展望5G高频通信的美好前景

前几篇我们讨论了5G高频通信的测试与建模，这些基础性的研究，使得我们对5G高频通信有了一个初步的认识。5G高频，尤其是28GHz，最近迎来了一个又一个振奋人心的大好消息：三星在纽约进行28GHz的测试，美国联邦通信委员会（FCC）批准了28GHz频段用于5G通信的频率许可，AT&T刚进行了28GHz业务演示要在2018年商用，高通刚刚发布了28GHz终端芯片也要在2018年商用。种种迹象表明，5G高频通信的春天就要到来了。 5G高频通信到底有什么神奇的地方呢，让我们一起来探讨5G高频的原理和特性，展望未来5G高频通信的美好未来。 高频通信相关原理 目前，在高频通信中，高增益、窄波束天线技术已经比较成熟，高频通信通过高增益阵列天线来克服高频通信覆盖差这一弱点。由于高频载波波长较小，天线尺寸也会较小。与低频段相比，在相同尺寸规模下，可以放置更多的高频天线，更大规模阵列天线，带来更高的天线阵列增益，可用于克服高频信号传播特性差这一弱点。 同时，更大规模阵列天线使得高频网络覆盖波束会非常窄，与低频网络相比，在相同覆盖区域，由于遮挡等因素,高频基站需要使用更多的波束来进行交叉覆盖,就好象医院中的无影灯。更加密集的高频窄波束，带来基站侧与用户侧波束选择、跟踪、恢复等一系列问题。在高频载波中，波束捕获、跟踪、恢复等波束管理是高频通信网络中一项关键技术。 此外，由于大规模天线阵列引入，对数字域预编码方式的影响也较大。传统的数字预编码，基站和用户设备的每个天线单元均需要一条射频通道，然而当基站天线数目非常大时，每个天线连接一个射频通道方式的成本与能耗会非常大。因此，必须采用有限数量的射频通道连接大规模阵列天线这样的天线结构。相应的，在该结构下，模拟侧与数字侧相结合的波束赋形成为高频通信网络中另外一项关键技术。 混合波束赋形 波束赋形是高频通信的关键技术之一，采用大规模阵列天线波束赋形，可有效的提高基站覆盖与吞吐量，当发射机和接收机同时配置了波束成形天线，波束成形可以明显的扩展基站覆盖范围，并且有效的降低了基站之间的干扰。 传统波束赋形算法有GOB（Grid Of Beam）和EBB（Eigenvalue Based Beamforming）。GOB算法预先定义了各个指向的波束，通过检测最强信号方向，选择相应的定向波束。GOB算法适合无线环境简单，即信号传播方向性比较明确的情况，能够取得较好的性能，当无线环境比较复杂，特别是信号传播存在明显的散射，即信号从多个方向传播，并且各个方向强度相当，在这种情况下难以选择一个最佳方向，而GOB算法的波束只能指向一个方向。

GOB算法

EBB算法基于最大信噪比准则，通过解决空间相关矩阵广义特征值方式，得到波束赋形的加权矢量。与GOB算法相比，当信号存在多个方向传播时，EBB算法可以充分利用多个方向信号能量，尤其在多个方向的信号强度相当且时延不可分时，EBB算法会有比较明显的优势。

