毫米波技術取得新突破：未來可支持超高速5G服務！

導讀

據西班牙IMDEA網路研究所官網近日報道，該研究所與中國華為公司合作完成了一個具有突破性成果的項目。由於該項目的成果，未來基於毫米波技術的高速通信網路將更加穩健與高效地提供極高速度、極高質量的視頻以及多媒體內容與服務。

背景

如今，第五代移動通信系統 （5th generation mobile networks，簡稱5G）離大規模商用越來越近。理論上講，5G的網速將比4G高百倍甚至更多，峰值甚至可達10Gb/s以上。未來，5G將為人類的生產與生活增添更多的便利與樂趣，並造福於許多新興技術領域，例如智能硬體、車聯網、物聯網、機器人、虛擬現實等。

然而，為了實現5G技術所要求的通信速率，增加頻譜帶寬是既簡單又直接的方法。在當前頻譜資源越來越緊缺的情況下，毫米波頻譜資源成為了發展5G技術的重要選擇。

什麼是毫米波？

毫米波（millimeter wave），是指波長在1毫米~10毫米之間、頻率在30GHz~300GHz之間的電磁波。它位於微波與遠紅外波相交疊的波長範圍，所以兼有兩種波譜的特點。由於頻率高、波長短，所以毫米波具備頻譜寬、波束窄、可靠性高、方向性好、傳輸質量高等優勢，可廣泛應用於科研、通信、雷達、安檢、醫療等一系列領域。

毫米波射電望遠鏡（圖片來源：維基百科）

毫米波雷達技術示意圖（圖片來源: 廣島大學）

毫米波（紅色箭頭）傳輸的數據直接被轉化為光纖中的光脈衝（黃色）（圖片來源：參考資料【1】）

創新

近日，中國華為公司與西班牙IMDEA網路研究所合作完成了一個具有突破性成果的項目。IMDEA網路研究所是一家位於馬德里的研究機構，它倡導開發了5G領域中的許多技術。由於該項目的成果，未來基於毫米波技術的高速通信網路將更加穩健與高效地提供極高速度、極高質量的視頻以及多媒體內容與服務。

下圖所示：低頻（2.45GHz）的條件下評估到達角（AoA）。該裝置包括4個元件的天線陣列。研究人員使用MUSIC演算法來評估接收到的信號的到達角。

（圖片來源：西班牙IMDEA網路研究所）

技術

該項目首席研究員、IMDEA網路研究所研究主任喬戈·威德默（Joerg Widmer）博士，描述了他的研究小組所應對的挑戰：「信號的路徑損耗隨著頻率的增加而顯著增加。所以，高頻（HF）通信，例如滿足5G以及802.11ad標準Wi-Fi網路的速度與容量需求的毫米波系統，需要定向天線以克服信號衰減的問題。可是，這樣會導致很高的信令開銷，因為隨著結點移動以及障礙物阻擋視距路徑，通信系統的兩端必須持續更新它們的天線轉向。然而，低頻（LF）網路具有豐富的多路徑環境，並且衰減率要低得多，從而可以避免這些問題。」

「我們探索了如何採用低頻段來推理高頻毫米波頻段的信道特性，並在波束跟蹤、到達角評估和位置信息等方面支持聯網。通過研究這個方案以及其他使LF協助HF的LF-HF信道相關性，我們開發出的技術已經能夠提升毫米波頻段性能，並減少運行網路所需的控制開銷。我們論證了我們開發的裝置和演算法不僅理論上可行，而且在該項目的實驗評估階段，也能在實際世界的無線網路環境中工作。」

基於天線數量（這張圖中16個天線）的角度分布相關性（圖片來源：西班牙IMDEA網路研究所）

下圖所示：低頻和高頻的角度分布。圖片展示了每個點接收信號的強度取決於角度。此外，它也包括該研究中兩個頻段角度分布之間的相關性。

（圖片來源：西班牙IMDEA網路研究所）

價值

威德默很清楚這個項目的重要性。他說：「根據我的知識，這是首次將這兩個系統放在一起深入研究。我們的專家團隊取得了某些非常有趣的成果，開發出的技術能讓運營商在毫米波頻段提升其表現，從而減少了運行現在和未來網路所需的控制開銷。我們的工作已經申請了兩個專利應用，第三個目前處於可行性評估階段。」

威德默繼續說：「使LF協助HF的信道相關性研究，是最重要的挑戰之一。在這項研究中，我們必須考慮許多的不確定因素，例如方案、功率、信號延時、路徑數量、每個系統的天線數量。IMDEA 網路研究所的團隊由具有數學、編程語言、材料物理、射頻傳播和通信標準背景的研究人員們組成。多樣化的專業知識應用，以及由我們自由支配的豐富技術資源，都有助於保證我們成功實現這個項目的目標。」

關鍵字

通信、毫米波、5G

參考資料

【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

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