作者：洪偉 余超等 第五代移動(dòng)通信（5G）低頻段（Sub-6GHz）已開始商用，5G毫米波技術(shù)也逐漸成熟，預(yù)計(jì)將于2022年開始商用。第六代移動(dòng)通信（6G）的研究也已啟動(dòng)，而且關(guān)于6G的愿景以及核心技術(shù)的論文也開始增多。本文主要討論毫米波技術(shù)在5G及未來(lái)6G中的應(yīng)用及核心作用。 引言 眾所周知，第五代移動(dòng)通信（5G）分低頻段（Sub-6GHz）和高頻段（毫米波）。我國(guó)低頻段5G在2019年已開始商用，毫米波5G的頻譜尚未正式發(fā)布，但已批準(zhǔn)了24.75～27.5GHz和37～42.5GHz作為實(shí)驗(yàn)頻段。基于大規(guī)模MIMO的5G毫米波技術(shù)趨于成熟，預(yù)計(jì)在2022年左右開始商用。 近幾年，國(guó)內(nèi)外關(guān)于6G愿景及核心技術(shù)的論文、報(bào)告及報(bào)道越來(lái)越多，眾說(shuō)紛紜，但逐漸形成了一些共識(shí)。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，6G將是一個(gè)由大量中低軌衛(wèi)星與地面后5G（B5G）融合的網(wǎng)絡(luò)，從而使得人類第一次實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)地球表面及其近空間的全覆蓋。地球表面29%是陸地，71%是海洋，1G～5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)29%的陸地還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全覆蓋。因此，6G將是人類移動(dòng)通信歷史上的一次革命。在核心技術(shù)上，一些提法也逐漸獲得認(rèn)可，比如泛在、全息、人工智能等等。寬帶傳輸技術(shù)是支撐通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。對(duì)于6G，要實(shí)現(xiàn)空天地海的一體化高速通信網(wǎng)，寬帶傳輸技術(shù)將是核心。對(duì)于地面5G網(wǎng)絡(luò)，已開始利用毫米波頻段的頻譜資源實(shí)現(xiàn)寬帶高速傳輸。對(duì)于6G，毫米波頻段將是星間鏈路、衛(wèi)星向下覆蓋的用戶鏈路、衛(wèi)星到地面站的饋電鏈路的首選。例如，SpaceX的Starlink主要采用了Ka和Q波段，O3B中軌衛(wèi)星網(wǎng)采用Ku和Ka頻段。可以肯定，毫米波技術(shù)將是6G網(wǎng)絡(luò)最重要的支撐技術(shù)之一。有報(bào)道稱太赫茲將是6G的核心技術(shù)，這一觀點(diǎn)值得商榷。實(shí)際上，受限于半導(dǎo)體工藝特性，在太赫茲頻段（通常將300～10000GHz，也有將100～10000GHz頻段稱作太赫茲），發(fā)射功率、接收機(jī)噪聲系數(shù)、制造難度、成本等都是應(yīng)用太赫茲需要突破的瓶頸。 由于帶寬達(dá)400MHz甚至更寬，因而高采樣率ADC/DAC、海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和大量射頻通道與天線的高密度集成，是基于大規(guī)模MIMO技術(shù)的5G毫米波的瓶頸。為此，目前商業(yè)化5G毫米波的有源天線單元（AAU）都采用了相控子陣的混合多波束方案。該方案大大減少了射頻收發(fā)信機(jī)數(shù)量，從而部分克服了上述瓶頸問(wèn)題，但這是以犧牲陣列增益和通信容量為代價(jià)的。 理論上講，基于全數(shù)字多波束的大規(guī)模MIMO技術(shù)將是未來(lái)移動(dòng)通信追求的目標(biāo)，但上述瓶頸問(wèn)題是目前很難逾越的障礙。為此，我們提出了非對(duì)稱毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)架構(gòu)，以期在逼近系統(tǒng)最佳性能的同時(shí)，克服上述瓶頸問(wèn)題。 本文將針對(duì)5G毫米波面臨的問(wèn)題及向6G演進(jìn)過(guò)程中可能的技術(shù)路線展開討論，以期對(duì)5G/6G毫米波技術(shù)的研究者有所啟發(fā)。 5G毫米波 5G毫米波商用系統(tǒng)架構(gòu)通常由核心網(wǎng)（CN）、基帶單元（BBU）和有源天線單元（AAU）組成，如圖1 所示。