EBB算法

在高频通信中，高频信道传播方向比较明确，一般由直射方向、衍射方向、反射方向等构成，且各个传播方向角度扩展较小，传播时延可分。高频信道这种传输特征决定了信道空间相关矩阵特征值不会太多。因此，在高频通信中，当传播方向单一时，采用GOB算法就能取得较好性能，当存在较多传播方向时候，EBB算法取得更好性能。 对于GOB和EBB二种波束赋形方法，往往在基站侧数字域来实现，基站和用户设备的每个天线元连接了一条射频通道，该射通道包括低噪声放大器、下变频器、数模转换器、模数转换器等。因此，当基站天线数目非常大时，射频通道数目也会非常大，需要消耗较高的成本与能耗。在高频通信中，我们考虑实现有限数量的射频通道下的波束赋形方案，来减少能耗和降低设备成本；同时，这种方案需要能够实现单方向的GOB算法，和多方向的EBB算法。 在有限数量射频通道情况下，实现这一目标方法是通过数字域和模拟域进行联合波束赋形，即模数混合波束赋形。发射机（或接收机）由多个子阵列组成天线阵列，其中每个子阵列能够独立使用RF移相器控制波束。在模拟域，通过低成本的移相器，实现高频信号单个传播方向波束赋形；在数字域，通过使用基带处理器，实现多个传播方向的波束联合赋形。对于单方向高频信号，使用模拟域波束赋形往往就能获得较好性能；对于多方向高频信号，使用模数混合波束赋形能够获得更好性能。 对于模拟域波束赋形，由于高频中的基站、用户天线数可能都非常多（尤其是基站），导致构成码本的码字集合（即波束数目）可能非常大，波束赋形训练需要消耗较多时间。多级波束训练的方法可以提高训练效率：首先，进行宽波束训练，此时训练波束宽度较大，因此覆盖整个区域需要的波束会较少；然后，在选择宽波束范围内，进行窄波束训练。这种分层级波束训练方法可有效降低训练时延。 对于数字域波束赋形，对于TDD系统，采用上下行的互易性来实现数字域波束赋形；对于FDD系统，采用码本训练方式来实现数字域波束赋形。 波束跟踪 高频由于频点高，传输信道损耗较大，需要利用波束赋形技术，将发射能量对准目标用户，来克服传播损耗，从而提高目标用户的解调信噪比，提高用户传输速率以及小区的覆盖范围。这种波束赋形技术往往形成非常窄的波束，在用户入网或发生小区间切换时需要选择波束；当用户发生移动或旋转时，需要调整波束，达到继续跟踪用户目的；此外，当用户所处客观环境发生变化时，如发生阻挡时，需要挑选更加合适波束供用户使用。因此，波束跟踪功能是高频载波通信的重要特性。 波束跟踪通常有两种控制方法：一种是对于小区中每个目标用户采用独立的波束进行跟踪；另外一种是从固定波束集合中为每个用户选取合适波束。 对于第一种方法，为每个用户提供实时的波束赋形，需要实时的测量用户信道变化情况，利用高频信道矢量进行波束赋形，这种方法需要知道信道特性，同时进行比较复杂的数字信号处理，在高频通信中具有一定的挑战。 对于第二种方法，可以在预先定义的窄波束集合中，选择发射能量强的窄波束作为赋形波束，其对应发射权值即为波束赋形权值。在高频通信中，通常需要为这种波束扫描过程定义特定参考信号，即波束跟踪参考信号，终端侧通过测量波束跟踪参考信号能量从而进行波束跟踪过程。波束跟踪导频设计，需要权衡波束跟踪速度以及导频开销。 对于第二种波束跟踪方法，除了需要进行测量外，还需要根据波束测量结果进行决策，必要时进行波束切换。而这种波束跟踪过程按照波束是否在同一小区可分为：小区内的波束跟踪，以及小区间的波束跟踪。对于小区内的波束跟踪，因为希望波束跟踪过程要快，所以考虑在协议栈较低层来实现：在物理层进行测量，在媒体接入层进行决策以及切换。对于小区间波束跟踪，则需要高层进行介入，决策以及执行小区间波束跟踪。 对于波束跟踪过程，也可以采用多级跟踪方法，如首先进行较大范围较宽波束跟踪，然后在在这个教宽波束基础上，进行位于较宽波束内较窄波束跟踪过程，从而提高跟踪速度。此外，对于波束跟踪过程，不同信道有可能采用不同波束，分别进行波束跟踪过程。 按照用户工作状态，波束跟踪过程可分为：入网时候波束捕获，入网后用户波束发生变化时候的波束追踪，以及用户上下行同步失败后的波束恢复。对于用户处于的不同状态阶段，需要设计不同波束跟踪过程。 在高低频组网中，可以利用低频网络来辅助高频网络进行波束跟踪过程。如利用低频网络进行上下行同步，基站与终端侧交流波束集合，从而加快整个波束跟踪过程。 浮生吾记 5G高频通信最近好消息不断，高通刚发布了5G高频通信的终端芯片Snapdragon X50，在28GHz频段支持800MHz带宽，下行速率理论峰值可达5Gbps，比目前的LTE快近百倍，预计2017年下半年问世，2018年上半年商用。而2018年正是韩国平昌奥运会举办的时间，韩国声称要平昌奥运会上引入5G，很大的可能就是三星与KT正紧锣密鼓准备的28GHz高频通信系统。可以看出，高通几乎是踩着韩国平昌奥运会的节点来发布5G高频通信终端芯片，看来更加验证了平昌奥运会使用28GHz高频通信作为5G的预测。同时，我们也看到，美国FCC也飞速批准了28GHz等高频段的5G频率许可，Versizon也发布了5G标准，AT&T也联合爱立信演示了28GHz的5G高频通信业务，号称部署时间会在2017年至2018年。由此看来，韩美正在争相部署、商用28GHz的5G高频系统，希望能领先5G高频的应用。 2018年很快就要到了，或许2018年就是5G元年，让我们拭目以待5G的到来。

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