5G无线通信系统中毫米波MIMO天线技术研究综述

引言：随着中国5G运营牌照的发放，5G相关技术已经基本成熟，即人们能够享受到极速无线移动通信的日子即将到来。5G无线移动通信之前，期中的4代无线移动通信都是不断地满足人们通信的便捷性，4G无线移动通信也只是在移动互联网和及时可视化通信方面得到拓展。而第五代无线通信系统则完全不同，其高速率、低延时和大容量三个特性，足以将酝酿多年信息技术为首的科技革命彻底引爆，在社会掀起一场新的信息科技革命。以上述三个特性为支撑的，5G无线通信系统可以为任何新的智能场景提供数据传输服务。5G无线移动通信的主要特色在于能够实现物或者机器间的连接，即万物互联。未来机器间的数据传输量将远远超过人与人间的通信。但是5G无线通信系统的建设并不会很快完成，能够满足人们预期甚至超出预期的应用场景所需依赖的5G无线通信系统当前还没有完成，目前主要还是为了满足手持智能终端的功能扩展，因为部分关键技术还没有成熟，需要继续研究，比如5G无线移动通信系统中的毫米波通信技术。

毫米波一种波长比较短的电磁波，波长范围在1毫米到10毫米之间，频率范围为30 GHz到300 GHz。但是，通常将20 GHz左右的电磁波也称为毫米波。电磁波在自由空间中的传播特性与电磁波的波长有很大关系，不同波长的电磁波在空间传播过程中，散射特性、波的衰减速度、遇到障碍物的绕射性能等都不相同。到现在为止，毫米波通信还没有在民用系统中得到普及，在军用系统中已经得到了较为广泛的应用，比如毫米波雷达。

5G无线移动通信将毫米波无线通信作为其关键技术之一，另一个关键技术为大规模MIMO技术。MIMO技术在4G无线移动通信系统中已经得到广泛应用，但是4G系统MIMO技术中天线的个数比较少，尤其是在智能移动终端，每组天线个数没有超过4个而在5G无线移动通信系统中的大规模MIMO系统中，天线的个数要达到64个或者128个，甚至更多。如此多个数的天线单元，在目前的微波频段中是很难实现的，必须提高工作信号的频率。

总之，在5G无线移动通信系统中，毫米波MIMO技术作为其关键技术之一，主要用于无线移动通信信道容量和数据传输速率的提升，主要为了实现5G移动通信系统的高数据传输速率。

1.毫米波通信技术优缺点

1.1 毫米波应用于无线移动通信的优势

相比于微波频段，毫米波的频率更高，波长更短。在无线通信中这两个特点既有利也有弊。频率更高的无线电波可用来通信的频带就可以更宽，无线通信系统中信息传输速率

5G无线通信系统中毫米波MIMO天线技术研究综述榆林学院信息工程学院 崔娟娟 刘文琦 何潘金 傅 洁

与频带有密切的关系，频带越宽，信息传输速率就越快。电磁波在空间中的传播特性与波长有关，波长越长，电磁波对空间中的微粒散射越严重，波长越短，空气中散射越弱。所以，当毫米波用来作为无线通信系统工作频点时，毫米波在空间中直线性传播特性较好，波束比较窄，也就是说电磁波具有良好的方向性。除此之外，毫米波应用于无线通信还有一个好处是，无线通信器件很多都是基于谐振原理实现的，所以无线通信器件的几何尺寸一般为电磁波波长的四分之一，波长越短，器件的几何尺寸越小。电磁器件，尤其是无线通信天线的小型化是一个非常重要的特性。由此可知，毫米波应用于无线通信时，器件的几何尺寸可以大幅度减小，在通信的空间中，可以安装更多的器件，或者智能移动终端可以做的更小，更加便于携带。1.2 毫米波应用于无线移动通信的不足

