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    第五代移動通信系統 (5th generation mobile networks,簡稱5G)目前已開始逐步開始商用,各重點地市部分地區5G基站已逐步試點商用,華為,高通均推出自己的5G芯片,中興也宣稱下半年會推出自己的7nm工藝5G芯片,各大廠家的5G終端和CPE已投入市場,不同于2G/3G/4G,5G時代為了快速推進部署,行業定義了兩種組網方式。其中,NSA是一種過渡方案,依托4G基站和核心網工作,而SA的核心網是一個全新網絡架構,能充分發揮5G的能力,但是投資更大,網絡建設需要時間更久。中國移動董事長楊杰在GTI創新峰會上提及5G發展時指出,“明年1月1日開始,5G終端必須具備SA(獨立組網)模式。”


    5G網絡速度能達到多少?

    根據Verizon的測試模型,5G的下載速度方面能夠達到1.3Gbps以上;實際使用中,一個3GB左右大小的視頻文件,5G網絡下僅需要33秒就完成,每秒的速率達到726Mbps,而4G的LTE Cat.12網絡下載速率僅62.2Mbps,花掉了6分鐘25秒的時間;


    在高通的實測中,與LTE終端相比,瀏覽下載的速度由4G用戶的均值56Mbps提升到了5G用戶的均值超過490Mbps,達到了將近900%的增益,相應速度提速了近7倍;瀏覽下載的延遲均值由116毫秒下降至17毫秒,下載速度也得到了大幅提升,超過90%的用戶在5G網絡中能夠達到100Mbps的下載速度,相比在LTE的連接中,下載速度為8Mbps;[1]




    5G如何實現如此高的傳輸速率呢?

    任何對通信數據傳輸速率的提升都繞不開香農信道容量公式:




    我們在5G也會采用同樣的方式來提高數據傳輸速率: 提升頻帶寬度和提升信噪比。具體措施就是:


    1. 采用毫米波(提升頻帶寬度)

    2. 更先進的波束賦形(提升信噪比)

    3. 超大規模天線,全雙工無線(提升頻帶寬度和信噪比,空域)。


    相對于提高信噪比,增加頻譜帶寬的方法顯得更簡單直接。在頻譜利用率不變的情況下,可用帶寬翻倍則可以實現的數據傳輸速率也翻倍。但問題是,現在常用的6GHz以下的頻段已經非常擁擠,到哪里去找新的頻譜資源呢?各大廠商不約而同想到的方法就是使用毫米波技術。


    毫米波是什么?有何優點?

    毫米波(mmWave)通常意義上指EHF頻段,即頻率范圍是30GHz——300GHz的電磁波。因為30GHz電磁波的波長是10毫米,300GHz電磁波的波長是1毫米。24.25GHz電磁波的波長是12.37毫米,可以叫它毫米波,也可以叫它厘米波。但是實際上,毫米波只是個約定俗成的名稱,即一個工程概念,并非一個學術定義,沒有哪個組織對其有過嚴格的定義。有人認為,頻率范圍在20GHz(波長15毫米)——300GHz之間的電磁波都可以算毫米波。


    先看看無線電信號的頻譜如何劃分:

     




    5G NR


    3GPP已指定5G NR 支持的頻段列表,5G NR頻譜范圍可達100GHz,指定了兩大頻率范圍:


     

    5G NR

    頻率范圍名稱

    對應的頻率范圍

    FR1

    450MHz-6GHz

    FR2

    24.25GHz-52.6GHz

     


    Frequency range 1 (FR1):就是我們通常講的6GHz以下頻段


    l 頻率范圍:450MHz - 6.0GHz

    l 最大信道帶寬100MHz


    Frequency range 2 (FR2):就是毫米波頻段


    l 頻率范圍:24.25GHz - 52.6GHz

    l 最大信道帶寬400MHz


    根據通信原理,無線通信的最大信號帶寬大約是載波頻率的5%左右,因此載波頻率越高,可實現的信號帶寬也越大。在毫米波頻段中,28GHz頻段的可用頻譜帶寬可達1GHz,而60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則到了2GHz(整個9GHz的可用頻譜分成了四個信道)。相比而言,4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下,而可用頻譜帶寬只有100MHz。因此,如果使用毫米波頻段,頻譜帶寬輕輕松松就翻了10倍,傳輸速率也可得到巨大提升。




    毫米波傳輸為什么要建微基站?

