟踪、到达角评估和位置信息等方面支持联网。通过研究这个方案以及其他使LF协助HF的LF-HF信道相关性，我们开发出的技术已经能够提升毫米波频段性能，并减少运行网络所需的控制开销。我们论证了我们开发的装置和算法不仅理论上可行，而且在该项目的实验评估阶段，也能在实际世界的无线网络环境中工作。”

基于天线数量（这张图中16个天线）的角度分布相关性（图片来源：西班牙IMDEA网络研究所）

低频和高频的角度分布。图片展示了每个点接收信号的强度取决于角度。此外，它也包括该研究中两个频段角度分布之间的相关性。（图片来源：西班牙IMDEA网络研究所）

价值

威德默很清楚这个项目的重要性。他说：“根据我的知识，这是首次将这两个系统放在一起深入研究。我们的专家团队取得了某些非常有趣的成果，开发出的技术能让运营商在毫米波频段提升其表现，从而减少了运行现在和未来网络所需的控制开销。我们的工作已经申请了两个专利应用，第三个目前处于可行性评估阶段。”

威德默继续说：“使LF协助HF的信道相关性研究，是最重要的挑战之一。在这项研究中，我们必须考虑许多的不确定因素，例如方案、功率、信号延时、路径数量、每个系统的天线数量。IMDEA 网络研究所的团队由具有数学、编程语言、材料物理、射频传播和通信标准背景的研究人员们组成。多样化的专业知识应用，以及由我们自由支配的丰富技术资源，都有助于保证我们成功实现这个项目的目标。”

关键字

通信、毫米波、5G

参考资料

【1】Salamin Y et al.: Microwave plasmonic mixer in a transparent fibre-wireless link, Nature Photonics, 29 October 2018, doi: 10.1038/s41566-018-0281-6

【2】http://dx.doi.org/10.1109/ICCNC.2019.8685565

【3】https://www.networks.imdea.org/whats-new/news/2019/future-mmwave-networks-set-deliver-best-features-high-and-low-frequencies