5G毫米波無線電射頻技術演進（一）

當無線產業開始創建 5G 時，2020 年顯得那么遙遠。而現在就快到 2020 年，這無疑將是屬于 5G 的十年。新聞每天都會報道新的現場試驗和即將進行的商業 5G 部署。對于無線產業來說，這是一個非常令人興奮的時刻。目前，行業 5G 焦點主要在增強移動寬帶方面，利用中頻和高頻頻譜中的波束合成技術向更高網絡容量和更高吞吐量發展。我們也開始看到利用 5G 網絡架構低延遲特性的用例興起，例如工業自動化。 

就在幾年前，業界還在討論在移動通信中使用毫米波頻譜的可行性，以及規劃無線電設計人員面臨的挑戰。1 短時間內發生了很多事情，行業已經從最初的原型制作迅速發展到成功的現場試驗，現在我們即將進行首次商業 5G 毫米波部署。許多初始部署將用于固定或移動無線應用，但不久的將來，我們還會看到真正的毫米波頻率移動連接。第一個標準已經設立，技術正在迅速發展，對毫米波系統的部署也進行了大量學習。雖然我們已經取得了長足的進步，但對于無線電設計人員來說，還有諸多挑戰。我們將在本文的其余部分探討 RF 設計人員面臨的一些挑戰。 

本文分為三大主題。在第一部分，我們將討論毫米波通信的一些主要用例，為接下來的分析做鋪墊。在第二和第三部分，我們將深入研究毫米波基站系統的架構和技術。在第二部分，我們將討論波束成型技術，以及所需發射功率對系統前端技術選擇的影響。當波束成型備受媒體關注時，同樣重要的無線電在執行從位到毫米波頻率的轉換。 

部署情形和傳播注意事項

我們在開發技術時，務必了解技術最終的部署方式。在所有工程實踐中，都有需要權衡的地方，而有更多的真知灼見，就會產生新穎的創新。在圖 1 中，我們突出了目前在 28 GHz 和 39 GHz 頻譜中探索的兩種常見情景。

圖 1. 5G 毫米波部署情形 

圖 1a 演示了一個固定無線接入(FWA)用例，在此用例中，我們試圖向郊區環境中的家庭提供高帶寬數據。在這種情況下，基站位于電線桿或塔上，并需要覆蓋大片區域才能產生積極的商業案例。在初始部署中，我們假設覆蓋范圍是室外到室外，是以客戶終端設備(CPE)安裝在戶外，并且在設計鏈接時確保最佳無 線連接。由于天線向下，而用戶固定，我們可能不需要很大的垂直轉向范圍，但發射功率可能相當高，超過 65 dBm EIRP，以最大限度地增加覆蓋范圍并利用現有的基礎設施。 

在圖 1b 中，我們展示了一個密集的城市場景，基站將安裝在建筑物屋頂或正面離地較低的位置，將來可能會發展成路燈或其他街道級安裝。無論如何，這種類型的基站將需要垂直掃描功能，以便在整個建筑物的立面上傳送信號，最終隨著移動設備的出現，向地面上的移動用戶（行人和車輛）傳送信號。這種 情況下，傳輸功率可能不需要像郊區那樣高，但是室外向室內穿透仍然要面對低輻射玻璃的問題。如圖所示，在光束掃描范圍內，無論是水平軸還是垂直軸，我們都需要更大的靈活性。總之，沒有萬能的解決方案。部署情形將決定波束合成架構，而架構將影響射頻技術的選擇。

表 1. 5G 基站示例 

現在，我們來看一個實際的例子，導出一個簡單的鏈路預算來說明毫米波基站的發射功率要求，如表 1 所示。與蜂窩頻率相比，附加路徑損耗是毫米波頻率要克服的主要障礙，但障礙物（建筑物、植物、人等）也是另一個需要考慮的主要因素。近年來出現了大量關于毫米波頻率傳播的報道，文章“第五代(5G)無線網絡毫米波通信概述——以傳播模型為重點"中對此做了很好地概述。 2 討論并比較了數種模型，說明了路徑損耗對環境的依賴性，以及視線(LOS)方案與非視線(NLOS)方案的對比情況。 我們在這里不進行詳細討論，我們通常可以說，考慮到所需的范圍和地形，固定無線部署應考慮使用 NLOS 方案。在所舉示例中，我們考慮在郊區部署 200 米范圍的基站。根據 NLOS 室外到室外鏈接，我們假定這里的路徑損耗為 135 dB。如果我們嘗試從室外穿透到室內，那么路徑損耗可能高 30 dB。相反，如果我們 假設一個 LOS 模型，那么路徑損耗可能在 110 dB 左右。 

在這種情況下，我們假設基站中有 256 個元件，CPE 中有 64 個元件。在這兩種情況下，通過硅實施均可滿足輸出功率。假定鏈路是不對稱的，這在上行鏈路預算中起到了一定的緩解作用。在這種情況下，平均鏈路質量應允許在下行鏈路中進行 64 QAM 操作，在上行鏈路中進行 16 QAM 操作。如果需要，可以增加 CPE 的發射功率至法定區域限制，以便改善上行鏈路。如果將鏈路范圍延伸到 500 米，路徑損耗將增加到大約 150 dB。這是可行的，但會使上行鏈路和下行鏈路上的無線電變得更加復雜，功耗也將急劇增加。 

毫米波波束合成

現在，我們來看一下各種波束合成方法：模擬、數字和混合，如圖 2 所示。我相信我們都很熟悉模擬波束合成的概念，因為這個話題在最近幾年的文獻中多有提及。在這里，我們有數據轉換器，將數字信號與寬帶基帶或 IF 信號相互轉換，連接執行上變頻和下變頻處理的無線電收發器。在射頻（例如，28 GHz） 中，我們將單個射頻路徑分成多條路徑，通過控制每個路徑的相位來執行波束合成，從而在遠場朝目標用戶的方向形成波束。這使得每條數據路徑都能引導單個波束，因此理論上來說，我們可以使用該架構一次為一個用戶服務。

圖 2. 各種波束合成方法 

數字波束成型就是字面意思。相移完全在數字電路中實現，然后通過收發器陣列饋送到天線陣列。簡單地說，每個無線電收發器都連接到一個天線元件，但實際上每個無線電都可以有多個天線元件，具體取決于所需扇區的形狀。該數字方法可實現最大容量和靈活性，并支持毫米波頻率的多用戶 MIMO 發展規劃，類似于中頻系統。這非常復雜，考慮到目前可用的技術，無論是在射頻還是數字電路中，都將消耗過多的直流電。然而，隨著未來技術的發展，毫米波無線電將出現數字波束合成。