    毫米波的“限制”:


    毫米波中有些頻率的“地段”特別差。這里,影響“地段”的因素是空氣,所以確切地說應該是這些頻率的“天段”特別差。無線電波在傳播時,大氣會選擇性地吸收某些頻率(波長)的電磁波,造成這些電磁波的傳播損耗特別嚴重。吸收電磁波的主要是兩種大氣成分:氧氣和水蒸氣。水蒸氣引起的共振會吸收22GHz和183 GHz附近的電磁波,而氧氣的共振吸收影響的是60GHz和120 GHz附近的電磁波。所以我們可以看到,不管哪個組織分配毫米波資源,都會避開這4個頻率附近的頻段。



    毫米波在空氣、雨水環境隨頻率的衰減曲線


    毫米波的傳播距離有限,物理定律告訴我們,在發射功率不變的情況下,波長越短,傳播距離越短。在很多場景下,這個限制會導致毫米波的傳播距離超不過10米。根據理想化的自由空間傳播損耗公式,傳播損耗L=92.4+20log(f)+20log(R),其中f是單位為GHz的頻率,R是單位為公里的距離,而L的單位是dB。一個70GHz的毫米波傳播10米遠之后,損耗就達到了89.3dB。而在非理想的傳播條件下,傳播損耗還要大得多。毫米波系統的開發者必須通過提高發射功率、提高天線增益、提高接收靈敏度等方法來補償這么大的傳播損耗。


    毫米波在空氣中衰減大,繞射能力弱,那就是不容易穿過建筑物或者障礙物,并且可以被葉子和雨水吸收。這也是為什么5G網絡將會采用微基站的方式來加強傳統的基站。



    毫米波微基站示意圖


    毫米波技術的雙刃劍

    任何事物都有兩面性。傳播距離過小有時候反而成了毫米波系統的優勢。比如,它能夠減少毫米波信號之間的干擾。毫米波系統使用的高增益天線同時具有較好的方向性,這也進一步消除了干擾。這樣的窄波束天線既提高了功率,又擴大了覆蓋范圍,同時增強了安全性,降低了信號被截聽的概率。


    另外,“高頻率”這個限制因素會減少天線的尺寸,這又是一個意外的驚喜。假設我們使用的天線尺寸相對無線波長是固定的,比如1/2波長或者1/4波長,那么載波頻率提高意味著天線變得越來越小。比如說,一個900M GSM天線的長度是幾十厘米左右,而毫米波天線可能只有幾毫米。這就是說,在同樣的空間里,我們可以塞入越來越多的高頻段天線?;谶@個事實,我們就可以通過增加天線數量來補償高頻路徑損耗,而又不會增加天線陣列的尺寸。這讓在5G毫米波系統中使用massive MIMO技術成為可能。


    毫米波收發機芯片如何實現


     

     

    NICT研發的毫米波收發機架構圖


    商用的毫米波收發機芯片會使用CMOS工藝(CMOS=complementary metal-oxide-semiconductor,指用半導體-氧化層-金屬堆疊形成半導體器件的工藝,是最常用的集成電路制造工藝),這一方面為了能夠和數字模塊集成,另一方面為了節省成本。


    毫米波收發機芯片的結構和傳統頻段收發機很相似,但是毫米波收發機有著獨特的設計挑戰。


    其一是如何控制功耗。毫米波收發機要求CMOS器件能工作在毫米波頻段,所以要求CMOS器件對信號的靈敏度很高。我們可以參照日常生活中的水龍頭來說明這個問題。大家一定都經常有開關水龍頭的經驗,很多水龍頭在關著時,需要擰很多下才會出來一點點水,然后隨著水流越來越大,只要多擰一點點水流就會變大很多。在這里,手擰龍頭的動作就是激勵信號,而對應的水流變化就是輸出響應。CMOS器件本質上和水龍頭很像,都是通過控制端(即CMOS的柵極)調整輸出流量(對水龍頭是水流,對CMOS則是輸出電流)。因此,如果需要CMOS器件對微弱的毫米波信號能快速響應,必須把它的直流電流調到很大(相當于把水龍頭設置在水流很大的狀態)。這樣一來,CMOS電路就需要很大的功耗才能處理毫米波信號。[2]