其基本架構(gòu)是一個(gè)核心網(wǎng)支持多個(gè)基帶單元，每個(gè)基帶單元又將支持多個(gè)有源天線單元。具體來(lái)說(shuō)，CN位于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的中央，主要負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)傳輸、移動(dòng)管理和會(huì)話管理等核心功能；BBU主要負(fù)責(zé)基帶數(shù)字信號(hào)處理，例如編碼、復(fù)用、調(diào)制等；AAU主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)字信號(hào)和射頻信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，完成發(fā)射和接收過(guò)程。AAU主要包括AAU基帶部分（波束管理等）、上下變頻模塊，以及模擬波束成形器。AAU的基帶部分主要完成物理層的部分?jǐn)?shù)字信號(hào)處理（如波束管理）、完成對(duì)不同波束覆蓋的控制，以及用數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）完成信號(hào)在模擬域和數(shù)字域的轉(zhuǎn)換。由于5G毫米波系統(tǒng)的大帶寬需求，這將對(duì)基帶信號(hào)處理，以及ADC/DAC的能力提出新的要求。上下變頻模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)基帶I/Q信號(hào)（或中頻信號(hào)）和毫米波射頻信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。上變頻模塊主要用于發(fā)射鏈路，包括上變頻器、濾波器、功率放大器等器件，負(fù)責(zé)將發(fā)射信號(hào)從基帶I/Q（或中頻）搬移到需要的毫米波發(fā)射頻率。同樣，下變頻模塊主要用于接收鏈路，包括低噪聲放大器、濾波器、混頻器等器件，將毫米波接收信號(hào)搬移到基帶I/Q（或中頻）。模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)（相控子陣）主要負(fù)責(zé)將射頻信號(hào)能量合理地分配到天線陣列饋電端口，構(gòu)成特定的幅度和相位分布，進(jìn)而形成特定波束。主流的AAU一般支持4個(gè)或更多的數(shù)據(jù)流，每個(gè)子陣支持1個(gè)數(shù)據(jù)流，如圖1所示。每個(gè)子陣的波束成形電路由功率分配/合成模塊、多通道收發(fā)移相和幅度控制芯片、天線陣列等構(gòu)成。以4路數(shù)據(jù)流發(fā)射鏈路為例，每個(gè)數(shù)據(jù)流信號(hào)通過(guò)上變頻模塊到達(dá)射頻頻率，通過(guò)功率分配網(wǎng)絡(luò)，例如，1分16路，將信號(hào)等幅分配到多通道芯片輸入口。以4通道芯片為例，每塊芯片的發(fā)射鏈路包含功率放大器、移相器、開關(guān)等，能夠完成1到4的信號(hào)轉(zhuǎn)換，并準(zhǔn)確控制每路信號(hào)的幅度和相位，再將輸出信號(hào)饋進(jìn)天線單元，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期波束。 圖1：商用化5G毫米波系統(tǒng)架構(gòu) 5G毫米波商用的混合多波束架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是以較低的復(fù)雜度和成本完成多波束覆蓋。如圖1所示，系統(tǒng)僅采用4個(gè)ADC/DAC通道和上下變頻通道，即可實(shí)現(xiàn)4個(gè)波束的獨(dú)立控制。然而，同樣由于通道數(shù)的不足，可支持的數(shù)據(jù)流有限，系統(tǒng)對(duì)于波束數(shù)量的擴(kuò)展有著顯著的局限性，造成系統(tǒng)容量不足。同時(shí)，由于4個(gè)波束以子陣方式獨(dú)立控制，該架構(gòu)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)天線全口徑的有效利用，因而會(huì)損失6dB（4子陣）甚至更多的陣列波束增益。