60 GHz高速率短距離通信系統綜述

岳光榮，陳雷，徐廷生，唐俊林

(1．電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都 611731; 2．中國人民解放軍78006部隊，四川 成都 610041)

60 GHz高速率短距離通信系統綜述

岳光榮1，陳雷1，徐廷生2，唐俊林1

(1．電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，四川 成都 611731; 2．中國人民解放軍78006部隊，四川 成都 610041)

隨著第五代移動通信時代的臨近，無線通信系統設計面臨著更高速率、更大容量的挑戰。60 GHz無線通信技術具有豐富的免許可頻段，在未來無線通信應用中有巨大的潛力。針對60 GHz系統應用在短距離通信中的挑戰與潛力，從60 GHz頻段信道傳播、關鍵技術和相關應用場景展開討論。相比較低頻段系統，60 GHz信號傳播損耗大、系統實現難度高、射頻器件非理想特性明顯。然而，60 GHz頻段系統擁有帶寬資源豐富、信號方向性良好的優勢，通過采取恰當的技術手段，60 GHz系統在Wi-Fi、基站無線回傳、D2D和異構網絡中有著廣闊應用前景。

60 GHz；傳播特性；應用場景

0 引言

從上世紀八十年代開始，蜂窩無線通信經歷幾代技術的飛速發展，每十年就有新的一代移動通信技術誕生，系統傳輸速率也從最初的每秒幾千比特發展到目前的每秒上百兆比特，大大提高了人們交流溝通和獲取信息的能力［1］。但是隨著移動通信數據量的迅猛增加以及智能終端的廣泛普及，傳統移動蜂窩無線通信系統正面臨著如何滿足未來通信高速率、低延遲和大容量要求的挑戰。對于未來第五代移動通信提出的每秒幾千兆到數十千兆比特的傳輸速率，目前移動蜂窩無線通信采用的700 MHz～2．6 GHz的許可頻帶顯得有些捉襟見肘，很難在如此有限的頻段上滿足如此高速率的傳輸要求［2，3］。因此，在未來移動通信系統的架構里，頻帶在30～300 GHz的毫米波短距離通信系統［4］將起到非常重要的作用。隨著全球眾多國家和地區相繼在60 GHz頻率附近開放了免許可頻段，大量學術界和工業界的研究者投入到對60 GHz無線通信技術的研究工作中，這也使得60 GHz無線通信技術成為未來移動通信最具潛力的技術之一。在接下來的篇幅內，將從標準制訂現狀、信道傳播特性和系統設計等方面介紹60 GHz系統的概況。

1 標準制訂情況

早期針對60 GHz用于商用系統的研究主要集中在短距離的多媒體傳輸系統應用，一些標準也圍繞該類場景設計，如IEEE 802．15．3c［5］、WirelessHD［6］和ECMA－387［7］等，主要面向機頂盒、電視等消費類電子產品之間傳輸未壓縮的高速數據和高清視頻。除此之外，還有旨在移動設備之間進行高速傳輸的IEEE 802．11ad［8］標準和無線千兆聯盟(WirelessGigabitAlliance，WiGig)［9］。IEEE 802．11ad是現階段最成功的60 GHz系統標準，它支持近7 Gbps的傳輸速率，支持設備在2．4 GHz、5 GHz和60 GHz多個頻段上任意切換，無縫運行802．11網絡，同樣也支持發送機采用波束成形模式和媒體訪問控制層的直聯互通。2015年，IEEE 802．11工作組成立了Task Groupay任務組［10］，由以前的NG60(next generation 60 GHz)發展而來，希望制訂一個針對802．11物理層與MAC層的修訂標準，在保持或提升現有基站功率效率的前提下，滿足至少有一種工作制式能達到20 Gbps的傳輸速率。標準中的系統方案主要在45 GHz以上的免許可頻段工作，并能夠與802．11ad標準兼容共存。另一方面，中國也在積極發展適合本國市場和頻段的60 GHz標準。2012年，IEEE 802．11工作組正式采納了中國提出的毫米波建設意見，成立了適用于中國毫米波頻段的IEEE 802．11aj任務組［11］，加快發展和制定中國國內的下一代無線局域網標準。

