5G毫米波规划及应用增强技术研究

于一鸣，高松涛，马向辰，曹阳阳，潘都

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

我国工业和信息化部（简称“工信部”）近日下发的《“十四五”信息通信行业发展规划》中明确指出在“十四五”期间全面推进5G 网络建设，适时开展5G 毫米波网络建设[1]。5G 毫米波通信以其丰富的频谱资源、低时延等优势将成为建设新一代通信网络基础设施的重要方式之一。毫米波一般指频率从30 GHz 到300 GHz 的电磁波，因频段较高而导致的高传播路径损耗成为了国内运营商毫米波频段部署的一大挑战。如何最大限度地在保持毫米波通信的优势下扩大毫米波覆盖范围成为了现在的主要研究方向。

目前业内增强高频通信覆盖范围的主要技术有：

（1）参考文献[2] 中提出利用RIS（Reconfigurable Intelligent Surfaces，智能超表面）技术，通过重构无线信道并对信号进行动态按需调控等方式解决毫米波通信的非视距传输问题，实现覆盖性能增强。

（2）参考文献[3] 中提出一种基于深度学习的D2D（Device-to-Device，端到端）毫米波通信中继方式，通过深度学习方法实现毫米波D2D 中继最优路径选择，实现毫米波通信速率和吞吐量层面的增强。

本文将从分析毫米波频段特性出发，针对高频网络规划所面临的传播损耗高、覆盖盲区大等受限的劣势，简述并分析目前研究较为火热的智能超表面与中继通信两种毫米波覆盖增强技术，为国内运营商应对毫米波通信的未来规划提供可参考建议。

3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）在Release 15 时期就定义了24 250 MHz 至52 600 MHz的毫米波通频段范围和例如帧结构、子载波间隔、时隙长度等主要性能参数。但目前传统移动通信网络并未大规模采用毫米波频段，主要原因在于毫米波频段因其频段较高而导致的传播路径损耗严重和信号穿透能力弱两个问题。

（1）毫米波传播损耗高

以毫米波频段为例的高频信号最明显的弊端就是在空间中传播损耗大，并且极容易受到大气中雨衰、氧衰的影响，导致毫米波信号的传输功率与距离受到限制[4]。根据自由空间路径理论损耗计算公式计算，26 GHz 毫米波频段在相同的传播距离下比2.6 GHz 的传播损耗值要高20 dB，具体各频段损耗差值如表1 所示。为解决毫米波信号传播衰减严重的问题，通过部署大型阵列天线来获取阵列增益[5]，借助毫米波信号波长短、天线尺寸小的特点，实现毫米波信号在小范围内部署天线阵列的局面，近年来毫米波天线器件已日臻成熟，初步具备大规模应用能力[6]。

表1 各频段自由空间损耗对比

（2）毫米波穿透能力差

毫米波信号波长较短，绕射、散射能力较差，信号易被障碍物遮挡[7]。依照3GPP 38.901 协议中定义的穿透损耗计算方法，在穿透城市场景中常见的混凝土、玻璃、木材等材质时，26 GHz 穿透损耗要比2.6 GHz 高7.2～110 dB，穿透混凝土材质时的穿透损耗达到109 dB，基本无法穿透混凝土墙。具体各材质穿透损耗对比值如表2 所示。同时，毫米波信号在遇到降雨、云雾、沙尘等天气因素影响时，信号质量会受到严重影响甚至会导致通信中断。文献[8]中便介绍了不同专家学者对毫米波通信系统受不同天气的影响研究，并提出了在沙尘天气下毫米波通信的性能优化方法。

表2 26 GHz与2.6 GHz穿透损耗对比

从以上计算结果可知，毫米波极高的传播损耗与极弱的穿透能力与目前已有的中低频段通信有这较大不同，将极大地限制运营商城区范围内的高频通信部署规划。这些特点使得毫米波通信在类似O2I（Outside-to-Inside，室外到室内场景）的非视距场景下具有类似于开关功能的特性，会出现信号暂停或关断的现象，用简单的增加发射功率或增加发射天线阵子数并不能完全解决此类场景的覆盖瓶颈，需要借助更多技术方法通过改变传播环境来减小路径损耗，智能超表面技术与信号中继技术作为其中关键技术，可为运营商改善高频通信覆盖能力提供有力支撑。以上两种技术部署示例如图1～图5 所示：

