5G毫米波終端技術(shù)及測(cè)試方案分析

1、引言

隨著移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，低頻段頻譜資源的開(kāi)發(fā)已經(jīng)非常成熟，剩余的低頻段頻譜資源已經(jīng)不能滿(mǎn)足5G時(shí)代10Gbps的峰值速率需求，因此未來(lái)5G系統(tǒng)需要在毫米波頻段上尋找可用的頻譜資源。作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一的毫米波技術(shù)已成為目前標(biāo)準(zhǔn)組織及產(chǎn)業(yè)鏈各方研究和討論的重點(diǎn)，毫米波將會(huì)給未來(lái)5G終端的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)，同時(shí)毫米波終端的測(cè)試方案也將不同于目前的終端。本文將對(duì)毫米波頻譜劃分近況，毫米波終端技術(shù)實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)及測(cè)試方案進(jìn)行介紹及分析。

2、毫米波頻譜劃分

2015年，ITU-R WP5D發(fā)布了IMT.ABOVE 6GHz的研究報(bào)告，詳細(xì)研究了不同頻段無(wú)線電波的衰減特性。在同年的世界無(wú)線電通信大會(huì)（WRC-15）上提出了多個(gè)5G候選的毫米波頻段，最終5G毫米波頻譜的確定將在WRC-19上的完成。經(jīng)過(guò)多年的研究和討論，各國(guó)各地區(qū)對(duì)毫米波頻譜資源的劃分都有所進(jìn)展，以下將著重介紹中國(guó)、美國(guó)及歐洲在毫米波頻段劃分上的近況。

中國(guó)：2017年6月，工信部面向社會(huì)廣泛征集24.75-27.5 GHz、37-42.5 GHz或其他毫米波頻段用于5G系統(tǒng)的意見(jiàn)，并將毫米波頻段納入5G試驗(yàn)的范圍，意在推動(dòng)5G毫米波的研究及毫米波產(chǎn)品的研發(fā)試驗(yàn)。

美國(guó)：早在2014年，F(xiàn)CC（美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)）就開(kāi)啟了5G毫米波頻段的分配工作，2016年7月，確定將27.5-28.35 GHz、37-38.6 GHz、38.6-40 GHz作為授權(quán)頻譜分配給5G，另外還為5G分配了64-71 GHz作為未授權(quán)頻譜。

歐洲：2016年11月，RSPG（歐盟委員會(huì)無(wú)線頻譜政策組）發(fā)布了歐盟5G頻譜戰(zhàn)略，確定將24.25-27.5 GHz作為歐洲5G 的先行頻段，31.8-33.4 GHz 、40.5-43.5 GHz作為5G潛在頻段。

3、毫米波終端技術(shù)實(shí)現(xiàn)

毫米波頻段頻率高、帶寬大等特點(diǎn)將對(duì)未來(lái)5G終端的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，毫米波對(duì)終端的影響主要在于天線及射頻前端器件。

3.1 終端側(cè)大規(guī)模天線陣列

由于天線尺寸的限制，在低頻段大規(guī)模天線陣列只能在基站側(cè)使用。但隨著頻率的上升，在毫米波段，單個(gè)天線的尺寸可縮短至毫米級(jí)別，在終端側(cè)布置更多的天線成為可能。如下圖1所示，目前大多數(shù)LTE終端只部署了兩根天線，但未來(lái)5G毫米波終端的天線數(shù)可達(dá)到16根甚至更多，所有的天線將集成為一個(gè)毫米波天線模塊。由于毫米波的自由空間路損更大，氣衰、雨衰等特性都不如低頻段，毫米波的覆蓋將受到嚴(yán)重的影響。終端側(cè)使用大規(guī)模天線陣列可獲得更多的分集增益，提高毫米波終端的接收和發(fā)射性能，能夠在一定程度彌補(bǔ)毫米波覆蓋不足的缺點(diǎn)，終端側(cè)大規(guī)模天線陣列將會(huì)是毫米波得以商用的關(guān)鍵因素之一。

圖1：LTE終端與毫米波終端天線設(shè)想

終端部署更多的天線意味著終端設(shè)計(jì)難度的上升，與基站側(cè)部署大規(guī)模天線陣列不同，終端側(cè)的大規(guī)模天線陣列受終端尺寸、終端功耗的制約，其實(shí)現(xiàn)難度將大大增加，目前只能在固定終端上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模天線陣列的布置。移動(dòng)終端的大規(guī)模天線陣列設(shè)計(jì)面臨諸多挑戰(zhàn)，包括天線陣列校準(zhǔn)，天線單元間的相互耦合以及功耗控制等。