另一種比較有效的混合多波束架構(gòu)是同時(shí)利用基帶數(shù)字部分的波束形成和相控子陣的模擬波束形成，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線陣列全口徑的利用，產(chǎn)生更高的陣列波束增益。然而，由于相控子陣的波束寬度受限，會(huì)存在多波束掃描范圍變窄的問(wèn)題，覆蓋范圍有限。這種架構(gòu)可通過(guò)波束切換，實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍的擴(kuò)大，但以犧牲時(shí)延和增加波束管理復(fù)雜度為代價(jià)，最終也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)容量降低。 為了同時(shí)獲得系統(tǒng)容量和陣列增益，AAU的另外一種實(shí)現(xiàn)形式是全數(shù)字多波束陣列，如圖2所示。全數(shù)字多波束陣列架構(gòu)將每個(gè)天線單元直接對(duì)應(yīng)一個(gè)射頻收發(fā)通道，每個(gè)收發(fā)通道包括射頻收發(fā)前端（FEM）、上下變頻通道以及ADC/DAC等，波束形成全部在基帶數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)。全數(shù)字多波束陣列架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是采用基帶數(shù)字電路能夠精確實(shí)現(xiàn)所需的幅度相位控制，并且波束數(shù)量容易擴(kuò)展，進(jìn)而增加通信容量。同時(shí)這種架構(gòu)形成的每個(gè)波束都能夠獲得天線陣列的全口徑增益。然而，其缺點(diǎn)也較為顯著。由于每個(gè)天線單元都需要接一個(gè)射頻通道，大量射頻天線一體化的高密度集成大大增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。同時(shí)，由于5G毫米波系統(tǒng)的大帶寬需求，對(duì)射頻通道的帶寬、ADC/DAC的采樣率以及基帶處理速率的要求都會(huì)增高，導(dǎo)致海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理問(wèn)題，大幅增加運(yùn)行成本和功耗。 圖2：基于全數(shù)字架構(gòu)的AAU 綜上所述，毫米波多波束陣列架構(gòu)性能比較如表1所示。毫米波全數(shù)字多波束陣列架構(gòu)是最佳性能的代表，能夠得到最高的通信容量和波束增益，但其架構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和成本較高，亟需開發(fā)新的技術(shù)。 表1：毫米波多波束陣列技術(shù)比較 6G中的毫米波技術(shù) 毫米波技術(shù)除了在5G中得到充分利用外，其在第6代移動(dòng)通信系統(tǒng)（6G）中也將發(fā)揮重要作用。盡管目前6G愿景還沒(méi)有完全明確，但其基本的目標(biāo)可以看出端倪，如圖3所示。全球的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)目前僅對(duì)地球表面的人類主要居住地進(jìn)行了覆蓋，仍然有大面積的陸地，如沙漠、湖泊、山川、森林等，沒(méi)有得到有效的網(wǎng)絡(luò)接入。此外，由于人類探索的觸角不斷向海洋、天空、太空等區(qū)域延伸，這些區(qū)域?qū)?duì)接入無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)有強(qiáng)烈需求。因此，中低軌衛(wèi)星網(wǎng)，即空聯(lián)網(wǎng)（IoS：Internet of Space），將會(huì)作為6G的重要組成部分，與地面B5G系統(tǒng)融合，實(shí)現(xiàn)空天地海一體化通信網(wǎng)絡(luò)的泛在鏈接。 ???3：6G空聯(lián)網(wǎng)示意圖 由于未來(lái)應(yīng)用的多元化，連接的智能化，以及信息處理的深度化，6G系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，需要更高速率的傳輸支撐。有報(bào)道稱，6G有望能夠進(jìn)入太比特（Tbps）時(shí)代，即達(dá)到1000x Gbps的傳輸速率。為實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，亟需尋找適合6G系統(tǒng)的頻譜資源。