2 信道傳播特性

60 GHz頻段系統擁有獨特的信道傳播特性，與低頻段系統相比，其特點主要體現在幾個方面:一是豐富的免費頻帶資源;二是更嚴重的傳播損耗;三是信號傳播粒子特性明顯。

2.1 頻段劃分

2001年，美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission，FCC)就將57～64 GHz頻段劃分為免許可頻段，以供無線通信研究和發展［12］。隨后，全球各國紛紛參與到60 GHz頻段劃分工作中，各國頻段分配情況如圖1所示，其中大約有5 GHz的共有帶寬，這讓60 GHz頻段具有良好的國際通用性。60 GHz頻段豐富的頻帶資源保證了在選擇了合理的調制方式和編碼方式的情況下，系統傳輸速率能夠能達到每秒數千兆比特甚至更高的傳輸速率。

圖1 部分國家地區60 GHz頻段分配

2.2 傳播損耗

2.2.1 室外傳播

60 GHz頻段信號的室外傳播能力并不理想。眾所周知，60 GHz頻段的大氣衰減是整個毫米波頻段最嚴重的，在海平面上氧氣衰減在60 GHz處出現峰值，達到15 dB/km，而以60 GHz為中心的，其附近的8 GHz的氧氣衰減為10 dB/km，而水蒸氣衰減僅為0．1 dB/km［13］。同時，60 GHz頻段信號還面臨比低頻段更嚴重的落雨衰減和樹葉衰減［3］。除此之外，相較于現有的移動通信頻段，即使在自由空間條件下，60 GHz本身也有更嚴重的路徑損耗，其通常比2～5 GHz以下頻段高20～30 dB。綜合以上因素，60 GHz頻段在室外的傳播距離相當有限，這能降低不同系統間隔離和復用的難度，增強保密性，但是也了對信號覆蓋產生了負面影響。

2.2.2 室內傳播

60 GHz信號在室內的傳播特性表現為穿透能力弱，需要依靠直射路徑或反射路徑通信。表1［3，15，16］整理了一些常見建筑材料的穿透損耗情況?？傮w上看，相較于低頻段系統，60 GHz頻帶內信號的穿透能力較弱。因此，即使是在室內，不同房間之間的系統覆蓋仍然需要認真設計，可以通過采用波束成形和中繼來加強信號覆蓋［14］，同時利用玻璃和木質材料的低穿透損耗，通過門窗尋找能夠建立鏈接的信號路徑。

表1 60 GHz頻段建筑材料穿透損耗

2.3 繞射與反射

60 GHz信號波長遠遠小于現階段廣泛應用的5 GHz以下系統的信號波長，這使其在傳播過程中表現出更顯著的粒子特性。根據中的測量結果，60 GHz在材料邊緣和建筑邊緣的繞射損耗均達到30 dB左右［17，18］，即使是在非視距路徑(NLOS)的信道環境中，60 GHz系統收發鏈路的建立也依賴環境當中的反射表面［19］。除此之外，人體活動對于60 GHz系統通信質量也會產生顯著影響［17，18，20］。在室內，人類活動引起的遮擋會帶來信道衰減的劇烈波動，波動幅度達到20 dB以上，且持續時間長，發生過渡時間短，具體的影響與天線配置以及人員個數有關［20］;在室外，人員在基站附近的活動也會造成15～40 dB的信號衰減［18］。