图1 城市热点区域应用

图2 室内用户高频覆盖

图3 热点区域产生多径

图4 城市部署减少邻区干扰

图5 保障用户通信安全

2.1 智能超表面技术

RIS 是一种依托于超材料发展的新型无线网络通信技术，因能够通过改变信道电磁特性进而改善高频信号覆盖盲区问题，成为5G-Adv 和6G 网络的关键候选技术之一[9]。RIS 由不同可编程的电磁单元排列组成，在实际网络过程中通过给电磁单元的差异化指示去动态调整电磁单元的电磁性质，实现以可编程的方式对电磁波传播方式进行主动智能调控。RIS 技术可在解决非视距传输问题、高频段信号覆盖增强、促进绿色通信等方面提供技术支撑，可作为关键技术使能5G 增强。RIS 增强技术主要体现在以下几方面：

（1）部署后可改变接收信号信道特性，增强通信能力

毫米波通信受限于极高的传播损耗使得传播覆盖范围受限。为增强毫米波的潜在覆盖能力，完善运营商5G高中低频跨频段区域联合组网模式，可引入智能超表面增强技术。RIS 将实现无线信道的重新构造，突破传统无线网络因传播特性而导致的限制。通过RIS 控制电磁波的主要传播路径，可在建筑物或障碍物外表面部署，大幅度改变电磁波的传播大尺度衰落参数，并基站与用户之间创建一个通信质量较高的辅助性反射链路。当毫米波在城区部署时，可适当使用RIS 进行毫米波传播散射调控，使得部分原先因穿透墙体而损失的信号能量重新定向到更远位置，实现覆盖区域增强。同时，RIS 部署进行自适应动态调控，通过对接收信号多径效应、角度扩展、极化方式等小尺度参数控制，尽可能降低信道深度衰落的概率，从而实现改变信道环境并增强覆盖范围的目标。

目前，相关的研究成果主要关注高频信号信噪比、信息传输速率损失等系统性能参数，实际应用于网络规划设计的研究还较少。例如，参考文献[10] 对RIS 的反射波束成型进行设计，由现有mMIMO（massive Multiple Input Multiple Output，大规模多输入多输出）技术启发，开展RIS 反射波束成型技术进行设计，给出了在传统蜂窝网中最大化系统容量的优化方案；
参考文献[11] 在以上研究的基础上，拓展到太赫兹频段通信的mMIMO 场景；
参考文献[12] 研究了利用RIS 技术对仿真小区随机撒点用户之间的终端协作可能性。

（2）超表面融合人工智能实现全场景智能化规划，完善信道可控性能与增强覆盖范围

现有通信生活中将产生大量通信环境感知数据，这些数据将对构建一个完整业务导向型的传播环境起到至关重要的作用。RIS 在5G 发展时期引入大数据及人工智能技术，结合现有大尺度衰落及多径效应接收的数据对周遭环境参数进行分析，进而完成无线信道动态适应传播环境这一终极目标的探索。

（3）超表面辅助无线网海量终端连接，助力“万物互联”美好愿景

如图6 所示，在实际无线网络应用场景中存在大量的机器类通信终端，这些通信设备受到自身电量或天线数量的限制，难以支撑长时间高功率的传输，会对整体无线网络性能造成损害。在系统内可利用RIS 在辅助通信中改变物理信道结构且频谱效率降低较小的特点，在保障通信质量的同时补偿无线传输功率损失，并为无线网未来架构演进提供终端方案支持。

图6 RIS技术在无线通信网络中应用

目前针对于RIS 在提升机器类终端互相协调方面的研究较少，主要成果还是围绕在如何通过设计RIS反射波束成型方案在满足通信需求的同时实现低损耗无线能量传输。参考文献[13] 验证了利用RIS 实现SWIPT（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，信号传输与功率传递）的可能性，并给出了最大化传输功率的解决方案。