目前，低頻段（sub-6GHz以內(nèi)）的頻率已被充分開發(fā)，同時(shí)很難獲得較大的頻譜帶寬，來(lái)支持Tbps傳輸速率，所以需要到更高的頻段尋求頻譜資源。眾所周知，頻率越高，波長(zhǎng)越短，射頻器件的尺寸越小，但其性能通常越差，例如，功率放大器的輸出功率，低噪聲放大器的噪聲系數(shù)等。那到底哪個(gè)頻段更適合6G的需求呢？這里對(duì)6G可能采用的頻譜資源???簡(jiǎn)單的探討。太赫茲頻段擁有豐富的未被開發(fā)的頻譜資源，能夠?qū)崿F(xiàn)較小的器件尺寸，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模陣列，有很多相關(guān)研究。然而，目前階段主要受限于半導(dǎo)體工藝特性，太赫茲器件能力仍不足，例如輸出功率不足、噪聲系數(shù)指標(biāo)差等。此外，由于其成本高、加工工藝復(fù)雜，這些因素都將制約太赫茲頻段在6G時(shí)代的進(jìn)一步應(yīng)用。相比太赫茲頻段，毫米波頻段經(jīng)過(guò)了5G時(shí)代的充分發(fā)展，器件能力得到大幅提高，產(chǎn)業(yè)鏈完整且豐富，同時(shí)毫米波頻段的陣列尺寸也相對(duì)適中，能夠滿足6G系統(tǒng)大部分的應(yīng)用需求，可以認(rèn)為將是支撐6G的黃金頻段。 與5G系統(tǒng)不同，6G空聯(lián)網(wǎng)的一大主要特點(diǎn)是對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的快速無(wú)線連接提出了更高的要求。空聯(lián)網(wǎng)中低軌衛(wèi)星的運(yùn)行速度較快、數(shù)量較多，造成波束掃描范圍大和波束連接數(shù)量多的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)多波束跟蹤，因此基于全數(shù)字多波束陣列架構(gòu)的毫米波大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)將會(huì)是其中一個(gè)重要發(fā)展方向。然而，由于目前毫米波陣列架構(gòu)的高增益波束特性和太空的廣袤，對(duì)快速與指定衛(wèi)星進(jìn)行波束對(duì)準(zhǔn)，建立無(wú)線通信鏈路提出了巨大的挑戰(zhàn)，亟需提出新的技術(shù)進(jìn)行克服。 非對(duì)稱毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng) 通過(guò)上文的分析，毫米波全數(shù)字大規(guī)模MIMO系統(tǒng)將是B5G乃至6G系統(tǒng)的最佳選擇，但其缺點(diǎn)，如復(fù)雜度高、成本高、功耗大等，將會(huì)制約其在未來(lái)系統(tǒng)中的應(yīng)用。為有效降低毫米波全數(shù)字多波束陣列的復(fù)雜度、成本、功耗，并能支撐動(dòng)態(tài)快速多波束跟蹤，我們提出了非對(duì)稱毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的概念，以期在逼近系統(tǒng)最佳性能的同時(shí)，克服上述瓶頸問(wèn)題。 目前采用的毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)混合多波束陣列或全數(shù)字多波束陣列是將多波束發(fā)射和接收陣列進(jìn)行對(duì)稱設(shè)計(jì)，即，發(fā)射通道和接收通道數(shù)量相同，如圖4（a）所示?；緜?cè)采用基于對(duì)稱設(shè)計(jì)的毫米波混合/全數(shù)字多波束接收和發(fā)射架構(gòu)，產(chǎn)生增益相同的發(fā)射和接收多波束。同樣，終端側(cè)設(shè)計(jì)與基站側(cè)較為類似，區(qū)別是陣列規(guī)模較小。舉例來(lái)說(shuō)，基站側(cè)和終端側(cè)分別是對(duì)稱的64發(fā)64收和4發(fā)4收的全數(shù)字多波束陣列。 （a）對(duì)稱毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)架構(gòu) （b）非對(duì)稱毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)架構(gòu)圖4：對(duì)稱和非對(duì)稱毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)架構(gòu) 非對(duì)稱毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)基本原理是將全數(shù)字多波束發(fā)射和接收陣列進(jìn)行非對(duì)稱設(shè)計(jì)，即發(fā)射陣列和接收陣列規(guī)模不同，具體形式如圖4（b）所示。