從iPhone 14談5G毫米波

2022年10月13日 21:15:08 來源：微信公眾號(hào)：半導(dǎo)體行業(yè)觀察

　　當(dāng)前，毫米波全球商用已經(jīng)逐步展開，各國相繼分配頻譜，展開商用部署。

　　近日，蘋果公司正式發(fā)售iphone 14，與以往的各代iPhone發(fā)售一樣引起了各種熱議。人們在津津樂道于新一代iPhone的使用體驗(yàn)的同時(shí)，不禁將國內(nèi)行貨iPhone 14與美版iPhone 14相比較。相較于美版iPhone 14，國內(nèi)行貨iPhone 14缺失了三大核心功能：5G毫米波通信、衛(wèi)星通信和eSIM。其中，5G毫米波通信功能使得美版iPhone 14的網(wǎng)速可達(dá)國內(nèi)行貨iPhone 14的兩倍。國內(nèi)行貨iPhone 14也支持5G通信，但其頻段是在sub-6GHz，而非毫米波頻段，正是這一差異導(dǎo)致了網(wǎng)速的不同。目前，中國尚無運(yùn)營商提供5G毫米波通信服務(wù)。

　　sub-6GHz和毫米波

　　根據(jù)3GPP的5G標(biāo)準(zhǔn)，5G NR使用兩個(gè)頻段：FR1和FR2。FR1為中低頻段，其頻率范圍為450MHz-6GHz，一般稱為sub-6GHz頻段。FR2為高頻頻段，其頻率范圍為24.25GHz-52.6GHz。由于FR2頻段的波長多數(shù)小于10毫米，這部分頻段也因此被稱為“毫米波(mmWave)”。

　　與毫米波相比，sub-6GHz信號(hào)可以更好地穿透物體，覆蓋能力更強(qiáng)。sub-6GHz 5G網(wǎng)絡(luò)的速度比4G快，但是卻無法提供5G的極致速度，即sub-6GHz 5G網(wǎng)絡(luò)的速度介于毫米波和LTE的速度之間。

　　毫米波具有比sub-6GHz更高的頻率，這意味著其具有更高的通信速率，并且毫米波可以提供更低的時(shí)延，這將給用戶帶來前所未有的高速體驗(yàn)，并具有較高的流暢度和可靠性。毫米波頻譜可以提供高達(dá)10GB/s的理論速度，這比LTE連接所能達(dá)到的速度快得多。并且，5G毫米波能夠提供更大的帶寬，能夠容納數(shù)量更多的用戶接入，從而減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞。

　　另外，由于毫米波波長很短，它的天線也很短，使得毫米波設(shè)備的體積可以進(jìn)一步縮小，從而使得產(chǎn)品的集成度可以更高，降低了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)難度，有利于促進(jìn)基站和終端產(chǎn)品的更加小型化。此外，毫米波的短波長帶來的另一個(gè)好處是定位精確，可以精確到厘米級(jí)甚至更低，這也是毫米波雷達(dá)技術(shù)被應(yīng)用在汽車領(lǐng)域的原因。

　　另外，毫米波還有一個(gè)明顯的優(yōu)勢便是成本。中國電信首席專家、貝爾實(shí)驗(yàn)室院士畢奇表示：“我們之所以從3G、4G到5G發(fā)展這么快，就是因?yàn)槌杀�，能讓運(yùn)營商積極地?fù)肀乱淮夹g(shù)。盡管從單機(jī)成本看，3G到5G每代演進(jìn)成本加了一兩倍，但是它的速率加了10到20倍，這使得每比特的成本大大下降。”[1]

　　盡管擁有如上諸多優(yōu)點(diǎn)，但是，毫米波的傳輸距離短、穿透能力弱、路徑損耗大，這導(dǎo)致毫米波的覆蓋能力很弱。因此，如果將毫米波用于5G，需要使用更多的基站來覆蓋，并且其設(shè)備功耗較大，因?yàn)樾枰掷m(xù)輸出高強(qiáng)度的信號(hào)。另外，生產(chǎn)能工作于毫米波頻段的亞微米尺寸的集成電路元件在過去一直比較困難，需要比較大的金錢投入，這在早期也阻礙了5G毫米波方案的商用。

　　由此可見，5G sub-6GHz方案與5G毫米波方案各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的場景。例如，5G毫米波方案適用于人口稠密的市區(qū)、場館、交通樞紐或音樂會(huì)、大型賽事現(xiàn)場等特定目標(biāo)地點(diǎn)，可以在提供高帶寬高速率的同時(shí)降低每比特成本。而sub-6GHz適用于以較低的成本實(shí)現(xiàn)5G覆蓋。

　　自從5G開始，關(guān)于sub-6GHz和毫米波孰優(yōu)孰劣的爭論一直存在，但時(shí)至今日，業(yè)界人士越來越達(dá)成共識(shí)：sub-6GHz和毫米波是互補(bǔ)關(guān)系，而非迭代或競爭關(guān)系，二者的互相補(bǔ)充、互相配合是未來5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，只有sub-6GHz+毫米波才能實(shí)現(xiàn)真正的5G。

　　毫米波關(guān)鍵技術(shù)

　　5G毫米波技術(shù)發(fā)展至今，業(yè)界針對毫米波的缺點(diǎn)已提出了成熟有效的解決方案。例如，針對毫米波傳輸距離短、損耗大、覆蓋能力弱等的特點(diǎn)，提出了毫米波幀結(jié)構(gòu)方案、大規(guī)模MIMO、波束賦形、波束管理、協(xié)作組網(wǎng)、集成接入回傳等技術(shù)。

　　(1)毫米波幀結(jié)構(gòu)[2]