（4）超表面提升高频信道物理层通信安全性能，实现信号传播相互有效隔离

无线通信系统的安全主要体现在无线信道所具有的内生安全属性，而RIS 技术对无线信道从物理层面的实时可控性也成为了对提升无线信道安全属性的有力工具之一。通过RIS 对无线物理信道的实时控制，能够有效提升无线信道的多样性；
而RIS 对无线通信环境的针对性调整也有助于无线通信的时变性，进而提升每种无线通信场景下的通信多样性。

具体实施层面，无线通信安全性受到影响主要是由于窃听方的链路距离小于到合法用户的链路距离，从而影响整个链路系统的收发安全速率。目前已有的研究成果主要以系统安全传输速率、安全终端概率等安全性能作为标准，并着重在无线网络安全传输速率以及系统通信安全性评估两方面进行研究。参考文献[14] 通过对信号发送方的业务波束径和RIS 发射径进行联合优化，在保证小区业务最低速率需求的条件下，最小化基站发射功率以降低系统安全性挑战风险。

目前，RIS 增强技术研究与实现尚属起步阶段，涉及到的技术问题较多，本文挑选并罗列以下几种较为紧迫的RIS 应用挑战，并提出可能的解决方案。

1）无线传播信道特性的影响：RIS 引入将使得信号自然传播环境变成人为可控的电磁传播环境，从而引入信道特性的变化与显著的近场空间非平稳特性变化。针对此类问题，可以先通过分析跨频段的信号相似性特征，描述中低频段信道与高频信号在相同场景下的信道表现，并将部署RIS 的信号传播环境特性逐步叠加在每个频段的信道参数中。目前，已有高校科研机构结合目前中低频段信号传播特性进行分析，并合理推测更高位置频段的信道特性。东南大学的王海明教授团队通过分析收集到的三种典型场景的高中低频信道数据，发现不同频段的PDP（Power Delay Profile,功率时延曲线）具有相似的变化特征，并提出了一种依据SIM（Similarity Index Measure，相似性参数评估）的跨频段相似性描述方法[15]。

2）多网络共存与干扰问题：引入RIS 对高频信号信道进行调控的同时，会对场景内已有的其余频率产生干扰信号。RIS 对信号进行动态异常调控，使得该路径与其他信号的路径产生交叠。应对这种情况，主要技术思想是优化传统频谱共享接入机制，同时尽可能降低RIS 传播链路上的感知门限，或增加经RIS 处理后高频信号的波束优化条件，限制高频信号的传播环境优化范围，降低交叠干扰。

2.2 中继通信技术

与其他类似技术相比，RIS 虽然可以低实现成本且无源低功耗地改善无线信道，但其并不能作为任意场景下的最佳解决方案。尤其是和无线中继通信技术相比，近年来的研究发现，两者之间互有优劣。在无线网络中，RIS 主要用于改善发射机与接收机之间的无线信道，与传统的无线中继类似，甚至可以看作是一种特殊的全双工无源中继[16]。研究人员从不同方面对RIS 与有源无线中继，主要是DF（Decode-Forward，译码转发）中继进行了详细的比较[17-18]。在发射功率、可达速率和能量效率等方面，RIS 在用户速率要求较高或反射元件数量较大（至少数百个）时才优于DF 中继[17-18]。Chatzigeorgiou[19]在5G 规范下对上述结果进行了验证和补充，并表明在未来无线网络中，RIS 和无线中继可互补彼此的优势，其中DF 中继适用于扩展BS（Base Station，基站）的覆盖范围，而RIS 可用于改善接收信号的质量或降低BS 覆盖范围内的发射功率要求。由此可见，无线中继通信技术在某些领域、场景下的表现要优于RIS。

具体到毫米波增强这一场景，为解决毫米波信号在传输过程中因损耗过高或穿透性差等问题而导致的通信阻塞情况，部分研究机构与学者采用中继通信的方法转发高频信息，提升网络覆盖性能。相比较于原先针对存在覆盖盲区现象时常采用的补充建站方法，中继通信方法不仅节省了设计成本与建站成本，更具有技术延展性，可逐步扩展诸如D2D、星地通信等未来业务。

