隨著日趨增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量需求，毫米波憑借獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在通信領(lǐng)域高歌猛進(jìn)，毫米波擁有更為豐富的頻譜資源，這對(duì)進(jìn)一步提升5G連接速度，充分釋放5G應(yīng)用的潛能至關(guān)重要。所以一直以來(lái)產(chǎn)業(yè)界都很明確毫米波就是5G通信技術(shù)的演進(jìn)方向。今天主要跟大家分享一下毫米波通信的一些主要用例、毫米波基站系統(tǒng)的架構(gòu)和技術(shù)、波束成形器的技術(shù)以及所需的發(fā)射功率如何影響系統(tǒng)前端的技術(shù)選擇幾個(gè)方面的內(nèi)容，幫助大家了解5G毫米波無(wú)線電的射頻的技術(shù)演進(jìn)過(guò)程。

當(dāng)我們開(kāi)發(fā)技術(shù)時(shí)，了解技術(shù)最終將如何部署是至關(guān)重要的。在所有的工程練習(xí)中，都需要權(quán)衡取舍，有了更多的洞察力，創(chuàng)造性的創(chuàng)新可能會(huì)出現(xiàn)。在下圖中，我們可以看到在 28 GHz 和 39 GHz 頻譜中探索的兩種常見(jiàn)場(chǎng)景。

a 說(shuō)明了一個(gè)固定無(wú)線接入 （FWA） 用例，我們正嘗試向郊區(qū)環(huán)境中的家庭提供高帶寬數(shù)據(jù)。在這種情況下，基站將位于電線桿或塔上，并且需要覆蓋大面積以產(chǎn)生積極的商業(yè)案例。在初始部署中，我們假設(shè)覆蓋范圍是室外到室外，因此客戶(hù)駐地設(shè)備 （CPE） 安裝在室外，并且可以設(shè)計(jì)鏈路以確保最佳的空中連接。鑒于天線朝下且用戶(hù)固定，我們可能不需要大量的垂直轉(zhuǎn)向范圍，但發(fā)射功率可能相當(dāng)高，超過(guò) 65 dBm EIRP 以最大化覆蓋范圍并利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。在b 中，我們展示了一個(gè)密集的城市場(chǎng)景，其中基站將安裝在建筑物屋頂或立面的地面以下，未來(lái)可能會(huì)演變?yōu)槁窡艋蚱渌值浪降陌惭b。在任何情況下，這種類(lèi)型的基站都需要垂直掃描能力，以在整個(gè)建筑物立面上傳送信號(hào)，并最終隨著移動(dòng)設(shè)備的出現(xiàn)而傳送到地面上的移動(dòng)或游牧用戶(hù)（行人和車(chē)輛）。在這種情況下，傳輸功率可能不需要像郊區(qū)那樣高，盡管低輻射玻璃已被證明是室外到室內(nèi)滲透的問(wèn)題。如圖所示，我們將需要在水平軸和垂直軸上的光束掃描范圍中具有更大的靈活性。

現(xiàn)在讓我們考慮一個(gè)實(shí)際例子并推導(dǎo)出一個(gè)簡(jiǎn)單的鏈路預(yù)算來(lái)說(shuō)明毫米波基站的發(fā)射功率要求，如表中所示。與蜂窩頻率相比的額外路徑損耗是毫米波要克服的主要障礙頻率，但阻塞（建筑物、樹(shù)葉、人等）是另一個(gè)需要考慮的主要因素。近年來(lái)，有大量關(guān)于毫米波頻率傳播的工作報(bào)道，文章“第五代 （5G） 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)毫米波通信概述 - 重點(diǎn)關(guān)注傳播模型”中提供了一個(gè)很好的概述。2討論和比較了幾個(gè)模型，說(shuō)明了路徑損耗對(duì)環(huán)境的依賴(lài)性，以及視線 （LOS） 場(chǎng)景與非視線 （NLOS） 場(chǎng)景的比較。一般而言，考慮到所需的覆蓋范圍和地形，固定無(wú)線部署應(yīng)考慮 NLOS 方案。在我們的示例中，我們考慮在郊區(qū)部署中具有 200 m 范圍的基站。這里我們假設(shè)基于 NLOS 室外到室外鏈路的路徑損耗為 135 dB。如果我們?cè)噲D從室外穿透到室內(nèi)，那么路徑損耗可能會(huì)高出 30 dB。相反，如果我們假設(shè) LOS 模型，則路徑損耗可能約為 110 dB。在這種情況下，我們假設(shè)基站中有 256 個(gè)元素，CPE 中有 64 個(gè)元素。在這兩種情況下，輸出功率都可以通過(guò)硅實(shí)現(xiàn)來(lái)滿(mǎn)足。假設(shè)鏈路是非對(duì)稱(chēng)的，這可以減輕上行鏈路預(yù)算。在這種情況下，平均鏈路質(zhì)量應(yīng)該允許下行鏈路中的 64 QAM 操作和上行鏈路中的 16 QAM 操作。如果需要，可以通過(guò)增加 CPE 的發(fā)射功率來(lái)改善上行鏈路，直至達(dá)到法定的區(qū)域限制。如果將鏈路延伸到 500 m，路徑損耗將增加到大約 150 dB。這是可行的，但它會(huì)使上行和下行的無(wú)線電更加復(fù)雜，并且功耗會(huì)急劇增加。