　　5G NR標(biāo)準(zhǔn)支持通過RRC信令或DCI調(diào)度方式半靜態(tài)或動(dòng)態(tài)配置上下行比例，幀結(jié)構(gòu)隨著子載波間隔的選擇而略有不同。毫米波采用的子載波間隔一般為120KHz。5G不同業(yè)務(wù)的上下行需求差異較大，為滿足不同的業(yè)務(wù)需求，在5G毫米波系統(tǒng)中，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活調(diào)配幀結(jié)構(gòu)，通�？梢圆扇∪缦滤镜娜N幀結(jié)構(gòu)。其中，DDDSU為正常幀結(jié)構(gòu)，DSUUU為上行增強(qiáng)幀結(jié)構(gòu)，DDSUU為上下行均衡幀結(jié)構(gòu)。

　　幀結(jié)構(gòu)3：DDSUU幀結(jié)構(gòu)2：DSUUU幀結(jié)構(gòu)1：DDDSU

　　其中，D為下行時(shí)隙，U為上行時(shí)隙，S為上下行轉(zhuǎn)換的時(shí)隙。這3種幀結(jié)構(gòu)的周期都是0.625 ms，均通過半靜態(tài)方式配置;區(qū)別在于下行時(shí)隙、上行時(shí)隙的比例不同，由此導(dǎo)致上下行峰值速率與容量上存在明顯差異。三種幀結(jié)構(gòu)相比而言DDDSU在下行覆蓋和容量上占優(yōu)，DSUUU在上行覆蓋和容量上占優(yōu)，DDSUU則較為均衡，時(shí)延方面DDDSU和DSUUU因?yàn)樯舷滦姓急炔痪�，時(shí)延相對DDSUU更大。

　　幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用場景密切相關(guān)。如果高頻基站主要用于下載業(yè)務(wù)占優(yōu)的場景例如普通公網(wǎng)，下行占優(yōu)的幀結(jié)構(gòu)更適合。如果主要用于上行補(bǔ)熱，大流量視頻上傳等場景，可以考慮采用上行占優(yōu)的幀結(jié)構(gòu)，對于上下流量都有一定需求的場景則采取用均衡型的幀結(jié)構(gòu)更好。

　　毫米波采用的子載波間隔比sub-6G寬得多，由于子載波寬度和時(shí)隙長度成反比，因此毫米波每個(gè)時(shí)隙的長度就可以很短，為0.125ms，僅為sub-6G(常用30KHz子載波間隔)的四分之一。5G是以時(shí)隙為單位調(diào)度數(shù)據(jù)的，時(shí)隙長度越短，意味著5G在物理層的時(shí)延越小。這樣一來，毫米波的時(shí)延也就僅為sub-6G的四分之一。根據(jù)測試驗(yàn)證，5G毫米波的空口時(shí)延可以做到1ms，往返時(shí)延可以做到4ms。

　　(2)大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)及波束賦形[3][4][5][6]

　　根據(jù)弗里斯傳輸公式，接收功率與波長成正比。因此，毫米波更短的波長意味著更高的傳輸損耗(接收功率變小)。不止如此，毫米波的穿透能力也非常低，甚至連雨天的水滴都能對傳輸造成干擾。通過使用大規(guī)模MIMO和波束賦形可以很好地克服毫米波的這些缺點(diǎn)，在不大幅提升發(fā)送功率的前提下增大毫米波信號(hào)的接收信噪比。

　　MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)可譯為多輸入多輸出，即通過在發(fā)送和接收端都使用多根天線來發(fā)送/接收，獲取分集增益，實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用。顯而易見，天線越多，增益也會(huì)越大，從而提高接收信噪比。這就是大規(guī)模MIMO提出的初衷。

　　大規(guī)模MIMO在毫米波應(yīng)用于5G之前已被提出并被運(yùn)用于4G LTE網(wǎng)絡(luò)，但人們發(fā)現(xiàn)毫米波與大規(guī)模MIMO和波束賦形可以更好地契合。這是因?yàn)椋捍笠?guī)模MIMO技術(shù)需要在接收端/發(fā)送端部署成百上千根天線，但是由于空間有限，限制了天線的數(shù)目;天線尺寸跟信號(hào)的波長是呈正比的，毫米波信號(hào)的短波長導(dǎo)致毫米波天線的尺寸也較小，從而有利于布置數(shù)量更多(256、512甚至更多)的天線來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO。換句話說，相同大小的空間內(nèi)，傳統(tǒng)LTE系統(tǒng)可能只能放置1根天線，而毫米波系統(tǒng)可以集成數(shù)十根。

　　大規(guī)模MIMO的增益本質(zhì)上就是人多力量大，然而如果人與人之間的配合不默契則會(huì)導(dǎo)致一定的損耗，難以達(dá)到理想的效果。例如，如果大規(guī)模MIMO的每根天線都是360度全方位向外發(fā)射信號(hào)，則多根天線發(fā)射的信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生干涉和衍射，不同相位的波在疊加之后，在某些方向上增強(qiáng)，在某些方向上減弱，導(dǎo)致整體的接收信噪比并不高。而通過波束賦形技術(shù)，可以將無線信號(hào)聚集到特定方向，而不是擴(kuò)散到廣域中。波束賦形技術(shù)通過調(diào)整每個(gè)天線陣元上的信號(hào)相位并進(jìn)行加權(quán)求和，使天線波束指向某個(gè)特定的方向，即將天線能量集中指向某個(gè)特定的用戶，從而有助于抵抗毫米波的高路徑損耗。

　　根據(jù)波束賦形發(fā)生位置的不同，波束賦形技術(shù)分為模擬波束賦形(Analog Beamforming，ABF)技術(shù)和數(shù)字波束賦形(Digital Beamforming，DBF)技術(shù)。在數(shù)字基帶之前即時(shí)域范圍內(nèi)形成波束，稱作數(shù)字波束賦形。在模擬基帶之前即頻域范圍內(nèi)形成波束，稱作模擬波束賦形。