基站側(cè)采用較大規(guī)模的全數(shù)字多波束發(fā)射陣列和較小規(guī)模的全數(shù)字多波束接收陣列，進(jìn)而產(chǎn)生較窄的發(fā)射多波束和較寬的接收多波束；終端側(cè)仍然可以保持傳統(tǒng)的對(duì)稱形式，也可采用非對(duì)稱形式。舉例來(lái)說(shuō)，基站側(cè)由對(duì)稱的64發(fā)64收（64T64R）變成非對(duì)稱的64T16R，而終端側(cè)保持不變或由對(duì)稱的4T4R陣列變成非對(duì)稱的4T2R或4T1R陣列。與傳統(tǒng)64陣元4子陣（4×4子陣）4數(shù)據(jù)流混合多波束系統(tǒng)相比，64T16R全數(shù)字多波束非對(duì)稱陣由于全口徑工作發(fā)射波束增益高6dB，若終端側(cè)保持不變，則下行鏈路增益高6dB，若終端側(cè)接收陣單元數(shù)從4縮減到1，則下行鏈路增益不變。對(duì)于上行鏈路，若終端側(cè)保持不變，則上行鏈路增益也不變，但這時(shí)非對(duì)稱陣的接收陣元數(shù)和射頻通道數(shù)是16而非64。因此，非對(duì)稱毫米波全數(shù)字大規(guī)模MIMO陣列在幾乎保持了對(duì)稱全數(shù)字大規(guī)模MIMO陣列優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，大幅度降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度、成本和功耗。 通過(guò)以上分析，本文提出的非對(duì)稱系統(tǒng)和傳統(tǒng)對(duì)稱混合多波束系統(tǒng)在鏈路增益上是有優(yōu)勢(shì)的，但非對(duì)稱系統(tǒng)具有以下特點(diǎn): 發(fā)射和接收陣列波束不對(duì)稱。非對(duì)稱系統(tǒng)充分利用全口徑，實(shí)現(xiàn)發(fā)射陣列高增益窄波束，接收陣列低增益寬波束，保持鏈路增益一致或更高。 波束掃描范圍大。由于非對(duì)稱系統(tǒng)仍采用全數(shù)字多波束陣列架構(gòu)，其波束掃描范圍與對(duì)稱全數(shù)字多波束系統(tǒng)一致，具有較大的波束掃描范圍。 波束對(duì)準(zhǔn)和管理較為容易。由于非對(duì)稱系統(tǒng)接收陣列的規(guī)模降低，接收波束較寬，這將會(huì)大大降低DOA計(jì)算和波束對(duì)準(zhǔn)難度以及波束管理的復(fù)雜度，尤其適合應(yīng)用在6G空聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景。 系統(tǒng)容量高。非對(duì)稱大規(guī)模MIMO陣列系統(tǒng)的波束數(shù)量遠(yuǎn)多于目前商用混合多波束陣列的波束數(shù)量，因而可以支持更多的數(shù)據(jù)流，增加系統(tǒng)容量。 硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度降低。在基站側(cè)，接收通道規(guī)模大幅度降低，例如，通道數(shù)從64減少為16。這將大幅降低硬件成本，尤其是針對(duì)寬帶信號(hào)的高精度ADC芯片和射頻通道，同時(shí)，這會(huì)大幅降低基帶信號(hào)的處理量和處理算法的實(shí)現(xiàn)難度。 然而，毫米波非對(duì)稱大規(guī)模MIMO系統(tǒng)帶來(lái)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也將迎來(lái)相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)。例如，由于采用了非對(duì)稱的發(fā)射和接收陣列，導(dǎo)致上下行信道非互易，這就需要研究非互易信道特性和信道模型。 目前，關(guān)于非對(duì)稱毫米波大規(guī)模MIMO陣列的研究尚處在起步階段，但這是一個(gè)有益的嘗試和探索，期望對(duì)B5G和6G新型系統(tǒng)架構(gòu)的確立起到推動(dòng)作用。 總結(jié)