3 系統設計與關鍵技術

3.1 陣列天線

前面已經提到，60 GHz信號傳播過程中的功率損耗很大，為了滿足信號傳輸的功率要求，在系統設計過程中需要考慮增加發射功率，或增大發射和接收天線的增益。前者由于受限于60 GHz系統硬件實現難度很難達到理想效果，因此具有高增益的多陣元陣列天線被廣泛采用。除了增益改善，陣列天線還能有效地降低信道的均方根時延［21］，減小接收機均衡設計的難度。同時，60 GHz信號較短的波長縮小了60 GHz系統的天線尺寸，使得多陣元的陣列天線能夠在很小的面積內實現?；诖?，IEEE 802．11ad標準中也定義了采用定向天線的傳輸模式［22］。與低頻段相比，采用定向天線的60 GHz系統在系統設計考慮上也有一定不同，主要可以概括為以下幾個方面［23］:首先，60 GHz頻段全向陣元很難實現，所以實際設計中需要用準全向天線陣元取代全向陣元;其次，全向通信增益嚴重不足，導致鏈路建立階段很難進行鏈路配置的同步;另外，定向天線能有效減小信號空間譜泄漏，更利于空間復用。

3.2 射頻器件失真

60 GHz系統較高的工作頻段以及很大的數據傳輸帶寬給硬件設計帶來了很多挑戰。一些在低頻段系統并不嚴重的射頻器件失真在60 GHz系統內可能變得顯著。減小射頻失真有3種思路，一是使用更昂貴的器材原件，但這顯然不利于控制系統成本;二是優化元器件設計;三是引入校準或者補償算法。

3.2.1 功率放大器非線性失真

為了對抗信號傳輸損耗，60 GHz系統需要足夠大的發射功率來滿足信號的覆蓋需求，因此，功率放大器的性能對發射機乃至整個系統性能都有極其重要的影響。為了滿足功率放大要求，功率放大器通常需要工作在接近飽和點的非線性區域，由此帶來了嚴重的非線性失真。為了保持高線性，功率放大器不得不采用功率回退，犧牲增益以保證功率放大器工作在線性區域。同樣的情況在CMOS工藝的功率放大器上也存在，工藝進步的是晶體管速度提高，同時降低其柵氧厚度，考慮到器件可靠性，晶體管電源電壓降低，這導致提升毫米波功放輸出功率很困難，因此線性度和輸出功率之前的權衡余地也就相應變?。?2］。

3.2.2 IQ不平衡

直接變頻結構是60 GHz接收機常見的一種結構［24－26］，其優點在于結構簡單，易于集成。理想情況下，用于下變頻的兩路本振信號的幅度相同、相位相差恰好90°，同時兩正交支路所有器件的頻率響應完全相同。但是在實際系統當中，由于60 GHz載波頻率很高，很難做到兩路本振信號幅度和相位的完全匹配，由此產生的失真叫做IQ不平衡。除此之外，由于60 GHz系統的信號帶寬較大，IQ兩支路在信號帶寬范圍內的頻率響應很難做到完全一樣，造成了與頻率相關的IQ不平衡現象。IQ不平衡，特別是與頻率相關的IQ不平衡，在低頻段并未引起太多的重視，然而在像60 GHz系統這種高頻系統中，與頻率相關的IQ不平衡對于系統性能有著重要影響。IQ不平衡會在信號中引入信號自身的鏡像干擾，還會破壞功率放大器的線性特性［27］。圖2是16QAM受IQ不平衡影響后的星座點，圖3是與頻率相關不平衡時的示意圖。

圖2 IQ不平衡接收機16QAM星座點

圖3 IQ不平衡接收機相頻響應示意圖

3.2.3 相位噪聲

理想的本振信號是一個單音信號，而實際系統中的本振信號是具有一定的帶寬，伴隨隨機相位漂移和周期性的雜散的信號，這種本振信號相位抖動現象總稱為相位噪聲。相比功率放大器的非線性放大和IQ不平衡，相位噪聲更為人們熟知，其主要原因是即使在低頻段，相位噪聲對于采用正交頻分復用(OFDM)調制系統的性能影響也很明顯［28，29］。對于60 GHz系統，由于本振的震蕩頻率高，供電電壓小，相位噪聲比低頻段系統更加嚴重。相位噪聲一般用給定偏移頻率處的功率密度(PSD)來表征。在IEEE 802．15．3c和IEEE 802．11ad標準中給出了相位噪聲PSD的“一個極點/一個零點”(One-pole/ one-zero model)模型［30，31］，分別根據一個低頻點和一個高頻點的相位噪聲功率密度來表征整個相位噪聲功率譜密度。

