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毫米波通信

随着物联网的蓬勃发展，有限的频谱资源被众多应运而生的无线接入技术争夺，从而造成了频段的拥挤。前面章节介绍的无线接入技术大都运行在2.4GHz和5GHz频段这两个免费的ISM频段，竞争紧张的频谱资源。在这种情况下，人们将目光投向了使用更高频率载波毫米波频段。毫米波是指波长在毫米级别的电磁波，例如频率在30GHZ以上，300GHz以下的波，都属于毫米波的范围。毫米波的使用开辟了新的可以利用的频段。

使用毫米波通信能够带来好处？

毫米波通信可以带来很多的好处， 例如在大部分国家，60GHz都是免费的；使用的频段较宽，甚至具有5-9GHz的可用频谱宽度，这比有效带宽只有几百MHz的802.11n等技术要更加充裕。

如今，数据传输速率越来越高是必然的趋势。4K视频（有效显示格式为4096*3072）已经走入人们生活中，几十个G大小的4K视频越来越普遍。而由于具有更宽的有效带宽，毫米波通信可以轻易实现1 Gbit/s以上的高速率数字信号传输，使得毫米波通信在传输高清视频上具有非常大的优势。

2006年，由LG、松下、NEC、三星电子、索尼和东芝等公司共同成立WirelessHD工作组，开发一种可以替代HDMI的无线数字高清传输技术，并于2008年提出了WirelessHD技术（无线高清，也称为UltraGig），利用毫米波通信实现高速率的视频传输技术。

2007年，由英特尔、Broadcom、Atheros、微软等15家公司组成的WiGig（Wireless Gigabit，无线千兆比特）联盟开始着手设计毫米波通信技术。 2009年，由WiGig参与提出的IEEE 802.11ad标准问世。 IEEE 802.11ad主要用于实现家庭内部无线高清音视频信号的传输，为家庭多媒体应用带来更完备的高清视频解决方案。 IEEE 802.11ad将60GHz频段划分为四个信道，采用OFDM技术，使用不同的调制技术可以支持高达7Gbps的数据传输速率，比802.11n快十倍以上。

2010年，WiGig和WiFi联盟宣布合作，将毫米波通信技术和传统WiFi技术整合。IEEE 802.11ad将802.11介质访问控制层进行补充和延伸，完全兼容IEEE802.11标准，可以与WiFi完全融合。2013年3月，WiGig联盟正式并入WiFi联盟。

随着半导体工业的发展，毫米波频率的射频收发器的成本已经大大降低，使大规模应用毫米波频段成为可能。如今，毫米波通信技术，已经走出实验室，进入了真实电子世界中竞争最为激烈的领域之一——数字家庭。毫米波通信也被认为是未来无线通信技术中最具潜力的技术之一。

毫米波通信优缺点

和当前众多的无线通信技术相比，毫米波之所以被深入研究有着它自身的优点，由于毫米波的这些优点使得毫米波技术和应用得到了迅速的发展。

  • 丰富的频谱资源： 目前无线谱低频段大部分已被占用，例如2.4GHz的无线低频频段就挤满了802．1lbg、蓝牙、微波和其他应用。 近年来，各国政府都在毫米波频率附近划分了ISM频段。 比如，中国将59GHz-64GHz划分为ISM频段，美国、日本分别将57GHz-64GHz、59.4GHz-62.9GHz划分为ISM频段，欧洲划分了9GHz（57GHz-66GHz）的ISM频段。 反观目前主要使用的802.11n技术，其有效带宽约为660MHz，远远小于毫米波无线通信技术能使用的带宽。 随着无线频谱资源的越来越稀缺，毫米波无线通信技术能够利用的频段超出其他几种无线通信技术。
  • 传输速率高： 传输速率是随着带宽的增加而增加，因此毫米波的丰富带宽资源会大幅提升数据传输速率。 例如，IEEE 802.11ad技术就可以支持高达7Gbps数据率。
  • 高方向性： 99.9%的波束集中在4.7度范围内。
  • 空间干扰小： 由于毫米波通信的高度方向性，同时传输的信号在空间中重叠度小，不易产生干扰。
  • 安全性： 由于墙壁等障碍物会使毫米波衰减大大增加，有利于限制信号在有限区域内，物理隔离信号传播，保障安全性。
  • 波长短： 由于毫米波信号的波长为毫米级别，其元器件的尺寸很小，便于集成化，同时易于实现波束成型技术（beamforming）。

虽然毫米波通信具有众多优点，其在大规模应用中仍存在亟待解决的关键问题。

  • 信号快速衰减，通信距离短： 我们知道，波长越短，衰减越大，传输距离越短。 由于毫米波通信的波长很短，其衰减非常快，传输路径的自由空间损耗在毫米波附近频率时约为15dB/km。
  • 方向集中，覆盖范围受影响： 由于毫米波的高度方向性，在实际网络连接时，需要连接双方控制才能实现较好的连接效果，同时对于网络覆盖，需要大量天线同时工作保障各个方向的信号覆盖。
  • 穿透性差，易被阻隔： 由于毫米波的高度衰减性，当有物体阻隔在收发设备之间时，信号无法通过，连接会被中断。

图. TP-LINK的Talon AD7200路由器

  1. 如何在传输过程中使得信号朝固定的方向加强？
  2. Beamforming是指什么技术？
  3. 通过多天线阵列技术，可以通过调整控制不同天线上发射的信号的相位，能够达到在不同的方向上对信号进行加强的目标。思考为什么？