　　數(shù)字波束賦形可以產(chǎn)生精確的波束，但是每根天線需要配置一套獨(dú)立的射頻鏈路，設(shè)備復(fù)雜成本高。模擬波束賦形比較經(jīng)濟(jì)，但可能導(dǎo)致波束不準(zhǔn)確，增益效果不是很好。對于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，提出了混合波束賦形技術(shù)�；旌喜ㄊx形技術(shù)將原本的數(shù)字波束賦形分成兩部分實(shí)現(xiàn)，一部分由低維的數(shù)字波束賦形實(shí)現(xiàn)，另一部分由高維的模擬波束賦形實(shí)現(xiàn)，從而大大降低了對射頻鏈路數(shù)目的需求。因此，混合波束賦形結(jié)合了模擬波束賦形的低成本、簡單、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)與數(shù)字波束賦形的強(qiáng)大能力，如全面的干擾抑制和朝向任何所需位置的波束轉(zhuǎn)向。下圖示出了模數(shù)混合波束賦形的示意圖[2]，更詳細(xì)的介紹請參見《中興通訊5G毫米波(mmWave)技術(shù)白皮書》。

　　通過大規(guī)模MIMO天線和波束賦形技術(shù)，可以提高通信距離，使毫米波基站的覆蓋范圍可達(dá)幾百米至幾千米。另外，通過波束賦形技術(shù)實(shí)現(xiàn)的窄波束可以提升位置敏感度從而提高定位精度，且較難被捕獲和監(jiān)聽，從而提高安全性。此外，波束賦形的定向性特點(diǎn)還可將信號(hào)能量聚焦在特定方向來減小對環(huán)境其他方向信號(hào)的干擾，保證鄰近鏈路或鄰近小區(qū)通信質(zhì)量，使得毫米波系統(tǒng)與中低頻系統(tǒng)相比更容易實(shí)現(xiàn)密集部署。

　　(3)波束管理[2][3]

　　在毫米波通信系統(tǒng)中，需要選擇最優(yōu)角度的波束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于用戶端存在移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、阻塞，還需要對選擇的波束對進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，因而需要對波束進(jìn)行精細(xì)的管理。波束管理包括波束掃描與跟蹤、波束失敗恢復(fù)等功能。

　　波束掃描與配對：毫米波的波束窄，直接遍歷掃描全部窄波束尋找最佳發(fā)射波束效率太低，為提高效率，5G標(biāo)準(zhǔn)采用由寬到窄的分級(jí)掃描的策略，會(huì)根據(jù)用戶的位置不同不斷切換最佳波束。同時(shí)，為了更好地跟蹤用戶，需要用到波束跟蹤策略。接入階段的波束捕獲及連接狀態(tài)下的波束掃描和跟蹤如下圖所示。

　　接入階段的波束捕獲(Beam Capture)：終端(UE)輪掃SSB信號(hào)，找到基站側(cè)信號(hào)質(zhì)量最好的SSBID并通過信令上報(bào)基站，后面整個(gè)同步和接入過程都使用這個(gè)SSBID對應(yīng)的波束。

　　連接過程中的波束掃描和跟蹤(Beam Maintenance)：

　　P1過程：基站(BS)側(cè)和UE側(cè)都使用比較寬的波束，UE側(cè)進(jìn)行波束輪掃，然后通過CSI report通知基站，UE接收基站的哪一個(gè)寬波束的信號(hào)質(zhì)量最好。

　　P2過程：通過P1過程，確定了UE的接收波束，然后通過P2過程，確定精細(xì)化波束。P2過程是UE側(cè)的接收波束不變，基站輪發(fā)精細(xì)化波束，UE通過CSI report通知基站哪一個(gè)精細(xì)化波束的信號(hào)質(zhì)量最好，基站在業(yè)務(wù)信道可以使用精細(xì)化波束和UE通信，從而獲得更高的增益。

　　P3過程：有時(shí)終端側(cè)也設(shè)計(jì)了精細(xì)化波束，這時(shí)可以通過P3過程，確定終端使用的精細(xì)波束。P3過程是基站側(cè)的發(fā)送波束不變，UE切換接收波束，然后選擇信號(hào)質(zhì)量最好的波束作為業(yè)務(wù)信道的波束，完成波束配對。UE側(cè)的波束選擇和切換，基站側(cè)不感知。

　　波束失敗和恢復(fù)：

　　高頻由于信道和傳播特性決定，在移動(dòng)的NLOS場景下，信道的傳輸路徑可能會(huì)變化非�？�，由于遮擋可能會(huì)造成徑的快速生滅，所以可能造成波束跟蹤失敗。為了可以快速恢復(fù)鏈路，避免流量掉溝，可以啟動(dòng)波束快速恢復(fù)流程，重新選擇SSB，發(fā)起接入、連接過程，與基站重新建立新的波束對。

　　波束失敗恢復(fù)的流程主要分為四個(gè)步驟：

　　①波束失敗檢測過程

　　當(dāng)UE所測的信號(hào)質(zhì)量持續(xù)低于一定的門限值，UE側(cè)認(rèn)為波束已經(jīng)失敗了。

　　②新波束的發(fā)現(xiàn)過程

　　UE通過周期性SSB進(jìn)行波束輪掃，找到信號(hào)質(zhì)量最好的波束。

　�、鄄ㄊ謴�(fù)請求過程

　　UE在對應(yīng)的RO資源上通過RACH通知基站，發(fā)起波束恢復(fù)請求。

　　④波束恢復(fù)請求響應(yīng)過程

　　基站收到波束恢復(fù)請求后，在指定的BFR搜索空間上使用UE指示的新波束發(fā)送波束恢復(fù)響應(yīng)，波束恢復(fù)響應(yīng)為該UE的C-RNTI加擾的PDCCH，并且DCI的內(nèi)容可以為DL grant，也可以是一個(gè)UL grant。

