微波特性及其应用（六）

--5G高频段通信的研究现状和发展趋势

徐长发，华中科技大学，2019.9.1

国际上规定：

5G的低频段为6GHz以下（通常都使用3.4~3.7GHz频段，与目前通常使用的4G 网络的2-3GHz频段相差的距离并不远）。

5G高频段为24GHz以上（25GHz - 52.6 GHz）。

由于5G低频段便于实现，所以许多国家，例如中国，日本，韩国，欧盟，都把实现5G低频段的应用和覆盖作为第一目标，同时在加紧5G高频段的应用研究。

2020年上述5G发展较快的国家都将全面推进5G低频段的覆盖、通信和应用。

世界上只有美国特殊，在5G低频段还没有全球统一定义的时候，它就把有关频段卖给军方使用了，至于民用这一块，美国的几个电信公司仅使用24GHz、28GHz和39GHz频段，采用的是诺基亚、爱立信、飞利浦的服务器。使用效果如何？据了解，它们存在不少问题。一是5G的应用范围目前局限于人口密集区；因为其它很多地方，人们分散居住，铺设光纤、架设那么多基站，电信公司收不到效益，不愿意干；二是在密集区仅是从家庭-Wifi-基站-Wifi-家庭，造价便宜，这虽是移动通信，但还不是真正意义上的5G移动通信；三是使用效果不理想，下行速度仅仅比4G 略快一点，而且信号常常不好，常常出问题。总之，美国的5G仅用高频段，一直没有用好。

最近，美国联邦通信委员会一致通过，在5G网络中可以使用11Ghz，这是5G的中间频段，大概美国想在5G中频段上做出成绩来。

对于美国在5G方面的表现，不得不多说几句。1.电磁波的频段是受到严格管制的，每个国家都有相应的管制部门。对于现在大家认为的5G的中低频段，美国早就它把拍卖给军方使用了，无法再收回。全球都准备普遍实施的5G低中频段通信，美国却不能开展。2.从目前的实验结果来看，“华为”的服务器能够兼顾4G频段和5G的低、中、高频段，其性能比诺基亚、爱立信、飞利浦的服务器要好，日本、韩国、欧盟都不排除华为的服务器。3.美国在5G建设方面落后了，将来在5G通信其它应用方面也将落后，这使得美国焦虑。只有在5G高频段使用经验成熟了（其中不排除使用华为设备），美国的5G才会与世界同步。

5G的高频段通信技术难点在哪里，

5G的发展趋势就在哪里。

5G的高频段的频率很高，是毫米波，于是5G通信的所有问题都是由毫米波的基本的特性所产生和延伸出来的。不难想到，问题之一是由毫米波传播距离短，易衰减所造成的；其二是高频段的数字流量大，速度快，于是在通信中要解决数字信号的快速交换问题。

问题1：新型网络架构

由于毫米波传播距离短，易衰减，5G通信的基站要求更加密集。

3G基站的覆盖半径约为2-5公里

4G基站的覆盖半径约为1-3公里

5G低频段通信的基站要求覆盖半径约为300米

5G高频段通信的基站要求覆盖半径约为100米

在4G时代，基站与基站之间是无线连接的，基站和用户之间的有线（通过Wifi）连接的。人们设想，将来5G的基站之间用光纤连接，基站和用户之间彻底的无线连接。　

一个最简单的问题是，频率高了，中继站密集了，投入增多了，多个经营商重复建造太浪费资源了。能不能多个开发商共建共享基础设施呢？只有这样才能，降低5G通信网络的建造成本。

各个国家都提出多个开发商共建共享基础设施的设想。

我国也提出，要求几家运营商共同接入同一个网络，共享现有的移动的和固定网络基础设施，包括基站、铁塔、天线、管道等等，还特别提到了室内分布系统的共建共享，其认为未来5G室内覆盖是重点领域，室内覆盖建设应该采用联合施工模式，以降低部署成本，扩大室内覆盖面积。

共建共享，说起来容易做起来难。这里既有理论方面的问题，例如用什么网络结构和分布模式，用什么连接方式才是合理有效的；这里也有复杂的协作问题，例如人口密集区怎么做，边远地区又该怎么办。

