演进过程 | 5G 毫米波无线电射频技术

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伴随人们数据流量需求的激增,毫米波因其独特优势在通信领域昂首阔步,凭借其丰富的频谱资源,对进一步提升5G连接速度、充分释放5G应用的潜能尤为重要。鉴于此,业界一致认为毫米波就是5G通信技术的演进方向。

当我们开发技术时,需要了解技术最终将如何部署。在下图中,我们可以看到在 28 GHz 和 39 GHz 频谱中探索的两种常见场景。

 

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a 说明了一个固定无线接入 (FWA) 用例,我们正尝试向郊区环境中的家庭提供高带宽数据。在这种情况下,基站将位于电线杆或塔上,并且需要覆盖大面积以产生积极的商业案例。在初始部署中,我们假设覆盖范围是室外到室外,因此客户驻地设备 (CPE) 安装在室外,并且可以设计链路以确保最佳的空中连接。鉴于天线朝下且用户固定,我们可能不需要大量的垂直转向范围,但发射功率可能相当高,超过 65 dBm EIRP 以最大化覆盖范围并利用现有基础设施。在b 中,我们展示了一个密集的城市场景,其中基站将安装在建筑物屋顶或立面的地面以下,未来可能会演变为路灯或其他街道水平的安装。在任何情况下,这种类型的基站都需要垂直扫描能力,以在整个建筑物立面上传送信号,并最终随着移动设备的出现而传送到地面上的移动或游牧用户(行人和车辆)。在这种情况下,传输功率可能不需要像郊区那样高,尽管低辐射玻璃已被证明是室外到室内渗透的问题。如图所示,我们将需要在水平轴和垂直轴上的光束扫描范围中具有更大的灵活性。

 

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现在让我们考虑一个实际例子并推导出一个简单的链路预算来说明毫米波基站的发射功率要求,如表中所示。与蜂窝频率相比的额外路径损耗是毫米波要克服的主要障碍频率,但阻塞(建筑物、树叶、人等)是另一个需要考虑的主要因素。近年来,有大量关于毫米波频率传播的工作报道,文章“第五代 (5G) 无线网络毫米波通信概述 - 重点关注传播模型”中提供了一个很好的概述。2讨论和比较了几个模型,说明了路径损耗对环境的依赖性,以及视线 (LOS) 场景与非视线 (NLOS) 场景的比较。一般而言,考虑到所需的覆盖范围和地形,固定无线部署应考虑 NLOS 方案。在我们的示例中,我们考虑在郊区部署中具有 200 m 范围的基站。这里我们假设基于 NLOS 室外到室外链路的路径损耗为 135 dB。如果我们试图从室外穿透到室内,那么路径损耗可能会高出 30 dB。相反,如果我们假设 LOS 模型,则路径损耗可能约为 110 dB。在这种情况下,我们假设基站中有 256 个元素,CPE 中有 64 个元素。在这两种情况下,输出功率都可以通过硅实现来满足。假设链路是非对称的,这可以减轻上行链路预算。在这种情况下,平均链路质量应该允许下行链路中的 64 QAM 操作和上行链路中的 16 QAM 操作。如果需要,可以通过增加 CPE 的发射功率来改善上行链路,直至达到法定的区域限制。如果将链路延伸到 500 m,路径损耗将增加到大约 150 dB。这是可行的,但它会使上行和下行的无线电更加复杂,并且功耗会急剧增加。

毫米波波束成形

现在我们考虑波束成形的各种方法:模拟、数字和混合,如图所示。我相信我们都熟悉模拟波束成形的概念,因为该主题近年来在文献中非常流行。在这里,我们有数据转换器将数字信号转换为宽带基带或 IF 信号,并连接执行上变频和下变频过程的无线电收发器。在 RF(例如,28 GHz)下,我们将单个 RF 路径拆分为多个路径,在这些路径中我们通过控制每个路径的相位来执行波束成形,以便在远场中朝着预期用户的方向形成波束。这使得每个数据路径可以控制单个波束,因此理论上我们可以使用这种架构一次为一个用户提供服务。