　　總之，大規(guī)模MIMO、波束賦形和波束管理技術(shù)的發(fā)展打破了人們對毫米波傳輸距離短、覆蓋能力差的固有印象，使得5G毫米波應(yīng)用成為可能。

　　(4)高低頻協(xié)作組網(wǎng)方案[7]

　　雖然通過大規(guī)模MIMO、波束賦形和波束管理技術(shù)可以大大提高毫米波基站的通信距離，但毫米波基站的單機(jī)成本大于sub-6GHz基站和4G LTE基站，并且為了達(dá)到相同的覆蓋范圍其部署密度仍需高于sub-6GHz基站和4G LTE基站�？紤]到成本效益，在部署5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)可以采用高低頻(sub-6GHz/LTE+毫米波)無線協(xié)作組網(wǎng)方案。

　　高低頻無線協(xié)作組網(wǎng)是5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的必然發(fā)展趨勢，主要是宏基站通過低頻段(sub-6GHz/LTE)實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的基礎(chǔ)覆蓋，微基站(毫米波)通過高頻段承擔(dān)熱點(diǎn)覆蓋和高速傳輸，以滿足5G網(wǎng)絡(luò)更高數(shù)據(jù)流量、更快用戶體驗(yàn)速率、海量終端連接和更低時(shí)延的需求。在組網(wǎng)方式中，高低頻可以各自獨(dú)立組網(wǎng)，也可以通過雙連接或載波聚合實(shí)現(xiàn)混合組網(wǎng)，如下圖所示。

　　如上所述，通過先進(jìn)的大規(guī)模MIMO和波束賦形技術(shù)，可使得毫米波的傳輸距離達(dá)到數(shù)百米，這意味著毫米波與現(xiàn)有熱點(diǎn)和5G低頻基站或4G基站的共址成為可能。通過共址技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高低頻無線協(xié)作組網(wǎng)。通過使得毫米波高頻基站與5G低頻基站或4G LTE基站共址，可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)毫米波的顯著覆蓋。

　　(5)集成接入回傳(Integrated Access Backhaul，IAB)技術(shù)[8]

　　集成接入回傳是指接入(Access，基站到移動(dòng)設(shè)備)和回傳(Backhaul，基站到基站或基站到核心網(wǎng)絡(luò))共享相同的無線信道。如下圖所示，基站gNB #1通過光纖有線回傳，而gNB #2和gNB #3則通過基站gNB #1進(jìn)行回傳。gNB #1使用相同的頻譜或無線信道為其覆蓋范圍內(nèi)的移動(dòng)設(shè)備提供服務(wù)，并為其他兩個(gè)基站(gNB #2和gNB #3)提供回傳連接。由于5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力要低于4G網(wǎng)絡(luò)，因此接入節(jié)點(diǎn)密度的增加對于網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、網(wǎng)絡(luò)部署和管理帶來了諸多困難和挑戰(zhàn)，通過IAB技術(shù)可減少每個(gè)接入節(jié)點(diǎn)位置的有線回傳依賴，通過更簡單的部署實(shí)現(xiàn)更廣泛、有效、低成本的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

　　除上述用以解決或增強(qiáng)毫米波覆蓋的技術(shù)和方案外，還可以通過毫米波CPE(Customer Premise Equipment)來增強(qiáng)毫米波覆蓋。CPE可譯為客戶前置設(shè)備，也有人譯作客戶終端設(shè)備，其連接在有線或無線信號(hào)進(jìn)入用戶設(shè)備之前，用于將有線或無線信號(hào)轉(zhuǎn)換成本地局域網(wǎng)信號(hào)，供用戶設(shè)備使用。毫米波CPE可以從毫米波宏站接收毫米波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成本地局域網(wǎng)信號(hào)。例如，可以將毫米波CPE置于室外，將毫米波宏站的信號(hào)轉(zhuǎn)換成本地信號(hào)，供室內(nèi)用戶設(shè)備使用，從而起到將毫米波信號(hào)從室外中繼至室內(nèi)的作用，在一定程度上增強(qiáng)了毫米波的覆蓋，尤其在不宜鋪設(shè)光纖的區(qū)域，可以使用毫米波CPE來實(shí)現(xiàn)毫米波覆蓋。毫米波CPE體積不大，無需拆裝機(jī)，只需一張5G手機(jī)卡即可使用，具有很大的靈活性。

　　雖然以上各種技術(shù)解決了毫米波的覆蓋問題，但要利用毫米波技術(shù)充分釋放5G潛能還需一些突破性的技術(shù)，以解決毫米波應(yīng)用中的一些實(shí)際問題。例如，需要解決當(dāng)手機(jī)被手或其他物體遮擋時(shí)接收不到毫米波信號(hào)的問題，在毫米波基站密集部署的情況下如何保證用戶業(yè)務(wù)的連續(xù)性、使得用戶對基站的不斷快速切換無感知的問題，由于高頻、高功耗、散熱要求高等導(dǎo)致的毫米波器件難以制造、難以小型化、終端設(shè)備尺寸過大的問題。

　　針對這些問題，業(yè)界提出了路徑分集和反射技術(shù)、Multi-TRP(Multiple Transmission Reception Point，多發(fā)射/接收點(diǎn))技術(shù)等，以實(shí)現(xiàn)毫米波的移動(dòng)化，并在毫米波器件和集成電路的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方面有了較大改進(jìn)，以滿足毫米波終端設(shè)備的小型化要求。

