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4挑战和现有解决方案
尽管微波通信很有潜力,但是如何利用好这些好处还存着很大的挑战. 现在，我们讨论这些挑战并提出相关的现有解决方案.
4.1集成电路和系统设计
在高频载波和宽的宽带的情况下，电路元件设计中的存在几个技术难题以及用于毫米波通信的天线[5]的问题. 在60 GHz频段，高发射功率，即等效各向同性辐射功率（EIRP）和巨大带宽导致功率放大器（PA）存在严重非线性失真[55]。此外，相位噪声和智商失衡也是一个射频集成电路面临的挑战问题〔55, 56〕。
关于微波通信集成电路的研究总结了60 GHz频段的通信研究进展并在[5]中讨论，包括片上和封装天线，射频（RF）功率放大器（PA），低噪声放大器（LNA），压控振荡器（VCO），混频器和模数转换器（ADC）。洪等人.[57]推导出一种新颖实用的相控阵天线解决方案工作在28 GHz，接近球形表2 mmWave通信在不同频段的传播特性频带（GHz）PLE雨衰@ 200 m吸氧@ 200 （dB）LOS NLOS 5 mm / h（dB）25 mm / h（dB）28 1.8-1.9 4.5-4.6 0.18 0.9 0.0438 1.9-2.02.7-3.8 0.26 1.4 0.0360 2.23 4.19 0.44 2 3.273 2 2.45-2.69 0.6 2.4 0.09Wireless Netw（2015）21：2657-2676 2661123覆盖。他们还设计了手机原型配备mmWave 5G天线阵列共有32个薄型天线元件。胡等人。 [58]提出了一种用于毫米波的腔背槽（CBS）天线应用。天线的空腔是完全由聚合物材料填充，减少了空腔规模为76.8％。廖等人。 [59]提出了一种新颖的平面具有差动馈电的孔径天线，可保持与传统相比，具有高增益和宽带宽高增益孔径天线。建议的光圈天线元件成本低，外形小巧，尺寸紧凑，而且增益和带宽也很好。 Zwick等。 [60]提出了一种适用于的新型平面覆板天线与mmWave收发器集成电路集成，它印在电介质覆盖层的底部下面有一个地平面。两种设计用于60 GHz频带在保持的同时实现超过10％的带宽效率高于80％。
4.2干扰管理和空间复用传输方向性使得链路间的干扰更小。
在60GHz频段的室外网状网络中，高方向链路被建模为伪有线，非相邻链路之间的干扰可以忽略[61]。在毫米波网格网络的MAC协议设计中，天线方向图的细节也可以忽略。由于定向传输，第三方节点无法像WiFi那样执行载波感知，这被称为耳聋问题[62]。在这种情况下，协调机制成为MAC设计的关键，充分利用并发传输，大大提高网络容量[14]。
然而，在室内环境中，由于范围有限，假设使用伪有线是不合理的[63，64]。另一方面，由于移动数据需求的爆炸性增长以及克服了毫米波通信的有限范围，在一个实际的毫米波通信系统中，在公共和私人区域部署的接入点数量大幅增加。例如，必须在企业隔间和会议室等场景中部署大量AP，以提供无缝覆盖。在这种情况下，网络中的干扰可分为两部分：每个BSS内的干扰和不同BSS之间的干扰[65]。如图3所示，当BSS1和BSS2中的两个链路在同一插槽T中通信时，由于AP1将其光束指向笔记本电脑，AP1将对笔记本电脑产生干扰。如果两者之间的距离较短，笔记本电脑的服务将显著降低。
因此，应采用诸如功率控制和传输协调等干扰管理机制，以避免因干扰而导致网络性能显著下降。在有效管理干扰的情况下，应在不同的BSS之间以及每个BSS内支持并行传输（空间复用）。为了解决这些问题，对毫米波通信的定向MAC协议进行了一些相关的研究。由于在ECMA387[6]、IEEE 802.15.3c[8]和IEEE 802.11ad[9]中采用了TDMA，许多协议都基于TDMA[67，68]。蔡等。[69]引入了专用区域（ER）的概念以实现并行传输，并得出了ER条件，即对于全向天线和定向天线模型，并行传输始终优于TDMA。通过REX调度方案（REX），获得了显著的空间复用增益。然而，干扰水平和接收到的信号功率是由自由空间路径损耗模型计算的，这种模型不适用于室内WPAN，因为反射也会引起干扰。
另外，在输电调度问题中只考虑了二维空间，不考虑功率控制来管理干扰。在基IEEE802.15.3c的两个协议中，如果多用户干扰（MUI）低于特定阈值[64，70]，则多个链路计划在同一插槽中通信。然而，它们不能捕获定向天线的特性，也不考虑多链路干扰的聚集效应。乔等。[63]提出了一种适用于室内IEEE802.15.3c无线局域网的并发传输调度算法，并将无干扰链路和干扰链路安排为并发传输，以在满足每个流的QoS要求的情况下最大限度地增加流的数量。它可以支持更多的用户，显著提高毫米波无线局域网的资源利用效率。
