借助適應(yīng)性波束成形技術(shù) 5G系統(tǒng)克服微波傳播挑戰(zhàn) - 全文

作者： Thomas Cameron ADI半導(dǎo)體通訊事業(yè)群技術(shù)長

第五代行動通訊的頻譜將可能于高頻段運作，但訊號在高頻段時，會受到大氣衰減、阻隔和反射等影響，因此目前業(yè)界已積極研發(fā)波束成形技術(shù)、多重輸入多重輸出技術(shù)等，以及新的射頻組件等，以減少高頻訊號衰減的挑戰(zhàn)。

隨著5G的崛起，作為一名射頻工程師，這真是一個令人感到興奮的時刻。5G是下一代的無線通信系統(tǒng)，對工程界而言，當(dāng)踏上這條通往5G的路時，也帶來無數(shù)機會和挑戰(zhàn)。5G同時代表著行動技術(shù)的演化和革命，它可達(dá)成由無線生態(tài)系統(tǒng)中各成員至今所刊出文件中所設(shè)定的各種高層次目標(biāo)。

5G被廣泛地視為是新一代的無線技術(shù)，可以將蜂巢式技術(shù)拓展到全新的使用情境、案例和垂直市場。雖然5G一般被視為是一種可提供包括高畫質(zhì)(HD)和超高畫質(zhì)(UltraHD)視頻串流等超寬帶服務(wù)的技術(shù)，但它也可將蜂巢式技術(shù)帶進(jìn)機器的世界。它可對自動駕駛車輛的發(fā)展貢獻(xiàn)一已之力，且也可被用來連接到數(shù)以百萬計的工業(yè)傳感器和大量的穿戴式消費性設(shè)備等等。

朝5G進(jìn)化的途徑包括傳統(tǒng)蜂巢頻帶中4G增強功能的增加，以及將頻率向上延伸到3?6GHz范圍中的新興頻帶。大規(guī)模多重輸入多輸出(Massive MIMO)技術(shù)擁有產(chǎn)業(yè)的動力，并將從最初基于長程演進(jìn)計劃(LTE)的系統(tǒng)為起點，逐步展開演化，以采用為改善傳輸量、延遲和電池效率而設(shè)計的新波形。

妥善控制頻譜　為實現(xiàn)5G通訊系統(tǒng)關(guān)鍵
頻譜被認(rèn)為是手機產(chǎn)業(yè)的命脈，但在傳統(tǒng)蜂巢頻帶(6GHz以下)中的頻譜是無法支持未來幾年呈指數(shù)般增長的需求。因此，6GHz以上的頻帶目前正在研究之中，要測試頻率分配在6GHz以上進(jìn)行無線存取部署的可行性。雖然6GHz以下的可用共同全球頻譜是以數(shù)百MHz為其數(shù)量級，但在20GHz以上的潛在頻譜數(shù)量則是數(shù)十個GHz。此一頻譜的控制被視為是要實現(xiàn)這種真正互聯(lián)世界5G愿景的關(guān)鍵。

因此，5G的一個區(qū)段可能會在很高的頻率(如毫米波)上運作，且也可能會采用新的、且不會與LTE向后兼容的空中接口技術(shù)。在主要產(chǎn)業(yè)參與者之間所討論的頻帶包括較高的頻帶，如10GHz、28GHz、32GHz、43GHz、46?50GHz、56?76GHz和81?86GHz。

不過，這些頻帶目前仍處于建議階段，而且在無線電系統(tǒng)定義和標(biāo)準(zhǔn)審議的工作之前，仍有許多關(guān)于通道建模的工作有待完成。國際電信聯(lián)盟(ITU)最近發(fā)表一份5G標(biāo)準(zhǔn)化的計劃，并設(shè)下將在2020年發(fā)布第一代IMT-2020年規(guī)格的目標(biāo)。

有鑒于5G仍處于起步的階段，在第一套商業(yè)系統(tǒng)部署之前，仍有許多關(guān)于通道建模、無線電架構(gòu)定義和最后的芯片組發(fā)展等工作須完成。然而，雖然有些趨勢和要求已取得一致意見，但也有待解決的問題，它們都將帶領(lǐng)最終5G系統(tǒng)的發(fā)展。

適應(yīng)性波束成形技術(shù)　克服5G傳播挑戰(zhàn)
以下將討論在微波和毫米波頻率上的5G存取系統(tǒng)。在微波頻率實現(xiàn)無線電存取的主要障礙之一是要克服那些不利于傳播(Propagation)的特性。在這些頻率上的無線電傳播將深受大氣衰減、雨、阻隔(建筑、人、葉子)和反射等因素的影響。