目前在针对高频协作中继技术的研究内容主要聚焦于两方面，即优化目前的中继选择以及预测网络链路中的最优中继方式。首先，文献[16]、[20] 提出采用IEEE 802.11ad 中的快速频率切换技术将高频信号转换到中低频上，既解决了高频通信的通信阻塞问题，又扩展了高频的覆盖范围。文献[21] 提出并分析了毫米波通信网络引入中继技术之后仿真的覆盖性能提升，验证了中继辅助毫米波通信的优势。但以上方法是基于在多频协同网络中在已有的中继方式的基础上进行优化，还未涉及到在网络规划时对潜在中继技术的增强。文献[22] 提出在高频网络中可以通过计算三端（发射端、中继端、接收端）互相物理距离的方法，来选择最佳中继的方法。

结合目前研究进展来看，非视距场景可由中继通信手段作辅助进行覆盖范围扩充。现有研究工作并未区分实际环境中的视距场景与非视距场景，这就会导致中继方法在非视距场景下应用鲁棒性不强，从而可能导致无法达到仿真时的优化最佳效果。建议下一阶段的研究重点应考虑利用人工智能方法分析现有站点相似场景下的视距/ 非视距传播链路比例，进而在中继方法研究中将相应权重叠加在中继站点选择算法中。

结合现有技术与毫米波本身特性来看，毫米波部署应尽量避开传播路径中障碍物较多的场景，应多以视距场景为主。并且对于重点高容量场景应尽量满足低频负责覆盖，毫米波负责容量补充的组网方式。

（1）5G 高低频混合品牌类场景

未来移动通信将会呈现从核心区域到乡村的分层区域覆盖的规律，在5G 毫米波试验部署的前中期需要与已经部署的中低频组网相结合，致力于提升重点区域品牌价值，满足突发高容量场景的抖动化需求。在诸如体育场馆、火车站、商业广场等品牌类场景中部署增强技术，需要考虑到此类场景障碍物密集，业务分部相对稀疏，应预先在此类场景内对无线信道的障碍物遮挡、传播路径损耗等大尺度特性进行调研，构建建筑物与大尺度衰落特性的模型对，在遮挡严重的区域精确部署RIS 或中继单元，对高频场景进行人为把控，并结合已部署的中低频信号进行功率优化，避免传播路径交叠现象。同时，可以在规划初期的覆盖仿真中，着重关注小区边缘的信号强度情况，有针对性地采用增强技术。

（2）室外广覆盖场景

由于毫米波波长短，天线阵列可容纳更多天线阵子，使得天线阵列发射波束能量更加集中与可控。诸如IAB（Integrated Access Backhaul，接入回传一体化）等需高频信号为回传信号的场景，首先需要更大规模的天线阵列提高高频信号发射波束赋形增益，并增加RIS 的天线孔径来提高接受信号强度，克服传播路径损耗。

（3）行业专网场景

工业互联网中，移动视频监控、工业视觉、AGV、工业机器人远程控制等业务对带宽与时延要求极高，目前中低频网络无法满足以上需求，需要5G 毫米波进行协调补充，实现工业互联网的智能化。将RIS 与AI 技术相结合，可以为目标覆盖场景提供智能化、高速率的解决方案，并构建基于高度的分层部署方案，在本地灵活调整实施节奏。

（4）高速移动性场景

相比较于城市宏站与室内微站的通信场景，高速移动性场景具有多普勒频移严重、公网覆盖范围不足、容量需求高等挑战，需要充分利用更多频段满足速率与容量需求。传统高铁无线通信系统主要是依靠收发端算法优化或基站上车的方式来解决以上挑战，这些传统方法复杂度高且所需成本较高。引入RIS、中继通信等增强技术之后，可在高铁线路沿线周边部署RIS 表面来增强公网覆盖范围，逐步改变多频段的传播环境，为进一步提升系统性能与降低部署成本提供可能。

近年来，毫米波通信作为一种补充中低频段资源的通信手段，因其具备各种能够满足未来通信网络需求的优点而备受关注。为了能够克服高频信号的较高损耗导致的覆盖范围受限问题，众多研究学者与机构都结合国外毫米波已有部署现状提出各自的看法。本文重点介绍了毫米波规划可能采用的两种增强技术，对国内外已有的技术方法进行梳理，并针对可能应用的场景提出部署方法，可供相关领域人员参考。