然而，它没有考虑非直瞄发射，这对室内无线局域网是重要的，干扰模型没有考虑到现实的天线模型。此外，一个多任务。3.针对链路中断（阻塞）问题，提出了不同BSS2662无线网络间的干扰（2015）21:2657–2676 123跳并发传输方案（mhct），克服了巨大的路径损失，提高了流量吞吐量[71]。提出了一种理想的定向天线“平顶”模型，并分析了二维空间中MHCT的空间复用和时分复用增益。基于IEEE802.15.3c，piconet控制器根据跳选择指标为流量选择合适的中继跳，并利用多跳并发传输方案（mhct）进行空间复用。对于基于IEEE802.15.3c的协议，piconet控制器在随机访问期间以全向模式运行，以避免耳聋问题，这对于在具有高方向传输的千兆域中运行的毫米波系统可能是不可行的，并会导致增益不对称问题[72]。对于基于TDMA的协议，突发数据流量的中间时间通常是高度不可预测的，这将导致一些流具有过多的中间时间，而其他流没有足够的中间时间。此外，对于基于TDMA的协议，动态介质预留的控制开销可能很高。基于IEEE 802.11ad，Chen等人[66]提出了一种空间复用策略来调度两个不同的SP彼此重叠，并分析了该策略的性能，同时考虑了理想定向天线和现实定向天线之间的差异。由于并发传输只考虑两个链路，因此它不能充分利用空间复用。
另一方面，有些协议是基于AP或PNC的集中协调。龚等。[73]提出了一种指令CSMA/CA协议，该协议利用虚拟载波传感来完全解决耳聋问题。网络分配向量（NAV）信息由PNC分配。然而，空间复用并没有被充分利用来提高协议中的网络容量。儿子等。[62]提出了一种基于帧的指令MAC协议（FDMAC）。FDMAC的高效性是通过将调度开销分摊到一行中的多个并发传输上来实现的。
fdmac的核心是贪婪着色算法，与mrdmac[34]和内存引导定向MAC（mdmac）[74]相比，该算法充分利用了空间复用，大大提高了网络吞吐量。FDMAC具有良好的公平性和低复杂度。然而，fdmac假设wpans的伪有线干扰模型，由于范围有限，这是不合理的。陈等人。[75]提出了一种定向协作MAC协议（dcoopmac），用于协调IEEE 802.11ad WLAN中各站之间的上行信道访问。在D-COOPMAC中，建立了从源站（STA）到目的站（STA）的两跳高信道质量路径，以取代低信道质量的直接路径。通过双欧姆继电器，D-COOPMAC显著提高了系统的吞吐量。然而，空间复用也不考虑在D-COOPMAC，因为大多数传输通过AP。Park等人。[76]提出了一种增量组播分组（img）方案，以最大限度地提高设备的总和速率，其中根据组播设备的位置生成自适应波束宽度。基于IEEE802.11ad的仿真表明，与传统的组播方案相比，IMG方案可以提高28-79%的总吞吐量。Scotthayward和Garcia Palacios[77]提出在IEEE 802.11ad中使用粒子群优化（PSO）来分配混合多媒体应用程序的信道时间。证明了即使发生阻塞，信道时间分配PSO（CTA-PSO）也能成功地分配资源。对于60 GHz频段的室外网状网络，Singh等人[74]提出了一种基于伪有线链路抽象的分布式MAC协议，即内存引导定向MAC（MDMAC）。协议中加入了马尔可夫状态转换图以缓解耳聋问题。MDMAC利用内存来实现近似的时分复用（TDM）调度，并且没有充分利用空间复用的潜力。另一种用于定向毫米波网络的分布式MAC协议是定向MAC（DTDMAC），在这种协议中，发送者和接收者都以定向模式[72]工作，从而解决了非对称增益问题。DTDMAC对异步操作采用指数退避方法，并通过马尔可夫状态转换图来缓解耳聋问题。DTDMAC是完全分布式的，不需要同步。然而，它并没有捕捉到毫米波波段的无线信道特性，只给出了用于毫米波技术的DTDMAC的分析网络吞吐量。
4.3抗阻塞
Sato和Manabe[78]估计了发生人体阻塞的办公环境中APS和终端之间的传播路径可见性。为了避免人体在没有多个AP多样性的情况下完全遮蔽，需要大量的AP。然而，只有两个接入点之间的分集切换提供98%的传播路径可见性。董等。[79]分析了典型室内环境中随机人体活动时链路阻塞的概率。AP安装在天花板上，这项工作主要集中在AP和用户设备之间的链接。结果表明，随着用户设备向服务区边缘移动，链路的阻塞概率几乎呈线性增加。