    高通毫米波射頻前端和天線架構


    另一個是高頻電路設。在如此高的射頻頻段,電路和天線設計的精密程度,集成性都有較大的挑戰,電路板無法采用普通的FR4板材設計和加工,而是需要采用FR4+Rogers高端板材壓合板進行設計,表層采用Rogers板,以實現微帶電路,微帶天線的精準一致性,盡量保證天線仿真和實物的一致性,其它層板材采用FR4板材,主要走線為低速線和電源等。在天線設計方面,由于外接天線需要經過同軸線轉接,在毫米波的高頻狀態下一次轉接會帶來很大的射頻損耗和阻抗失配,所以采用微帶天線方案,芯片口直接微帶線或平面波導饋電到天線陣列,天線陣列采用串饋或并聯架構,由于在毫米波波段,50歐姆阻抗線寬度與單貼片陣子的半波長長度差異不大,按照普通的天線設計無法實現,所以采用四分之一阻抗變換器,將50歐姆阻抗微帶線轉換成100歐姆或更高的高阻抗線,從而寬度降低,在天線陣列上采用漸變式不同尺寸輻射貼片微帶天線組合,以實現波束的集聚性,使天線陣列整體增益增加,同時盡量保證主瓣的FOV角度覆蓋,在天線加工同樣在打樣、測試優化過程中經過多次反復驗證和調試;這就使得毫米波芯片和天線的設計流程困難重重,需要大量的人力物力投入。


    近年毫米波芯片和天線技術有了迅猛的發展,高通公司的QTM052 mmWave天線模塊和QPM56xx sub-6 GHz射頻模塊已經在去年推出,配合高通的Snapdragon X50 5G調制解調器使用,幫助處理不同的無線電頻率。mmWave天線可用于26.5-29.5 GHz、27.5-28.35 GHz或37-40 GHz波段,其小體積、高集成化等特性會使其在5G終端上廣泛應用。



    高通QTM052 mmWave天線模塊、Snapdragon X50 5G調制解調器


    為了在密集的城市地區和擁擠的室內環境中提供高網絡吞吐量,QTM052支持高達800MHz的帶寬,使用先進的波束形成、波束轉向和波束跟蹤技術來改進mmWave信號。該模塊包括5G無線電收發器、電源管理IC、RF前端和相控天線陣,與Snapdragon X50調制解調器配合形成完整的系統。


    2月19日,高通官網信息Qualcomm宣布推出第二代5G NR調制解調器——驍龍X55 5G調制解調器。驍龍X55是一款7納米單芯片,支持5G到2G多模,還支持5G NR毫米波和6 GHz以下頻譜頻段。其中,全新的射頻前端解決方案包括QTM525 5G毫米波天線模組,可支持厚度不到8毫米的纖薄5G智能手機設計。



    Qualcomm QTM525 5G毫米波天線模組


    專為驍龍X55準備的QTM525 5G毫米波天線模組,是基于Qualcomm Technologies首款毫米波天線模組的創新成果而打造,可以保證5G手機的厚度低于8毫米;同時,高通還發布了全球首款宣布的5G 100MHz包絡追蹤解決方案QET6100、集成式5G/4G功率放大器(PA)和分集模組系列以及QAT3555 5G自適應天線調諧解決方案,QET6100將包絡追蹤技術擴展到5G NR上行所需的100MHz帶寬和256-QAM調制。


    目前高通的方案等于在5G終端產品上實現了一個小型的相控陣雷達系統,通過移相器,天線陣列,RF前端實現波束成型,移相,波束追蹤,讓波束一直保持在最佳的傳輸位置上。這就要求整個射頻鏈路上從調制解調器到收發器、放大器再到天線的所有器件都能更智能地協同工作。


    2月19日,工信部發布《2019年全國無線電管理工作要點》,關于5G產業發展規劃,會議明確提出:為加快5G商用步伐做好頻譜資源使用保障,做好5G基站協調、許可工作,服務加快5G商用步伐大局。適時發布5G系統部分毫米波頻段頻率使用規劃,引導5G系統毫米波產業發展。國內運營商也在積極進行毫米波頻段的測試,隨著工信部發布毫米波頻段使用規劃,有望推進國內毫米波頻段商用。


    結語

    毫米波技術可以通過提升頻譜帶寬來實現超高速無線數據傳播,從而成為5G通訊技術中的關鍵技術之一。目前由于各種原因,國內尚未部署5G毫米波通信技術,相信在不久的未來,5G毫米波技術也將在國內開花結果。

     

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