5G毫米波通信部署難點(diǎn)與待解決問題

5G 毫米波通信現(xiàn)狀

移動(dòng)通信經(jīng)歷過數(shù)十年和5個(gè)世代的發(fā)展，為社會(huì)帶了巨大的變化，融入了人們生活的每個(gè)細(xì)節(jié)?，F(xiàn)在，第5代移動(dòng)通信(5G)在世界主要國家已經(jīng)廣泛部署，逐漸成為人們生活的主要通信方式。在5G 的部署方案中，第一次出現(xiàn)工作于毫米波頻段的新方案，5G毫米波通信方案與Sub-6G的或2G～4G的部署方案具有顯著不同的特點(diǎn)：一是毫米波通信鏈路采用全新的硬件架構(gòu);二是毫米波的應(yīng)用基于解決新的通信瓶頸或?yàn)闈M足新的需求。

關(guān)于Sub-6G的部署方案，眾所周知：基于算法優(yōu)化的通信算法已經(jīng)逼近香濃定律指示的極限;可使用頻段非常有限，通信業(yè)界甚至采取退網(wǎng)2G、3G、4G以便獲取5G通信頻段的方式擴(kuò)展Sub-6G的通信的容量;采取數(shù)字波束賦形算法獲取系統(tǒng)容量提升需要付出足夠高的算力資源和電力能源，單位比特成本效益和能耗效益的提升相對4G非常有限。Sub-6G的方案已經(jīng)遇到難以克服的科學(xué)瓶頸和工程瓶頸。業(yè)界科學(xué)家、研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)公司將目光放到6GHz以上的頻段，積極謀取頻段授權(quán)和進(jìn)行產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)布局。

5G通信部署網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的新的毫米波頻段(FR2)通信方案已經(jīng)在部分國家規(guī)?；逃?，但相對Sub-6G的部署規(guī)模來說還非常小。5G毫米波通信網(wǎng)絡(luò)相對Sub-6G通信網(wǎng)絡(luò)具有幾個(gè)新特性：更高的容量和速率;更低的延時(shí);可構(gòu)建絕對安全的物理信道;更高的理論的單比特成本效益和能耗效益;精準(zhǔn)的物理定位和多功能感知應(yīng)用;數(shù)十倍以上的可使用帶寬(結(jié)合波束賦形等技術(shù)，毫米波載波系統(tǒng)相對Sub-6G可實(shí)現(xiàn)上千倍通信容量提升)等，在人們突破香濃定律預(yù)示的理論極限或工程上實(shí)現(xiàn)更高效率的算力芯片或更高性能的功率器件之前，采用毫米波網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建移動(dòng)通信可以滿足未來十年甚至數(shù)十年人們對通信的需求。

5G毫米波通信部署難點(diǎn)與待解決問題

現(xiàn)在的5G毫米波的推廣和部署為什么困難重重呢?了解到我國優(yōu)先部署技術(shù)方案相對成熟和具有產(chǎn)業(yè)自主基礎(chǔ)的Sub-6G網(wǎng)絡(luò)，毫米波部署網(wǎng)絡(luò)雖然已經(jīng)開始發(fā)放商用牌照，但是進(jìn)展相對較為緩慢;毫米波元器件產(chǎn)業(yè)相對較為發(fā)達(dá)的歐美、日韓已經(jīng)開始規(guī)?；撩撞ňW(wǎng)絡(luò)，但相對比重不到5G部署總量的1/2。由此不難推測，5G毫米波網(wǎng)絡(luò)部署中面臨著難題，即現(xiàn)已部署的毫米波網(wǎng)絡(luò)跟理想中的毫米波網(wǎng)絡(luò)具有顯著的差距或在使用體驗(yàn)上需要做出巨大的改善。

我們簡單的分析一下現(xiàn)在部署的毫米波網(wǎng)絡(luò)的大致情況：5G毫米波移動(dòng)終端主要采用高通公司的5G套片方案，業(yè)界主要的其他幾家通信設(shè)備公司相繼推出了支持毫米波通信的基帶芯片，但是在毫米波通信終端AIP模塊上還在繼續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化，努力探索新方案;在5G基站領(lǐng)域，世界各大公司都推出了商用的毫米波基站方案，大多采用了256～1024相控陣單元的有源天線陣列，而支持毫米波鏈路的射頻元器件多采用Si CMOS和GeSi BiCMOS器件工藝制作，具備典型的射頻、數(shù)?；旌?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/123/" target="_blank">集成電路的特點(diǎn)?；赟i CMOS或GeSi BiCMOS的毫米波芯片在射頻(毫米波頻段)性能至關(guān)重要的幾個(gè)參數(shù)上，相對化合物基毫米波芯片不占據(jù)優(yōu)勢：例如接收鏈路的噪聲系數(shù)和線性動(dòng)態(tài)范圍、發(fā)射鏈路的輸出功率和效率以及頻率源的相位噪聲等(毫米波鏈路示意圖如圖.2)。