为了保证网络连接的健壮性，提出了从物理层到网络层的不同方法。GEC等人。[80]利用墙壁和其他表面的反射来绕过障碍物。Yiu和Singh[81]使用静态反射镜在发生阻塞时保持整个房间的覆盖范围。使用反射会造成额外的功率损失，降低功率效率。此外，节点的位置和环境对反射克服阻塞的效果也有很大的影响。等。[82]通过将光束路径从直瞄链路切换到非直瞄链路来解决链路阻塞问题。非直瞄传输存在明显的衰减，不能支持高数据率[31、34、71]。Park和Pan[83]提出了一种称为等增益（eg）分集方案的空间分集技术，即在波束形成过程中沿n条最强传播路径同时形成多个波束。当最强的路径被障碍物阻挡时，剩下的路径可以用来保持可靠的网络连接。这种方法增加了波束形成过程的复杂性和开销，最终会降低系统性能。肖[84]通过跟踪阴影过程，提出了一种次优空间分集方案，称为最大选择（MS），在链路裕度方面优于EG，节省了计算复杂度。另一种方法是使用继电器来保持连接性[34，85]。多跳中继定向MAC（MRDMAC）通过PNC的加权循环调度克服了耳聋问题。在mrdmac[34]中，如果无线终端（wt）由于阻塞而丢失，接入点（ap）将在活动的wt中选择一个wt作为到丢失节点的中继。通过多跳MAC架构，MRDMAC能够在典型的办公环境中提供强大的连接。由于大多数传输都通过PNC，因此在MRDMAC中也不考虑并发传输。基于IEEE 802.15.3，LAN等人[86]利用twohop中继在如此恶劣的环境下提供替代通信链路。一个链路从中继到目的地的传输计划与另一个链路从源到中继的传输共存，以提高吞吐量和延迟性能。但是，该方案只对两个链路进行并行传输调度，空间复用还没有得到充分的利用。局域网等。[87]还提出了一种偏转路由方案，通过共享直接路径和中继路径的时隙来提高有效吞吐量。它包括一个路由算法，最佳匹配偏转路由（BFDR），以找到干扰最小的中继路径，从而最大限度地提高系统吞吐量。他们还开发了次最优随机匹配偏差路由（RFDR），它以更低的复杂度实现了几乎相同的吞吐量改进顺序。在部署多个APS的情况下，可以在APS之间进行切换，以解决阻塞问题。张等。[88]利用多AP多样性克服阻塞。多AP体系结构中有一个访问控制器（AC），当其中一个无线链路被阻塞时，可以选择另一个AP来完成剩余的传输。为了确保这种方法的有效性，需要部署多个AP，它们的位置将对这种方法的健壮性和效率产生重大影响。最近，Niu等人[89]提出了一种阻塞鲁棒高效的定向MAC协议（BRDMAC），该协议通过两跳中继克服了阻塞问题。在BRDMAC中，中继选择和空间复用联合进行了优化，以实现在延迟和吞吐量方面接近最优的网络性能。然而，在BRDMAC中只考虑了两跳中继，在严重阻塞情况下，发送方和接收方之间可能没有两跳中继路径，不能保证网络的可靠连接。在网络层，Wang等人[90]利用多径路由增强60 GHz室内无线网络中高质量视频的可靠性。它主要集中在视频流量上，其他流量模式不考虑。
4.4用户移动性带来的动力
用户移动性在毫米波通信系统中提出了几个挑战。首先，用户移动性将引起信道状态的显著变化。当用户移动时，发送器（TX）和接收器（RX）之间的距离会发生变化，信道状态也会相应变化。在表3中，我们列出了Tx和Rx之间不同距离下的信道容量，采用了[91]中的phy参数。我们假设Tx和Rx之间的LOS传输，从而根据香农的信道容量计算容量。我们可以观察到，信道容量随距离的变化显著。因此，应根据信道状态选择调制和编码方案（MCS），以充分利用毫米波通信的潜力[92]。
第二，由于BSS覆盖范围小，特别是在室内环境中，用户的移动性将导致每个BSS中的负载显著快速波动[93]。因此，应智能地进行接入点之间的用户关联和切换，以实现优化的负载平衡。现有的毫米波通信标准，如IEEE 802.11ad和IEEE 802.15.3c，采用接收信号强度指示器（RSSI）进行用户关联，这可能导致资源利用效率低下[94–96]。考虑到负载、信道质量和60GHz无线信道的特点，Athanasiou等人[97]设计了一种基于朗格对偶理论和次梯度方法的分布式关联算法（DAA）。DAA在收敛速度快、可扩展性强、时间效率高、执行公平等方面优于基于RSSI的用户关联策略。
此外，用户移动性还将导致APS之间频繁的切换。切换机制对QoS保证、负载平衡、网络容量等都有很大影响，例如需要平滑的切换来减少掉网和乒乓（同一对AP之间的多个切换）。然而，对于60GHz频段的毫米波通信的切换机制几乎没有研究。van Quang等人[98]讨论了60GHz无线光纤网络的切换问题，利用用户的速度和移动方向等信息，可以提高切换性能。Tsagkaris等人[99]提出了一种基于移动扩展小区（MEC）
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