与毫米波应用于无线通信的优势相比，缺点则更加明显。

首先是路径损耗更加严重，路径损耗一般是由于电磁波的辐射扩散和无线通信信道的传输特性等因素造成的，虽然是无线通信系统中普遍存在的现象。但是根据Friis自由空间传播公式Pt(dB) = 32.44 + 20 lnd + 20 lnf可知，电磁波空间传播损耗随着电磁波波长的减小（或者频率的增大）而增大。所以毫米波在空间中传播损耗相比较于传统的微波频段更加严重。其次是大气吸收特性，毫米波应用于无线通信最不利的特点在于毫米波在空间传播过程中，空气中的氧气和水蒸气对电磁波吸收非常严重。尤其是在180 GHz、120 GHz和60 GHz频段附近，电磁信号衰减值极大，达到了15dB/km以上，这些频点也称为“吸收峰”或者“衰减峰”。这些峰值点虽然不利于远距离通信，但是却可以用来实现近距离通信，过快的衰减速度提供了天然的保密特性。

第三是雨水衰减特性，在天气环境比较恶劣的时候，尤其是降雨时，毫米波在空间中衰减非常严重。雨衰减不但会限制无线通信系统的传播路径和传播范围，还会降低系统的鲁棒性和可靠性，对信号的传播效果影响严重。有关研究表面，毫米波信号对降雨衰减的大学与降雨的强度、传播距离的长短、雨滴的形状等要素之间有极大的相关性。一般而言，雨滴越大、传播距离越远以及降雨强度越大，毫米波信号的衰减则越严重。

毫米波在自由空间，尤其是上述几个频段附近，损耗大，大气吸收损耗高，降雨衰减严重，对建筑材料的穿透性能差，直线传播特性强等特性决定了毫米波更适合于短距离无线通信而非远距离通信。

2.毫米波MIMO天线技术特点

MIMO无线移动通信系统也叫多输入多输出系统，即在无线通信的接收和发射端同时采用多个独立天线进行数据的无线通信系统，如图1所

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ELECTRONICS WORLD・探索与观察示。即MIMO技术是一种多天线技术，采用的主要技术包括频率分集、极化分集和辐射方向图分集等各种分集技术。MIMO技术就是在接收和发射端增加了多条平行数据传输通路，能够实现同一个信号的不同版本接收，也可以在同时刻接收不相关的信号。总的来说，能够在不消耗额外频谱资源和发射功率的前提下极大地提高了信息传输速率和信息传输可靠性。目成正比，这就是空间复用增益。比如MIMO系统中，发射端有M个天线，接收端有N个天线，则信道容量的值与M、N中较小的数呈线性相关的。

3.结语

本文对5G无线移动通信系统中的关键技术之一毫米波MIMO技术做了较为详细的研究。期中详细分析了毫米波应用于无线移动通信系统中的优势和不足，重点分析了毫米波的应用于5G系统的不足之处。最后将两种都能够提高无线信道容量的技术结合起来，不但能够将两种技术各自在提高无线信道容量中的优势体现出来，更加可观的是，MIMO技术弥补了毫米波无线电波空间传播的多径衰落现象。所以，毫米波MIMO天线技术能够在5G无线移动通信系统中明显地提高信道容量。

图1 MIMO无线通信技术示意图

对比传统的SISO通信系统，MIMO无线通信技术主要有两大技术优势。首先是空间分集增益；分集技术是一种能够很好地解决无线移动通信过程中电信号多径衰落现象的方法。原理是MIMO无线系统能够接收同一个信号的不同版本，而线性无关的同一个信号同时出现衰落的概率非常低，所以MIMO无线通信系统基本解决了多径衰落效应。其次是空间复用增益：MIMO无线通信系统中信道容量与接收端、发送端的最小天线数

作者简介：

崔娟娟，榆林学院信息工程学院实验员，主要讲授课程有《大学计算机基础》，《C语言程序设计》等。

刘文琦，现就读于榆林学院信息工程学院物联网专业。何潘金，现就读于榆林学院信息工程学院物联网专业。傅洁，现就读于榆林学院信息工程学院物联网专业。

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中应该将输电线路的路径以及电路设计的关键点进行全面考虑，才能更好的应对突发状况。在进行220kV架空输电线

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