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。

圖2：OTA測(cè)試的暗室

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)。

參考文獻(xiàn)

[1] ITU-R report M.[IMT.ABOVE 6GHZ], “Technical feasibility of IMT in bands above 6GHz,” Jun 2015.
[2] ITU-R M.2376-0,”Technical feasibility of IMT in bands above 6 GHZ”; Jul 2015
[3] 工信部，“公開(kāi)征求對(duì)第五代國(guó)際移動(dòng)通信系統(tǒng)（IMT-2020）使用3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段的意見(jiàn)” ，2017
[4] 黃海峰，歐盟5G頻譜初定:競(jìng)爭(zhēng)驅(qū)動(dòng),影響全球.通信世界，2016
[5] 魏軍，5G通信技術(shù)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展.集成電路應(yīng)用，2017
[6] IMT-2020(5G)推進(jìn)組，5G無(wú)線技術(shù)試驗(yàn)進(jìn)展及后續(xù)計(jì)劃，2016
[7] CCSA YDT 1484.1-2016，無(wú)線終端空間射頻輻射功率,和接收機(jī)性能測(cè)量方法第1部分：通用要求，2016
[8] CCSA YDT 2864.1-2015，終端MIMO天線性能要求和測(cè)量方法第1部分:LTE無(wú)線終端,2015
[9] 3GPP TR 38.900, Channel model for frequency spectrum above 6 GHz (Release 14), 2016
[10] CCSA TC9-WG1-#40, 5G毫米波OTA測(cè)量暗室