除了上面介紹的3種60 GHz中常見的射頻非理想特性，還有一些額外的系統失真來源，例如頻率偏移、直流偏執以及帶內失真等，有大量針對這些非理想特性分別或者聯合補償的文獻［32－36］，這里限于篇幅，不一一詳細介紹。

3.3 混合波束成形技術

前文提到，由于功放增益不足，信道損耗偏高，60 GHz系統通常會使用陣列天線通過波束成形來提高天線增益。但是，60 GHz波束成形技術上面臨一些固有的困難。最大的困難就是數?；旌掀骷?，主要是數模/模數轉換器(DAC/ADC)的功率消耗過高。針對這一問題，現行的解決思路是讓多根天線共用一個數模模數轉換器以降低波束成形器中數模模數轉換器的數量，或者采用低功耗的單比特量化技術［14］。對于前者，當天線數大于模數轉換器時，傳統的數字波束成形不能充分利用天線自由度，因此需要在模擬域內實現波束成形算法，這無疑會帶來很大的實現難度。為解決該問題，一種改進的波束成形方案是在數字域進行一次低維度的波束成形，隨后在模擬域利用移相器改變各個天線上發射信號的相位實現相控波束成形［37－39］，這種方式性能雖然不如純數字的波束成形，但實現成本大大降低。

4 60 GHz應用場景

在60 GHz發展早期，人們設想的60 GHz系統的應用場景主要是集中在高清視頻傳輸和類似WIFI的無線數據傳輸方面。近年來，隨著信息技術進一步從滿足通信需求滲透到人們日常生活的方方面面，60 GHz系統的設計場景已經不再是單純的多媒體傳輸或無線數據傳輸，更多更豐富靈活的應用場景開始逐漸被人們關注。

4.1 60 GHz應用于新一代Wi-Fi

60 GHz作為新一代Wi-Fi實現高速的無線數據傳輸是IEEE 802．11ad所設定的經典使用場景［23］。將60GHz應用于傳統數據傳輸應用已經進入到了工業界研發階段。美國高通公司2015年宣布將會展示其最新的三頻接入芯片，將60 GHz技術與IEEE 802．11ac(5 GHz及2．4 GHz)技術進行整合;韓國三星公司也開始開發利用60 GHz技術的Wi-Fi，傳輸速率達到4．6 Gbps。除此之外，戴爾、英特爾等公司也有各種60 GHz的產品研發新聞公布。作為新一代Wi-Fi的候選技術，60 GHz技術的優勢已經逐漸得到工業界的承認。

4.2 60 GHz應用于小型基站回傳

60 GHz在戶外的傳播距離有限，并不能滿足傳統基站的信號覆蓋要求。但伴隨5G時代來臨，人們對于小型密集基站的需求上升以求達到更大的系統容量［40］，同時小型基站的覆蓋范圍要求被降低，小型基站之間的通信距離通常在100～200 m［41］。使用大量小型基站的一個問題是如何在小型基站與宏基站之間實現低成本、高靈活性的回傳［41］。傳統的光纖方式顯然不再使用，60 GHz及其以上的毫米波頻段成為無線回傳方式的候選頻段［3］。60 GHz系統小巧的天線陣列能夠很方便地架設，同時相比6 GHz以下的許可頻段，60 GHz的帶寬資源更加豐富。

4.3 60 GHz應用于D2D

60 GHz利用定向天線，實現低干擾傳輸的特點使其能夠應用于終端直聯通信(Device-to-device，D2D)［42］。設備間的直聯通信允許設備在不經過基站的情況下與附近的設備進行直接通信，以充分利用信道資源。在D2D通信模式下，同一小區內的多對D2D通信設備之間會共享部分信道資源以實現頻譜效率的最大化，在這部分信道上傳輸的多對設備之間是非正交傳輸的。60 GHz一方面有豐富的帶寬資源，允許更多的設備劃分獨立的頻段，同時利用定向天線減小了在相同頻段工作的設備之間的相互干擾，實現正交化的傳輸［41］。在正在制訂階段的IEEE 802．11ay標準中，一些更加具體的D2D應用場景也有相關討論，包括輔助現實(AR)或者虛擬現實(VR)技術設備，可穿戴設備等［43］。