微波的點對點連結(jié)已部署多年，但這些一般是視線系統(tǒng)(Line of Sight System)。由于它們是固定的，使得連結(jié)易于管理，而這樣的系統(tǒng)已在近幾年開始部署，以支持采用高階調(diào)變方案的高傳輸量(Throughput)。此項技術(shù)將會持續(xù)發(fā)展下去，并將會利用微波鏈路技術(shù)，進(jìn)入5G存取的領(lǐng)域。

在發(fā)展周期的早期，大家認(rèn)為需要適應(yīng)性波束成形技術(shù)(Adaptive Beamforming)來克服存取系統(tǒng)的傳播挑戰(zhàn)。不像點對點系統(tǒng)，波束成形須要適應(yīng)使用者和環(huán)境，以便將負(fù)載傳送給用戶。業(yè)界普遍認(rèn)為，混合式的多重輸入多重輸出系統(tǒng)會在微波和低毫米波頻帶使用，而在V頻帶和E頻帶(其中有充足的帶寬)，系統(tǒng)可能只會采用波束成形來達(dá)成所需的傳輸量目標(biāo)。

圖1是混合波束成形發(fā)射器的高階方塊圖。相反方向的運作則可想為是接收器。

圖1　混合波束成形發(fā)射器的高階方塊圖

多重輸入多重輸出編碼是在數(shù)字的部分執(zhí)行，伴隨著典型的數(shù)字無線電處理。可能會有許多的多重輸入多重輸出路徑會在來自饋入天線系統(tǒng)的數(shù)字部分處理；而這些數(shù)據(jù)串流會饋入天線系統(tǒng)。對每一數(shù)據(jù)串流而言，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)會在基頻或中頻頻率將訊號轉(zhuǎn)換成模擬訊號，視所選的架構(gòu)而定。該訊號在被向上轉(zhuǎn)換(Upconverted)后，會被分成組成射頻路徑(Constituent RF Path)，以饋入個別的天線。在每一射頻路徑，該訊號會經(jīng)過處理，以設(shè)置增益和相位來形成天線的引出射柱(Beam Out)。

雖然方塊圖是簡單的，但系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和權(quán)衡取舍卻十分復(fù)雜。在本文中只會討論到幾個問題，但請將注意力集中于架構(gòu)和無線電方面的挑戰(zhàn)。要從頭將此一系統(tǒng)實現(xiàn)出來，十分重要的是，在整個系統(tǒng)的設(shè)計過程中，必須要多加思考電源、尺寸大小和成本等因素。

雖然這種無線電系統(tǒng)現(xiàn)在可用半導(dǎo)體廠商的分離式組件如砷化鎵(GaAs)設(shè)計制造出來，以應(yīng)用在原型的5G系統(tǒng)中，但須要帶來同樣等級的高整合性，以適應(yīng)如在蜂巢式無線電所實現(xiàn)的微波空間。高整合度和高性能便是業(yè)界所要解決的棘手問題。

但單是整合并非業(yè)界目前所面臨到問題的解決方案。它必須是有智慧的整合。想到整合，首先要考慮到架構(gòu)和分區(qū)(Partition)，以充分利用整合的效益。在此一情況下，還須考慮到機械和熱設(shè)計，因為電路布局和基板(Substrate)是相互關(guān)聯(lián)的。

首先，要先將有利于整合的架構(gòu)界定清楚。以蜂巢式基地臺中高度整合收發(fā)芯片為例子；如果考慮這個例子，許多系統(tǒng)會采用零中頻(Zero IF, ZIF)架構(gòu)，以便省掉訊號路徑中的濾波組件，或?qū)⒂昧繙p到最少。特別是在微波頻率下，工程師一定要盡量減少射頻濾波器的損耗，因為要產(chǎn)生射頻功率的費用是很昂貴的。雖然ZIF可減少濾波器的問題(當(dāng)然交換條件是LO抑制)，但便將問題從物理結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到訊號處理和算法。在這里，可以借用摩爾定律，但被動的微波結(jié)構(gòu)并未遵循與摩爾定律相同的尺度動態(tài)(Scaling Dynamics)。為了要達(dá)成目標(biāo)，充分利用同時優(yōu)化模擬和數(shù)字的能力，是有必要的。市面上有很多應(yīng)用在蜂巢式頻率的算法和電路技術(shù)，這可能為微波空間帶來一些效益。