3.2 毫米波射頻前端器件

射頻前端器件包括了功率放大器、開(kāi)關(guān)、濾波器、雙工器、低噪聲放大器等，其中功率放大器是最為核心的器件，其性能直接決定了終端的通信距離、信號(hào)質(zhì)量及待機(jī)時(shí)間。目前制造支持低頻段的射頻前端器件的材料多為砷化鎵、CMOS和硅鍺。但由于毫米波段與低頻段差異較大，低頻射頻前端器件的制造材料在物理特性上將很難滿(mǎn)足毫米波射頻前端器件的要求。

以功率放大器為例，目前主流的功率放大器制造材料為砷化鎵，但在毫米波頻段，氮化鎵及InP的制造工藝在性能指標(biāo)上均要強(qiáng)于砷化鎵。下表所示為從低頻到毫米波段主要的射頻前端器件制造工藝上的發(fā)展方向。

另外，毫米波頻段大帶寬的特點(diǎn)對(duì)射頻前端器件的提出了更高的要求，未來(lái)毫米波終端的射頻前端器件將可能需支持1GHz以上的連續(xù)帶寬。

雖然氮化鎵被認(rèn)為是未來(lái)毫米波終端射頻的主流制造工藝，但由于成本、產(chǎn)能等因素，基于氮化鎵工藝的高性能射頻前端器件多用于軍工和基站等特殊場(chǎng)景。毫米波射頻前端技術(shù)的發(fā)展將會(huì)成為毫米波終端實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，預(yù)計(jì)到2020年之后，毫米波移動(dòng)終端射頻器件的技術(shù)和成本才可能達(dá)到大規(guī)模商用的要求。

4、毫米波終端測(cè)試方案分析

目前LTE終端的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試主要使用傳導(dǎo)連接，使用射頻饋線將被測(cè)設(shè)備和測(cè)試儀表連接，這種測(cè)試方案對(duì)場(chǎng)地要求不高，受外界干擾較小。但隨著毫米波終端側(cè)的大規(guī)模天線陣列的使用，終端的無(wú)線收發(fā)器都將集成到天線形成天線模塊，未來(lái)毫米波終端可能不會(huì)存在射頻測(cè)試端口，而且高頻率下進(jìn)行耦合帶來(lái)的高插損等因素使傳統(tǒng)的傳導(dǎo)連接測(cè)試的方案更不可行，因此OTA（Over The Air）測(cè)試將成為毫米波終端測(cè)試的主流方案。

OTA測(cè)試可直接測(cè)試設(shè)備的整體輻射性能，能夠?qū)υO(shè)備的整機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試，能夠更真實(shí)地反映設(shè)備的實(shí)際性能，但測(cè)試需要在微波暗室進(jìn)行，對(duì)于測(cè)試的場(chǎng)地要求較為嚴(yán)格，測(cè)試費(fèi)用昂貴。

目前LTE OTA和MIMO OTA的研究已經(jīng)較為深入，但毫米波的OTA研究還處于起步階段，有關(guān)毫米波OTA測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)已經(jīng)在CCSA開(kāi)始討論。下圖3是LTE OTA測(cè)試系統(tǒng)的示意圖，未來(lái)毫米波終端OTA測(cè)試的方案預(yù)計(jì)會(huì)參考LTE OTA測(cè)試的系統(tǒng)，但由于毫米波工作頻率和主動(dòng)天線陣技術(shù)等應(yīng)用，未來(lái)毫米波OTA測(cè)試在技術(shù)上將進(jìn)行一些改進(jìn)。

OTA測(cè)試作為毫米波終端測(cè)試的必選方案，將面臨以下挑戰(zhàn)：

1）毫米波新型吸波材料。由于傳統(tǒng)的軟質(zhì)海綿吸波材料在物理性能可電性能上存在缺陷，無(wú)法完全滿(mǎn)足5G毫米波測(cè)量的要求。因此研究并開(kāi)發(fā)更適合于毫米波暗室的吸波材料將會(huì)是毫米波OTA測(cè)試的關(guān)鍵。

