毫米波MAC层设计全面解析
1. 引言
随着无线应用数量的不断增加，对无线频谱的需求也在迅速增长。尽管人们对提高频谱效率和重用进行了大量研究，但传统无线通信频段（低于几吉赫兹）的带宽很快将无法满足日益增长的需求。毫米波（mmWave）频段为带宽稀缺问题提供了一个有前景的解决方案，它使用30 - 300 GHz的电磁频谱，对应波长在10到1毫米之间，能提供大量额外带宽。然而，与低频段相比，毫米波通信也面临着独特的挑战和显著差异。
毫米波通信的主要挑战包括阻塞、耳聋（信号无法到达预期接收器）、并发传输和同步等问题。为应对这些挑战，人们提出了增强的MAC层协议和算法。目前，针对个人和局域网的毫米波MAC标准化工作正在进行中，虽然蜂窝网络的标准化活动尚未明确，但有一些研究项目正在开展相关工作。
2. 关键设计挑战与方向
2.1 方向性
高效的MAC协议应确保高链路质量并减少冲突。文献中提到，MAC层采用定向传输是最合适的解决方案。例如，60 GHz信号在自由空间中的传播损耗比2.4 GHz信号高22 dB。定向天线能在特定方向上实现高增益，在其他方向上增益较低，与全向天线相比，它能减少对其他节点的干扰。
2.2 阻塞
阻塞是毫米波通信的关键挑战之一，指由于障碍物导致的高衰减。60 GHz时波长为5毫米，高度定向的波束形成使网络对阻塞更加敏感。障碍物（如人体和砖块）会严重衰减毫米波信号，人体可使信号衰减35 dB，砖块可使信号衰减80 dB。与WLAN和WPAN系统不同，蜂窝网络允许非视距（NLOS）通信，在毫米波蜂窝网络中，会对网络效用进行优化以克服阻塞问题。