　　(6)路徑分集和反射技術(shù)[9][10]

　　毫米波可以采用路徑分集的方式，通過垂直分集和水平分集，應(yīng)對阻擋問題。路徑分集的仿真效果如下圖所示。

　　在終端側(cè)，通過終端天線分集，也可以提升信號(hào)的可靠性，緩解手部阻擋問題，并降低用戶隨機(jī)方位造成的影響。即，在終端內(nèi)的不同位置放置多天線模塊，當(dāng)一個(gè)天線模塊在使用過程中被遮擋時(shí)，通過激活另一個(gè)天線模塊即可快速發(fā)現(xiàn)并切換到另一條新的傳輸路徑上，從而保證無線鏈接的穩(wěn)定性和5G毫米波通信的魯棒性。終端分集的仿真效果如下圖所示。

　　高通公司已就路徑分集和反射技術(shù)給出了經(jīng)過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證過的解決方案。在2020年8月的GSMA毫米波技術(shù)深入解讀研討會(huì)上，高通公司的發(fā)言人表示，在5G的設(shè)計(jì)中，高通有物理層信號(hào)能夠支持快速調(diào)整和切換附近的波束，從而高效利用多路徑和反射。該發(fā)言人說：“如果一個(gè)傳輸路徑被手部或身體其它部位遮擋，通過激活手機(jī)上的另一個(gè)(天線)模塊就可以快速找到一條新的傳輸路徑。我們還將這種轉(zhuǎn)換從基站內(nèi)擴(kuò)展到不同基站之間，這意味著毫米波傳輸在不同基站之間的切換也能夠快速實(shí)現(xiàn)。”這一解決方案能夠支持信道的快速切換。

　　(7)Multi-TRP技術(shù)

　　Multi-TRP功能可以允許每個(gè)TRP(發(fā)射/接收點(diǎn))采用不同的DCI調(diào)度不同的傳輸塊，利用不同TRP的空間信道差異來提升用戶數(shù)據(jù)速率，適用于eMBB場景;也可以允許不同TRP傳輸一個(gè)DCI調(diào)度的同一個(gè)傳輸塊，利用空分、時(shí)分、頻分等方式提升數(shù)據(jù)可靠性。

　　Multi-TRP多點(diǎn)傳輸功能適合5G毫米波SA組網(wǎng)場景，能夠避免由于遮擋造成的信號(hào)中斷，大幅提升毫米波連接的魯棒性和可靠性，保障5G毫米波通信質(zhì)量與用戶主觀體驗(yàn)。

　　(8)5G毫米波器件、集成電路、終端的設(shè)計(jì)和制造[11][3]

　　5G毫米波方案的商用離不開毫米波終端設(shè)備。sub-6GHz和毫米波頻段在協(xié)議層的設(shè)計(jì)保持了基本一致，這使得毫米波終端實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素集中在毫米波終端因新增高頻通信功能所帶來的基帶芯片、射頻器件、高頻天線等方面的實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)。

　　5G毫米波器件或集成電路芯片與之前的器件或芯片的不同之處主要在于：

　　基帶芯片：需要能處理毫米波信號(hào)的調(diào)制解調(diào)器。高通公司已發(fā)布了五代基帶芯片：驍龍X50、驍龍X55、驍龍X60、驍龍X65、驍龍X70，其中從第二代(驍龍X55)起即可支持5G毫米波。聯(lián)發(fā)科(Media Tek)也在2022年5月份發(fā)布了首款同時(shí)支持毫米波和sub-6GHz全頻段5G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)平臺(tái)--天璣1050。毫米波基帶芯片是我國5G產(chǎn)業(yè)鏈上的薄弱環(huán)節(jié)，急需突破以滿足產(chǎn)業(yè)要求。

　　射頻前端：與sub-6 GHz終端的射頻前端多采用分立器件不同，毫米波終端的射頻前端一般采用集成器件提高集成度并降低高頻損耗。器件集成度的進(jìn)一步提升對材料工藝方案、天線及終端整機(jī)設(shè)計(jì)提出了更高要求。

　　天線封裝技術(shù)：由于毫米波射頻前端與陣列天線間的互聯(lián)端面對高頻極度敏感，業(yè)界通常是將前端等有源器件(如功率放大器等)直接集成在陣列天線背面形成一體化封裝，這種封裝技術(shù)稱為封裝集成天線(AiP, Antenna in Package)技術(shù)。以下兩幅圖示出了美版iphone 14的兩處天線模塊的位置(圖片來源為ifixit)。第一幅(上)圖中橙色方框中的模塊為手機(jī)背面的毫米波天線模塊，與芯片一起采用AiP封裝，第二幅(下)圖中紅色方框中的模塊為單獨(dú)布置在手機(jī)側(cè)面的毫米波天線模塊。

　　手機(jī)終端：集成難，對小尺寸終端(手機(jī))來說存在空間挑戰(zhàn)，要和已有的天線共存，部署難。另外還有信號(hào)挑戰(zhàn)，毫米波路徑損耗大，易被手機(jī)殼、手等遮擋，如上所述，可以通過路徑分集和反射技術(shù)來彌補(bǔ)這種缺陷。

　　5G毫米波終端射頻器件的頻率、集成度等特性，反映到芯片器件的工藝上呈現(xiàn)不同的需求。目前制造支持低頻段的射頻前端器件的材料主要是CMOS為主的硅基工藝。在毫米波頻段，為提升器件的高頻物理特性，一般采用化合物工藝，如砷化鎵GaAs、氮化鎵GaN、磷化銦InP等。化合物工藝比硅基工藝具有更低的噪聲系數(shù)、晶體管截止頻率和更強(qiáng)功率。