圖.2 5G毫米波鏈路輻射示意圖

在無線通信中，可以用幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)指標(biāo)來衡量通信設(shè)備的硬件性能：信號輻射范圍、信道誤碼率、信號鏈接穩(wěn)定性。(如圖.1)信號輻射范圍或信號輻射距離由信號的發(fā)射端發(fā)射功率以及接收端鏈路的接收靈敏度和路徑傳播損耗共同決定。舉一個(gè)簡單的例子來說明：在傳輸距離不變、發(fā)射端和接收端天線增益不變的前提下，接收鏈路的噪聲系數(shù)降低3 dB,相應(yīng)的發(fā)射端發(fā)射功率可以降低約3 dB。假設(shè)基站發(fā)射天線的能耗效率不變，采用化合物芯片的終端可使基站發(fā)射天線降低約一半的功耗。由此計(jì)算出數(shù)百萬或數(shù)千萬的基站部署數(shù)量時(shí)，能耗降低一半這種優(yōu)勢表現(xiàn)為顯著的利于節(jié)能和降低對電力能源的需求，基站設(shè)備的供電設(shè)備和設(shè)備的成本壓力也將極大的改善。目前，行業(yè)各大公司提供的Si CMOS或GeSi BiCMOS的毫米波芯片單通道輸出功率為10～20 dBm，接收噪聲4.5～6.5dB,(在TR集成下，Si/GeSi基芯片發(fā)射與接收性能難以兼顧，)大多采用256～1024單元陣列規(guī)模，毫米波通信基站有源陣列天線性能的提高需更大規(guī)模數(shù)量的芯片和天線單元，實(shí)際表現(xiàn)為設(shè)備性能提升比率將逐步降低，而成本提升比率將逐步提高。同時(shí)，大尺寸天線或AAU設(shè)備在部署和維護(hù)的成本相對較高，由此引起的外觀美化、設(shè)備穩(wěn)定度都有所下降。

另外，采用Si/GeSi基毫米波芯片的毫米波基站天線陣列需要數(shù)百個(gè)天線陣子，以便得到較高的陣列天線增益;但從另一個(gè)角度看，這種規(guī)模的天線陣列的輻射波束角較為狹窄，在基站部署輻射范圍約50-300米的輻射范圍內(nèi)，每一個(gè)波束覆蓋的有效區(qū)域非常小，基站與用戶的相互確認(rèn)過程(波束對準(zhǔn)和身份識別)需要耗費(fèi)較大的時(shí)間，相應(yīng)的鏈接穩(wěn)定性將隨著用戶的移動(dòng)速率的提高迅速變差，毫米波通信的速率優(yōu)勢難以發(fā)揮。

如果毫米波芯片能夠提高發(fā)射功率和降低接收噪聲系數(shù)，毫米波基站的輻射效率和基站與用戶的鏈接穩(wěn)定性將會(huì)得到極大的改善，同時(shí)有利于降低能耗。

代表著高性能的GaAs/GaN毫米波芯片的性能幾乎可以接近理想的滿足設(shè)備的性能期望值，但是現(xiàn)有行業(yè)的化合物基毫米波芯片的尺寸與成本是行業(yè)認(rèn)為的難以接收的門檻。例如，一個(gè)完整的支持波束賦性的收發(fā)前端(包括：收發(fā)開關(guān)、功率放大器、低噪聲放大器、幅相控制器)，如果采用Si CMOS 或GeSi BiCMOS的工藝，大概尺寸可以做到1.5～5.0 mm2,而采用化合物工藝的尺寸大約在8～30 mm2(在此，我們先忽略尺寸與性能的關(guān)系);另外，Si CMOS或GeSi BiCMOS的功能集成度相對化合物工藝有著顯著的優(yōu)勢;再者，單位成本角度看，化合物芯片的單位成本是Si或GeSi的數(shù)倍。從毫米波天線陣列的角度看，如果我們簡單的進(jìn)行一下思考：一個(gè)收發(fā)鏈路對應(yīng)一個(gè)天線單元，那么毫米波芯片必須滿足毫米波陣列天線中天線間距的要求。以5G通信采用的中心頻率26GHz的頻段為例，半波長的天線間距大約為5.5um,現(xiàn)有的商用化合物芯片在尺寸上很難滿足或滿足不了(瓦片式方案)要求。綜合的看，目前業(yè)界普遍將毫米波通信所采用的元器件的突破或選型方案放在Si或GeSi 工藝的芯片方案上，體現(xiàn)了行業(yè)中先做出來后優(yōu)化的思路，多數(shù)的毫米波芯片都不斷尋求優(yōu)化方案。但從本質(zhì)上來講，半導(dǎo)體材料決定了對應(yīng)毫米波芯片性能的上限，電路上能提升性能但較為有限。

從現(xiàn)實(shí)角度看，行業(yè)傾向選擇了現(xiàn)有較為可行的Si或GeSi基工藝方案作為主流商用方案，即主流基站方案選擇了性能較為優(yōu)異的GeSi基BiCMOS工藝路線，移動(dòng)終端選擇了Si基CMOS工藝路線。不過非?？上У氖?，已部署的5G毫米波網(wǎng)絡(luò)目前體驗(yàn)感需要提升、部署成本需要降低，經(jīng)濟(jì)效益較Sub-6G方案沒有體現(xiàn)理論上應(yīng)該具備的優(yōu)勢。如果選擇Si或GeSi基方案繼續(xù)前行，將在使用體驗(yàn)上充滿阻力，在經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)上面臨壓力。

審核編輯：湯梓紅