毫米波波束成形現(xiàn)在讓我們考慮波束成形的各種方法：模擬、數(shù)字和混合，如圖所示。我相信我們都熟悉模擬波束成形的概念，因?yàn)樵撝黝}近年來(lái)在文獻(xiàn)中非常流行。在這里，我們有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為寬帶基帶或 IF 信號(hào)，并連接執(zhí)行上變頻和下變頻過(guò)程的無(wú)線電收發(fā)器。在 RF（例如，28 GHz）下，我們將單個(gè) RF 路徑拆分為多個(gè)路徑，在這些路徑中我們通過(guò)控制每個(gè)路徑的相位來(lái)執(zhí)行波束成形，以便在遠(yuǎn)場(chǎng)中朝著預(yù)期用戶(hù)的方向形成波束。這使得每個(gè)數(shù)據(jù)路徑可以控制單個(gè)波束，因此理論上我們可以使用這種架構(gòu)一次為一個(gè)用戶(hù)提供服務(wù)。

數(shù)字波束成形器正是它聽(tīng)起來(lái)的樣子。相移完全在數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn)，然后通過(guò)收發(fā)器陣列饋送到天線陣列。簡(jiǎn)單地說(shuō)，每個(gè)無(wú)線電收發(fā)器都連接到單個(gè)天線元件，但實(shí)際上每個(gè)無(wú)線電可能有多個(gè)天線元件，具體取決于所需的扇區(qū)形狀。目前，報(bào)告的系統(tǒng)在實(shí)踐中支持 2 到 8 個(gè)數(shù)字流，可用于同時(shí)支持單個(gè)用戶(hù)，讓我們更深入地研究模擬波束成形器的技術(shù)選擇，混合波束成形器的構(gòu)建塊如圖 3 所示。為了此處的處理，我們將模擬波束成形系統(tǒng)分為三個(gè)塊：數(shù)字、位-到毫米波和波束形成器。這不是實(shí)際系統(tǒng)的劃分方式，因?yàn)槲覀儠?huì)將所有毫米波組件靠近放置以減少損耗，但這種劃分的原因很快就會(huì)變得顯而易見(jiàn)。

模擬波束成形系統(tǒng)框圖

波束成形器功能受許多因素驅(qū)動(dòng)，包括分段形狀和范圍、功率水平、路徑損耗、熱約束等，并且是毫米波系統(tǒng)中需要隨著行業(yè)學(xué)習(xí)和成熟而具有一定靈活性的部分。即便如此，仍然需要各種發(fā)射功率級(jí)別來(lái)解決從小型蜂窩到宏的部署場(chǎng)景。