问题2.发挥用户在网络连接中的作用

现在正在热门研究的D2D通信技术，要求每个用户都能发送和接收信号，并具有自动路由(转发消息)的功能。简单地说，每个用户不仅是终端而且都是网络的转接中继站。网络的参与者共享它们所拥有的一部分硬件资源，包括信息处理、存储以及网络连接能力等。

D2D通信技术，既可以在基站控制下进行连接及资源分配，也可以在无网络基础设施的时候，把具有这种能力的设备作为中继跳板，把信息接人网络，以达到网络信息交互的目的。

D2D通信技术，对将来的自动化交通，自动化设备联动，智能家居、环保、医疗等方面都有重要的应用。

问题3.网络功能分片

在5G网络中，有的要求专门控制电网，有的要求专门控制交通，控制某种类型的生产，通话等等，因为所有的的数字信号都在网络中传输，如何做到有针对性的发送和接受呢？

可以设想，把简单的密码技术引进到网络中，某种专用信号带有专用密码发送到网络中，专用接受时采用专项解码，这样就可以做到不同专用目的互不干扰了。

问题4.云计算的软硬件

5G网络要求海量存储，处理数据的时效性强、功能多样化，这种连接方式要能及时处理多样化的业务、能全面实现信息通信技术的智能化。这些要求对云计算的软件和硬件都提出了更高的要求。

问题5.抗干扰算法

在5G信号传输中，频率更高了，数据量更大了，传输速度更快了，因此要使信号稳定传输，抗干扰算法尤其重要。现有的关于4G的抗干扰算法只能解决单个干扰源问题，而在5G网络中，会有多个干扰源，需要更快更好的抗干扰算法。

另外，在5G网络中终端的移动可能很快，例如手机就在高铁上，那就还需要新的切换算法，需要网络动态部署算法，需要在动态变化情况下的抗干扰算法。 

问题6.网络安全

网络安全问题很多，举几个例子。

通信的可靠性要求一般，工业互联网、车联网等的可靠性要求高，如何在同一个网中协调，避免冲突？

终端设备（例如手机）将来也是网络的中继站，如何保护终端的个人信息不被泄露？

5G网络的接入量十分巨大，在这种情况下如何保证身份安全？

如何防止病毒攻击？

问题7.关于5G的高频硬件

国外高通、英特尔等，国内华为、中兴，都已经推出了5G低频段的芯片，但是都还需要与软件、整机设备、系统应用、测试仪器仪表等产业环节的紧密互动实验，都还需要进一步缩小体积，加强稳定性和可靠性。关于5G高频段的芯片正在研制，还没有推出，同样要解决这些问题。

出芯片以外的其它有关高频段的硬件，要求适应大带宽、低噪声、高效率、高可靠性、多功能和低成本，这是5*业化的重点之一。在这方面，我国华为技术领先，例如

韩国LGU公司，对28GHz频段的毫米波频段，采用华为5G热点服务器试验，运行，下行速度已经达到1Gbp。

日本，NTT 公司用39GHz加上华为设备试运行，下行速度已经达到4.52Gbp。

意大利用华为设备测试高频段，下行速度已经达到2.7Gpb。

英国利用华为设备测试高频段，下行速度已经达到5Gpb以上。

美国AT&T，使用高通、爱立信、诺基亚5G路由器，5G的下行速度仅为194.88Mbp，且信号不好，和4G没有什么区别。

可见，华为的5G高频段服务器性能好，现在华为在全球已经拿下了26个5G的订单。

问题8.毫米波的高频天线

发射和接受某种频率的信号，其天线长度一般在波长的1/2、1/4或1/8，频率越高，其天线长度就越短。

5G通信要求高频、中、低频协同工作，于是就会要求天线是多种尺度天线的组合使用。

目前试验5G低频和高频时，基站使用天线数量有的用128根，有的用64根。对于体积小的手机，虽然频段可能是单一的，但是频率高了天线更短了，这些短天线如何列阵才能获得增益？天线在手机中该怎么布置呢。

本文仅列出8个有待解决的问题，还有很多问题需要不断提出和解决。因此说，5G低频段网络虽然从2020年开始实施，仍然有许多问题有待逐步解决；至于5G高频段何时实现，仍需要一段时间；但是方向已经明确，科技工作者通过努力，令人满意的结果应该离我们不远。

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