　　工藝制程技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的的硅基CMOS工藝已經(jīng)進(jìn)入7 nm以下制程的節(jié)點(diǎn)，但技術(shù)主要集中在歐美與中國臺(tái)灣地區(qū)企業(yè)，國內(nèi)如中芯國際等企業(yè)的制程還相對落后。與之形成差異的是，國內(nèi)在化合物半導(dǎo)體方面具有一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，與國外技術(shù)相差并不大。

　　目前，毫米波終端設(shè)備所需的器件、集成電路的設(shè)計(jì)和制造工藝均已日趨成熟，世界上已有多家通信設(shè)備廠商設(shè)計(jì)、發(fā)布了支持毫米波的終端設(shè)備。根據(jù)GSA于2022年2月份發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，支持毫米波頻段的5G毫米波設(shè)備已有152種，約占所有5G設(shè)備的17%，支持各毫米波頻段的設(shè)備種類數(shù)如下表所示：

　　152種5G毫米波設(shè)備中有97種是公開發(fā)售的，公開發(fā)售的97種5G毫米波設(shè)備中44種為手機(jī)終端。152種5G毫米波設(shè)備中有約45%為手機(jī)終端，約20%為室內(nèi)或室外CPE。下圖列出了各通信設(shè)備廠商的5G毫米波設(shè)備的占比。

　　以上設(shè)備廠商中華為(Huawei)、聯(lián)想(Lenovo)、中興(ZTE)、TCL均為中國公司，可見就5G毫米波設(shè)備層級(jí)來說，國內(nèi)已具備一定的設(shè)計(jì)和制造能力，可以為5G毫米波方案的商用提供有力的支撐。

　　(9)5G毫米波測試技術(shù)[12]

　　5G毫米波給測試技術(shù)帶來巨大挑戰(zhàn)。由于5G毫米波天線與收發(fā)信機(jī)(Tx/Rx)甚至數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(DAC/ADC)將一體化設(shè)計(jì)和加工，因此無法單獨(dú)對射頻前端進(jìn)行射頻指標(biāo)測試。并且，射頻電路的帶寬、噪聲系數(shù)、靈敏度等諸多性能指標(biāo)與天線的特性相互影響，難以單獨(dú)評估，導(dǎo)致無法兼容中低頻場景的測試方法和標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，OTA(Over the Air，空口)測試是5G毫米波系統(tǒng)的主要測試手段。

　　射頻指標(biāo)測試對象包括基站設(shè)備、終端設(shè)備以及芯片、相關(guān)模塊。其主要針對設(shè)備的諸如輻射功率、調(diào)制信號(hào)質(zhì)量等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測試。針對5G毫米波頻段的測試方法研究仍在火熱進(jìn)行中，經(jīng)過行業(yè)內(nèi)相關(guān)高校、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)等的研究與推動(dòng)，在各自的方向上取得了一定進(jìn)展，相關(guān)測試指標(biāo)與方法也逐漸清晰。3GPP TS 38.101-2、TS 38.521-2分別給出了FR2頻段終端射頻指標(biāo)定義與相關(guān)射頻指標(biāo)一致性測試的標(biāo)準(zhǔn);TS 38.141-2列出了毫米波基站射頻輻射指標(biāo)一致性測試的規(guī)范和步驟;TR 38.810研究了如何利用OTA的方法對FR2頻段終端進(jìn)行射頻指標(biāo)測試。在國內(nèi)，工信部、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)、信通院、運(yùn)營商等也正在推進(jìn)5G毫米波技術(shù)及測量方法的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

　　對于基站設(shè)備，3GPP早在Rel-11中就針對使用傳導(dǎo)的方法測試有源天線陣列(AAS)的挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析，并決定針對AAS的OTA測試方法進(jìn)行研究。經(jīng)過多年的探索，工業(yè)界對于使用OTA方法測試AAS指標(biāo)的挑戰(zhàn)有了深入的認(rèn)識(shí)，針對毫米波基站OTA測試方法，3GPP完成了Rel-15和Rel-16標(biāo)準(zhǔn)制定工作，當(dāng)前正針對測試方法開展進(jìn)一步的增強(qiáng)研究。

　　對于終端設(shè)備，3GPP首先在Rel-15中完成了毫米波終端測試方法的研究，該研究針對毫米波終端的射頻、無線資源管理、以及解調(diào)的測試驗(yàn)證提出了解決方案，測量的方法包括了直接遠(yuǎn)場、緊縮場、近場轉(zhuǎn)換遠(yuǎn)場等。

　　為了評估毫米波MIMO性能，3GPP在Rel-16中對毫米波MIMO OTA測試方法開展了研究工作，針對靜態(tài)測試環(huán)境，完成了場景定義、信道建模、測試方法的標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

　　隨后，3GPP在Rel-17中針對毫米波測試中無法支持較高下行或較低上行信號(hào)功率的測試，以及測試時(shí)間過長、測試儀表與被測終端極化方向不匹配、無法支持如FR2+FR2 Inter-band載波聚合測試、無法支持極端測試條件測試等問題，對測試方法進(jìn)行了進(jìn)一步增強(qiáng)。

　　目前，3GPP正在討論Rel-18毫米波測試相關(guān)的立項(xiàng)，候選項(xiàng)目包括了動(dòng)態(tài)OTA測試方法，下行4流測試方法，以及針對固定無線接入(FWA)設(shè)備的測試方法等。其中，毫米波動(dòng)態(tài)OTA測試是研究動(dòng)態(tài)環(huán)境下毫米波終端性能測試方法。由于目前的毫米波測試方法都是基于靜態(tài)的測試環(huán)境，即終端在測試過程中位置固定、測試開始前會(huì)預(yù)留足夠的波束調(diào)整等待時(shí)間，因此無法有效驗(yàn)證毫米波終端的波束管理性能。而動(dòng)態(tài)OTA測試方法可以在信號(hào)來波方向、信道條件等快速變化的環(huán)境中評估毫米波終端的波束管理性能，為毫米波的商用部署提供有效驗(yàn)證手段。