圖中所需的發(fā)射機(jī)功率、天線尺寸和 EIRP 為 60 dBm 的天線的半導(dǎo)體技術(shù)選擇之間的關(guān)系。現(xiàn)在讓我們從不同的角度來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題。60 dBm EIRP 是 FWA 常用的 EIRP 目標(biāo)，但該數(shù)字可以更高或更低，具體取決于所需的基站覆蓋范圍和周?chē)h(huán)境?？紤]到部署場(chǎng)景的高度變化，無(wú)論該區(qū)域是樹(shù)木繁茂，還是由街道峽谷組成，還是廣闊的空地，都會(huì)有很大范圍的路徑損耗需要根據(jù)具體情況進(jìn)行處理。例如，在假設(shè) LOS 的密集城市部署中，EIRP 目標(biāo)可能低至 50 dBm。FCC 對(duì)設(shè)備類(lèi)別3，6有定義和發(fā)布的規(guī)范以及傳輸功率限制，這里我們遵循基站的 3GPP 術(shù)語(yǔ)。如圖所示，設(shè)備類(lèi)別或多或少?zèng)Q定了功率放大器的技術(shù)選擇。雖然不是一門(mén)精確的科學(xué)，但我們可以看到移動(dòng)用戶(hù)設(shè)備（手機(jī)）非常適合 CMOS 技術(shù)，并且相對(duì)較少的天線數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)所需的發(fā)射機(jī)功率。這種類(lèi)型的無(wú)線電需要高度集成和節(jié)能，以滿(mǎn)足便攜式設(shè)備的需求。局域基站（小基站）和消費(fèi)端設(shè)備（可移動(dòng)電源）具有相似的要求，涵蓋了從發(fā)射器功率要求低端的 CMOS 到高端的 SiGe BiCMOS 的一系列技術(shù)。中距離基站非常適合 SiGe BiCMOS 技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)緊湊的外形。在高端，對(duì)于廣域基站，可以應(yīng)用一系列技術(shù)，這歸結(jié)為天線尺寸和技術(shù)成本的權(quán)衡。雖然 SiGe BiCMOS 可應(yīng)用于 60 dBm EIRP 范圍，但 GaAs 或 GaN 功率放大器對(duì)于更高功率更實(shí)用。

圖適用于基于發(fā)射器功率的各種毫米波無(wú)線電外形的技術(shù)。正如“5G 毫米波無(wú)線電的架構(gòu)和技術(shù)”演講中所述，設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)之一是提高毫米波功率放大器的直流電源效率。隨著新技術(shù)和 PA 架構(gòu)的出現(xiàn)，上述曲線將發(fā)生變化，大功率基站將采用更高集成度的結(jié)構(gòu)。演講“對(duì)近期高效 cmWave 5G 線性功率放大器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)短調(diào)查”對(duì)PA 技術(shù)的進(jìn)步進(jìn)行了很好的概述。

現(xiàn)在讓我們更詳細(xì)地討論比特到毫米波無(wú)線電，并探討系統(tǒng)這一部分中的挑戰(zhàn)。以高保真度將比特轉(zhuǎn)換為毫米波并返回以支持高階調(diào)制技術(shù)（例如 64 QAM 以及可能在未來(lái)系統(tǒng)中高達(dá) 256 QAM），這一點(diǎn)至關(guān)重要。這些新無(wú)線電的主要挑戰(zhàn)之一是帶寬。5G 毫米波無(wú)線電名義上必須處理 1 GHz 或可能更高的帶寬，具體取決于實(shí)際中頻譜的分配方式。雖然 28 GHz 時(shí)的 1 GHz 帶寬是相對(duì)較低的 （3.5%） 帶寬，但在 3 GHz 中頻時(shí)的相同帶寬對(duì)于設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)更具挑戰(zhàn)性，并且需要一些前沿技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能設(shè)計(jì)。圖 6 舉例說(shuō)明了基于射頻和混合信號(hào)產(chǎn)品組合的組件的高性能比特到毫米波無(wú)線電的框圖示例。該信號(hào)鏈已被證明支持 28 GHz 的連續(xù) 8× 100 MHz NR 載波，并具有出色的誤差矢量幅度 （EVM） 性能。

寬帶比特到毫米波無(wú)線電的框圖

近年來(lái)，毫米波無(wú)線電取得了巨大進(jìn)步，不斷發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)和新興用例要求波束成形前端具有一定的靈活性，但正如所討論的，有適合近天線設(shè)計(jì)的技術(shù)和方法可供選擇。無(wú)線電的寬帶特性（比特到毫米波）需要尖端技術(shù)，但基于硅的技術(shù)正在迅速發(fā)展以滿(mǎn)足混合信號(hào)和小信號(hào)領(lǐng)域的要求。隨著 5G 生態(tài)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，5G毫米波無(wú)線電技術(shù)將會(huì)綻放更多精彩?！　?/p>