4.4 60 GHz應用于異構網絡

與同構網絡不同，為了提高容量覆蓋或是能效，異構網絡中存在著各種各樣的類型的基站。如果各個小型基站使用單一頻率與宏基站通信會引起嚴重的跨層干擾(cross-tier interference)［41］。一種解決方法是將控制層與用戶數據層分開，小型基站使用3 GHz以下的頻率利用高功率信號與宏基站之間傳輸控制信息［14，41］;而利用如60 GHz一類高頻率系統實現低功率的小型小區內的數據傳輸，通過60 GHz信號定向覆蓋小型小區一方面能達到高吞吐，同時波束成形也減少了系統內的用戶間干擾。在IEEE 802．11ay的相關文檔中還討論了Mobile Offloading的概念［43］，指的是移動端將移動數據業務，尤其是視頻類的高吞吐業務從基站下卸(offload)到60 GHz頻段終端進行傳輸。

5 結束語

60 GHz頻段擁有豐富帶寬資源，在未來無線通信有著廣泛的應用場景?，F階段，60 GHz系統的研究重心已經從單純追求高速率高帶寬發展到了研究能夠適用于各種場景，并針對各自應用優化的系統。討論了60 GHz的信道傳播特點、系統設計關鍵技術以及潛在應用場景，明確指出了60 GHz系統在帶寬資源、器件尺寸和干擾降低等方面的優勢，也說明了其在硬件設計和覆蓋能力等方面的劣勢。通過文中論述，可以肯定的是，60 GHz系統在未來無線通信中有著巨大的應用潛力，但是要成為一個成熟的技術，60 GHz系統還有很多技術難題需要克服。

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Overview on 60 GHz Short－range High-speed Communication Systems

YUE Guang-rong1，CHEN Lei1，XU Ting-sheng2，TANG Jun-lin1
(1．National Key Lab of Communications，University of Electronic Science＆Technology of China，Chengdu Sichuan 611731，China;2．Unit 78006，PLA，Chengdu Sichuan 610041，China)

With the coming of the fifth generation of mobile communication，the wireless communications are faced with such challenges as higher data rate and larger system capacity．The 60 GHz band has abundant band resources and is of great potential in future wireless communication applications．Aiming at the challenge and potential of 60 GHz system in short-range communication，the propagation characteristics，key technologies and application scenarios are discussed．Compared with that in band of lower frequency，the signal in 60 GHz band suffers more propagation power loss，more difficulties in implementation and more obvious non-ideality of radio frequency devices．However，in virtue of its band resource and good directional property，the 60 GHz systems still have a wide application prospect in Wi-Fi，base-station backhaul，D2D and heterogeneous networks if proper technologies are adopted．

60 GHz;propagation characteristics;application scenarios

TN91

A

1003－3114(2015)05－01－6

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.05.01

岳光榮，陳雷，徐廷生，等．60 GHz高速率短距離通信系統綜述［J］．無線電通信技術，2015，41(5):01－06．

2015－06－15

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2011AA010201);國家科技重大專項課題(2013ZX03005010);四川省科技廳支撐項目(2012FZ0119、2013GZ0029)

岳光榮(1974—)，男，博士，研究員/教授，2006年12月畢業于電子科技大學，獲得工學博士學位;2007至2008年赴加州大學伯克利分校進行博士后研究，回國后主要從事毫米波高速率短距離通信系統相關研究。陳雷(1987—)，男，博士在讀，2010年畢業于電子科技大學通信與信息工程學院，獲工學學士學位，現就讀于電子科技大學通信抗干擾國家級重點實驗室，主要研究方向:60 GHz射頻非理想特性補償。