提高訊號鏈整合度　硅鍺制程功不可沒
其次是，考慮半導(dǎo)體技術(shù)的要求。如上所述，先進(jìn)的微波系統(tǒng)通常是以GaAs組件來實現(xiàn)。多年以來，GaAs一直是微波產(chǎn)業(yè)唯一的支柱，但在很多訊號路徑的功能上，硅鍺(SiGe)制程已克服許多砷化鎵的高頻運作障礙。高性能的微波硅鍺雙互補式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制程實現(xiàn)這些包括很多訊號鏈以及輔助控制功能的波束成形系統(tǒng)所需的高整合度。

GaAs功率放大器(PA)也許是需要的，視每一天線所需的輸出功率而定。然而，即使GaAs在微波頻率時也是效率差的，因為在線性區(qū)時，它們一般都會被偏壓(Biased)。前所未有地，在5G時代，對微波PA線性化探索的時機已經(jīng)成熟。

CMOS怎么樣？它也是競爭者嗎？眾所周知，CMOS適合大批量的縮放，而這也在60GHz的WiGig系統(tǒng)中獲得證實?？紤]到目前仍然處于發(fā)展的早期階段及使用案例的不確定性，關(guān)于如果或何時CMOS將成為5G無線電的技術(shù)選擇這一點，仍然很難說。在通道建模和使用方式方面，仍有很多工作須率先完成，才能決定無線電的規(guī)格，以及微波CMOS適合放在未來系統(tǒng)中的何處。

共同設(shè)計射頻IC/機械結(jié)構(gòu)　藉以避免損失
5G系統(tǒng)中的最后考慮是機械設(shè)計和射頻集成電路(IC)分區(qū)之間的互依性(Interdependency)。鑒于盡量減少損失所面臨的挑戰(zhàn)，在IC設(shè)計時便須多加考慮天線與基底，以優(yōu)化分區(qū)。低于50GHz時，天線將是基底的一部分，路由和一些被動結(jié)構(gòu)預(yù)料將會嵌入在基底中。目前在基底整合波導(dǎo)(SIW)領(lǐng)域正有諸多研究正在進(jìn)行，這讓此整合式結(jié)構(gòu)看起來很有前途。在此結(jié)構(gòu)中，要將很多的射頻電路黏著在多層層板(Laminate)的一側(cè)，再路由到前正面的天線，這是可能的。射頻IC將以裸晶的形式或表面黏著封裝的形式黏著在該層板上。在記載針對其他應(yīng)用所開發(fā)的這一類結(jié)構(gòu)的業(yè)界文獻(xiàn)中，可找到一些好例子。

50GHz以上，天線單元和間距變得夠小，因此便有可能將天線結(jié)構(gòu)整合在封裝之中或之上。而且這也是正在如火如荼進(jìn)行的研究領(lǐng)域，它將推動5G系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展。

在任一情況下，射頻IC及機械結(jié)構(gòu)必須共同設(shè)計，以確保路由時的對稱性及盡量減少損失。此一工作沒有強大的3D建模工具是不可能完成的，因為這些設(shè)計須廣泛模擬。

雖然針對5G為微波產(chǎn)業(yè)所帶來的挑戰(zhàn)，這只是一簡要的觀點，但在未來幾年，無限的商機將帶來推陳出新的射頻創(chuàng)新。如前文所述，借著在整條訊號鏈上都采用最佳的技術(shù)，嚴(yán)密的系統(tǒng)工程方法將可產(chǎn)生出最適宜的解決方案。從制程和材料發(fā)展到設(shè)計技術(shù)和建模，到高頻率測試和制造，所有這些要如同一整個產(chǎn)業(yè)般來完成許多尚未完成的工作。在到達(dá)5G目標(biāo)的路上，所有學(xué)科都有其要扮演的角色。

舉例來說，亞德諾(ADI)以其位到微波之能力，為5G微波的發(fā)展工作帶來貢獻(xiàn)。該公司的技術(shù)組合和持續(xù)進(jìn)展的射頻技術(shù)，再結(jié)合在無線電系統(tǒng)工程領(lǐng)域的悠久歷史，讓該公司可為其客戶探索在微波和毫米波頻率領(lǐng)域的新解決方案，以應(yīng)用在新興的5G系統(tǒng)中。

如文章開始所述，作為一名無線產(chǎn)業(yè)中的射頻工程師，這是一個令人感到興奮的時刻。5G才剛起步，而為了要在2020年實現(xiàn)商用5G無線電網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)，前方仍有工作等待射頻工程師去完成。