　　隨著5G毫米波各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，5G毫米波商用方案已日漸趨于成熟。

　　5G毫米波部署現(xiàn)狀

　　根據(jù)GSA的數(shù)據(jù)，截至2021年12月底，145個(gè)國家或地區(qū)的487個(gè)運(yùn)營商對5G網(wǎng)絡(luò)的投資已處于測試、試行、牌照獲得、規(guī)劃或?qū)嶋H部署階段。其中，78個(gè)國家或地區(qū)的200個(gè)運(yùn)營商已啟動(dòng)商用3GPP兼容5G業(yè)務(wù)(移動(dòng)或固定無線接入)，99個(gè)運(yùn)營商已投資公共網(wǎng)絡(luò)的5G獨(dú)立(SA)組網(wǎng)(除了已啟動(dòng)5G SA網(wǎng)絡(luò)的那些運(yùn)營商，還包括正在評估/測試、試行、規(guī)劃或部署的那些運(yùn)營商)。GSA已列舉記載了20個(gè)已部署/啟動(dòng)用于公共網(wǎng)絡(luò)的5G獨(dú)立組網(wǎng)的運(yùn)營商。

　　各個(gè)國家在部署5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)出于自己的需求和考慮有的采用sub-6GHz，有的直接采用毫米波。例如，美國由于FR1頻段大部分已被軍方通訊所用，因此5G路線直接就是毫米波高頻段路線;中國考慮到毫米波的部署難度、器件國產(chǎn)化難度等初期采用sub-6GHz技術(shù)來組建5G網(wǎng)絡(luò);韓國、日本、歐洲等國家或地區(qū)則是兩種頻段都在發(fā)展。

　　根據(jù)GSA的數(shù)據(jù)，截至2021年12月底，48個(gè)國家或地區(qū)的192個(gè)運(yùn)營商已投資5G毫米波網(wǎng)絡(luò)，包括測試(testing)、試行(trialling)、規(guī)劃(planning)、獲取牌照(licensed)、部署(deploying/deployed)或運(yùn)行5G毫米波網(wǎng)絡(luò)。其中，24個(gè)國家或地區(qū)的140個(gè)運(yùn)營商已持有在26/28GHz、37-40GHz或47-48GHz部署5G毫米波網(wǎng)絡(luò)的牌照，16個(gè)國家的28個(gè)運(yùn)營商已在積極部署5G毫米波。下圖示出了投資5G毫米波的運(yùn)營商的數(shù)量(count of operators)和狀態(tài)。

　　在中國，基于早期部署的sub-6GHz 5G網(wǎng)絡(luò)，對高低頻協(xié)作組網(wǎng)已展開試驗(yàn)和測試，以部署5G毫米波。2021年8月，高通攜手中興通訊，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首次采用5G SA雙連接(NR-DC)，基于26GHz毫米波頻段的200MHz載波信道以及3.5GHz頻段的100MHz帶寬，合力實(shí)現(xiàn)超過2.43Gbps的單用戶下行峰值速率。兩家公司還基于26GHz毫米波頻段的四個(gè)200MHz載波信道，利用載波聚合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超過5Gbps的單用戶下行峰值速率[9]。

　　除了高低頻協(xié)作組網(wǎng)，毫米波獨(dú)立組網(wǎng)的方案在中國也已有試驗(yàn)成功的案例。2022年9月份，中興通訊完成了5G毫米波獨(dú)立組網(wǎng)全部功能項(xiàng)目的技術(shù)驗(yàn)證，首家成功與第三方終端完成5G毫米波獨(dú)立組網(wǎng)端到端測試。在本次測試中，中興通訊的高性能低功率毫米波NR基站和搭載驍龍X65 5G調(diào)制解調(diào)器的CPE測試終端采用毫米波獨(dú)立組網(wǎng)(SA)模式下的FR2 only方式進(jìn)行連接，在200MHz單載波帶寬、下行4載波聚合、上行2載波聚合的配置下，分別完成了DDDSU和DSUUU兩種幀結(jié)構(gòu)的基本功能和性能驗(yàn)證。本次驗(yàn)證中，采用DDDSU幀結(jié)構(gòu)時(shí)下行峰值速率接近7Gbps，采用DSUUU幀結(jié)構(gòu)時(shí)上行峰值速超過2.1Gbps。毫米波獨(dú)立組網(wǎng)模式的FR2 only方式是指，在不使用LTE或者Sub-6GHz錨點(diǎn)的情況下部署5G毫米波網(wǎng)絡(luò)，并完成終端的接入和業(yè)務(wù)流程。運(yùn)營商能夠在該模式下更加靈活地為個(gè)人和商業(yè)用戶提供數(shù)千兆比特速率、超低時(shí)延的無線寬帶接入服務(wù)，實(shí)現(xiàn)所有適用場景的綠色固定無線接入網(wǎng)絡(luò)部署[13]。

　　5G毫米波應(yīng)用場景及展望

　　毫米波是5G不可或缺的一部分，助力5G釋放全部潛能，全球5G毫米波產(chǎn)業(yè)蓄勢待發(fā)。5G毫米波具備頻率寬帶容量大，易與波束賦形結(jié)合，超低時(shí)延等多個(gè)突出優(yōu)勢，有利于推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、AR/VR、云游戲、實(shí)時(shí)計(jì)算等行業(yè)的發(fā)展。隨著5G毫米波解決方案的規(guī)模不斷擴(kuò)大以及市場的日益成熟，5G毫米波將實(shí)現(xiàn)更加廣泛的影響和效益。