2）OTA測(cè)試遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件。OTA測(cè)試根據(jù)測(cè)試場(chǎng)類(lèi)型可以分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試。通常對(duì)于天線輻射性能的測(cè)試，測(cè)試接收天線一般置于遠(yuǎn)場(chǎng)，此時(shí)電磁輻射屬于平面波，場(chǎng)的相對(duì)角分布與離開(kāi)天線的距離無(wú)關(guān)，大小與離開(kāi)天線的距離成反比，天線方向圖主瓣、副瓣和零值點(diǎn)已全部形成。而在近場(chǎng)接收天線可能會(huì)和發(fā)射天線會(huì)由于電容和電感的耦合作用互相干擾，造成錯(cuò)誤的結(jié)果。遠(yuǎn)場(chǎng)的判定條件是被測(cè)件與測(cè)量天線間的距離要大于2D2/λ，其中D為測(cè)量天線的直徑，λ為波長(zhǎng)，由于毫米波段波長(zhǎng)很短，因此天線遠(yuǎn)場(chǎng)的距離較大，以30GHz頻段，測(cè)量天線直徑為0.2m為例，遠(yuǎn)場(chǎng)的距離將達(dá)到80m，暗室難以達(dá)到如此大的尺寸，并且測(cè)試距離的增加還會(huì)增加被測(cè)終端到測(cè)量天線間的路徑損耗，會(huì)進(jìn)一步降低測(cè)試系統(tǒng)的靈敏性和準(zhǔn)確性。為解決毫米波遠(yuǎn)場(chǎng)條件的問(wèn)題，我們可以通過(guò)緊縮場(chǎng)法縮短測(cè)量距離，或者采用中區(qū)場(chǎng)測(cè)量的方式來(lái)代替遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量。

緊縮場(chǎng)法：其通常采用一個(gè)拋物面金屬反射板，將測(cè)量天線發(fā)送的球面波經(jīng)反射面反射形成平面波，在一定遠(yuǎn)距離處形成一個(gè)良好的靜區(qū)。將天線安置在靜區(qū)內(nèi)，測(cè)量天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性，其類(lèi)似于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量，只是縮短測(cè)量距離，便于在理想遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境（暗室）下進(jìn)行測(cè)量。緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)能在較小的微波暗室里模擬遠(yuǎn)場(chǎng)的平面波電磁環(huán)境，利用常規(guī)的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備和方法對(duì)天線的輻射性能進(jìn)行測(cè)試。

中區(qū)場(chǎng)法：中區(qū)場(chǎng)（菲涅爾區(qū)）的距離計(jì)算方式為0.63

，同樣以30GHz頻段，測(cè)量天線直徑為0.2m為例，中區(qū)場(chǎng)的距離只有1.26m，普通的暗室尺寸也能滿(mǎn)足需求，因此可以在系統(tǒng)層面上，研究新的中區(qū)場(chǎng)測(cè)量理論與場(chǎng)源重構(gòu)方法，用中區(qū)場(chǎng)來(lái)代替遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行OTA測(cè)試。

圖3：LTE和毫米波測(cè)試系統(tǒng)示意圖

5、國(guó)內(nèi)毫米波終端商用計(jì)劃分析

國(guó)內(nèi)有關(guān)5G相關(guān)的研究和測(cè)試正如火如荼地進(jìn)行，但是相比于歐美，我國(guó)在6GHz以下的低頻段尚有較多可用的頻譜資源，包括3.3-3.6 GHz，4.8-5 GHz以及部分重耕的頻譜，因此我國(guó)對(duì)于毫米波的需求并不是很迫切。從產(chǎn)業(yè)鏈各方的路標(biāo)來(lái)看，國(guó)內(nèi)5G的首發(fā)頻段應(yīng)該為6GHz以下的低頻段。

目前毫米波相關(guān)的研究尚處于起步階段，5G毫米波頻譜劃分還需進(jìn)一步確定。預(yù)計(jì)到2020年，才會(huì)有正式的5G毫米波終端出現(xiàn)。在5G商用的初期，主要會(huì)以6GHz以下低頻基站為主，國(guó)內(nèi)5G毫米波終端的大規(guī)模商用預(yù)計(jì)還需要較長(zhǎng)的一段時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。

6、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了全球毫米波的劃分情況，總結(jié)了毫米波終端在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上將會(huì)遇到的挑戰(zhàn)及困難，毫米波終端將布置更多的天線形成天線模塊，同時(shí)在射頻前端制造工藝上，高頻特性更好的材料將被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。最后對(duì)毫米波終端OTA測(cè)試的情況及毫米波終端商用情況進(jìn)行了分析。毫米波技術(shù)作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一，必將在即將到來(lái)的5G時(shí)代得以重用，毫米波終端相關(guān)的研究和測(cè)試工作也將不斷提速，為毫米波的商用奠定基礎(chǔ)。