　　5G毫米波非常適于部署在人口密集的區(qū)域，比如企業(yè)內(nèi)部的會(huì)議室，大型體育場館、中心或者音樂廳，以及各類交通樞紐如機(jī)場、火車站、地鐵站等。根據(jù)3GPP TR 38.913定義，與毫米波應(yīng)用相關(guān)的幾個(gè)場景分別為：室內(nèi)熱點(diǎn)、密集城區(qū)、宏覆蓋、高速鐵路接入與回傳以及衛(wèi)星擴(kuò)展到地面。國外當(dāng)前應(yīng)用比較成熟的是美國和韓國的熱點(diǎn)覆蓋和FWA(固定無線接入)的應(yīng)用方案。

　　更具體一些，什么是對毫米波非常適合的場景?高通中國區(qū)研發(fā)負(fù)責(zé)人曾舉過一個(gè)例子：在人山人海的地鐵站，如果每個(gè)人都使用手機(jī)，網(wǎng)絡(luò)速度會(huì)很慢，如果把5G NR毫米波天線和Wi-Fi接入點(diǎn)共址，將Wi-Fi基站變成毫米波基站，就能夠在28GHz頻段上，顯著改善這種情況，甚至還能實(shí)現(xiàn)數(shù)千兆速率的用戶體驗(yàn)，實(shí)測中5G下行突發(fā)速率已經(jīng)達(dá)到4.6Gbps。這意味著在地鐵站這類人流非常多的場景下部署毫米波，不僅能改變以往明明有信號(hào)上網(wǎng)卻特別卡的情況，人人都能連上5G，還都能特別快[14]。

　　世界移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)(GSMA)認(rèn)為，毫米波將成為5G技術(shù)發(fā)展的重要一環(huán)，跟單獨(dú)使用sub-6GHz的5G網(wǎng)絡(luò)相比，使用sub-6GHz結(jié)合毫米波網(wǎng)絡(luò)有望節(jié)省35%的成本。GSMA的《5G毫米波在中國》報(bào)告顯示，預(yù)計(jì)到2034年，在中國使用毫米波頻段所帶來的經(jīng)濟(jì)收益約1040億美元，其中垂直行業(yè)領(lǐng)域中的制造業(yè)和水電等公用事業(yè)占貢獻(xiàn)總數(shù)的62%、專業(yè)服務(wù)和金融服務(wù)占12%、信息通信和貿(mào)易占10%。

　　當(dāng)前，毫米波全球商用已經(jīng)逐步展開，各國相繼分配頻譜，展開商用部署。在我國，隨著載波帶寬、幀結(jié)構(gòu)、功率限值等關(guān)鍵指標(biāo)的逐漸統(tǒng)一和明確以及頻譜規(guī)劃的有序推進(jìn)，產(chǎn)業(yè)鏈從設(shè)備、終端到測試各個(gè)環(huán)節(jié)日趨成熟完善。

　　目前，我國的5G毫米波頻段尚未投入商用，現(xiàn)有的5G業(yè)務(wù)均由sub-6GHz網(wǎng)絡(luò)支撐。然而，現(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)在一些特殊的行業(yè)應(yīng)用場景中，已開始表現(xiàn)出“力不從心”的狀態(tài)，在速率、容量、時(shí)延及可靠性方面已不能100%滿足場景的需要。諸如高清視頻、VR/AR、V2X自動(dòng)駕駛、工業(yè)自動(dòng)化、智能物聯(lián)網(wǎng)等代表著高容量、高速率、低時(shí)延的典型業(yè)務(wù)，沒有高頻段毫米波的大容量基本是不可行的。5G毫米波具有的超大用戶容量、超大帶寬、超低時(shí)延等特性，使其在這些特定的業(yè)務(wù)領(lǐng)域擁有更強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。有業(yè)內(nèi)專家透露，國內(nèi)的5G建設(shè)正在進(jìn)入“sub-6GHz頻段提供覆蓋，5G毫米波提供容量”的新階段，毫米波商用指日可待。

　　(本文引用的內(nèi)容、數(shù)據(jù)或圖片已標(biāo)明出處，如有侵權(quán)請聯(lián)系我們刪除。)

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]“5G建設(shè)下半場，毫米波成數(shù)字化轉(zhuǎn)型“金鑰匙””，《通信信息報(bào)》.

　　[2]“中興通訊5G毫米波(mmWave)技術(shù)白皮書”，2020.

　　[3]“談?wù)労撩撞?rdquo;，中國移動(dòng)李琳，咪咕燈塔項(xiàng)目組.

　　[4]“5G關(guān)鍵技術(shù)：毫米波的講解”，電子設(shè)計(jì).

　　[5]“關(guān)于5G毫米波基站與4G LTE基站共站時(shí)覆蓋效果比較”，孫斌，CNMO.

　　[6]“混合波束成形|基礎(chǔ)：深入淺出5G，毫米波，大規(guī)模MIMO與波束賦形”，B417科研筆記，CSDN.

　　[7]“高頻通信技術(shù)”，李萍，魏浩，黃靜月，《中興通訊技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)首發(fā)論文，2019-01-30.

　　[8]“基于毫米波IAB(自回傳)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)5G空中組網(wǎng)技術(shù)介紹”，空基通信興趣小組，微信公眾號(hào)“空基通信”.

　　[9]“5G落地進(jìn)入爆發(fā)期，是時(shí)候讓毫米波登場了”，鮮棗課堂.

　　[10]“走出“脆弱”時(shí)代，毫米波迎來商用新機(jī)遇”，雷鋒網(wǎng)leiphone.