 

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数字波束成形器正是它听起来的样子。相移完全在数字电路中实现,然后通过收发器阵列馈送到天线阵列。简单地说,每个无线电收发器都连接到单个天线元件,但实际上每个无线电可能有多个天线元件,具体取决于所需的扇区形状。目前,报告的系统在实践中支持 2 到 8 个数字流,可用于同时支持单个用户,让我们更深入地研究模拟波束成形器的技术选择,混合波束成形器的构建块如图 3 所示。为了此处的处理,我们将模拟波束成形系统分为三个块:数字、位-到毫米波和波束形成器。这不是实际系统的划分方式,因为我们会将所有毫米波组件靠近放置以减少损耗,但这种划分的原因很快就会变得显而易见。

 

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模拟波束成形系统框图

 

波束成形器功能受许多因素驱动,包括分段形状和范围、功率水平、路径损耗、热约束等,并且是毫米波系统中需要随着行业学习和成熟而具有一定灵活性的部分。即便如此,仍然需要各种发射功率级别来解决从小型蜂窝到宏的部署场景。

 

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图中所需的发射机功率、天线尺寸和 EIRP 为 60 dBm 的天线的半导体技术选择之间的关系。现在让我们从不同的角度来研究这个问题。60 dBm EIRP 是 FWA 常用的 EIRP 目标,但该数字可以更高或更低,具体取决于所需的基站覆盖范围和周围环境。考虑到部署场景的高度变化,无论该区域是树木繁茂,还是由街道峡谷组成,还是广阔的空地,都会有很大范围的路径损耗需要根据具体情况进行处理。例如,在假设 LOS 的密集城市部署中,EIRP 目标可能低至 50 dBm。FCC 对设备类别3,6有定义和发布的规范以及传输功率限制,这里我们遵循基站的 3GPP 术语。如图所示,设备类别或多或少决定了功率放大器的技术选择。虽然不是一门精确的科学,但我们可以看到移动用户设备(手机)非常适合 CMOS 技术,并且相对较少的天线数量可以实现所需的发射机功率。这种类型的无线电需要高度集成和节能,以满足便携式设备的需求。局域基站(小基站)和消费端设备(可移动电源)具有相似的要求,涵盖了从发射器功率要求低端的 CMOS 到高端的 SiGe BiCMOS 的一系列技术。中距离基站非常适合 SiGe BiCMOS 技术,以实现紧凑的外形。在高端,对于广域基站,可以应用一系列技术,这归结为天线尺寸和技术成本的权衡。虽然 SiGe BiCMOS 可应用于 60 dBm EIRP 范围,但 GaAs 或 GaN 功率放大器对于更高功率更实用。

 

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图适用于基于发射器功率的各种毫米波无线电外形的技术。正如“5G 毫米波无线电的架构和技术”演讲中所述,设计人员面临的主要挑战之一是提高毫米波功率放大器的直流电源效率。随着新技术和 PA 架构的出现,上述曲线将发生变化,大功率基站将采用更高集成度的结构。演讲“对近期高效 cmWave 5G 线性功率放大器设计的简短调查”对PA 技术的进步进行了很好的概述。

现在让我们更详细地讨论比特到毫米波无线电,并探讨系统这一部分中的挑战。以高保真度将比特转换为毫米波并返回以支持高阶调制技术(例如 64 QAM 以及可能在未来系统中高达 256 QAM),这一点至关重要。这些新无线电的主要挑战之一是带宽。5G 毫米波无线电名义上必须处理 1 GHz 或可能更高的带宽,具体取决于实际中频谱的分配方式。虽然 28 GHz 时的 1 GHz 带宽是相对较低的 (3.5%) 带宽,但在 3 GHz 中频时的相同带宽对于设计来说更具挑战性,并且需要一些前沿技术来实现高性能设计.图 6 举例说明了基于射频和混合信号产品组合的组件的高性能比特到毫米波无线电的框图示例。该信号链已被证明支持 28 GHz 的连续 8× 100 MHz NR 载波,并具有出色的误差矢量幅度 (EVM) 性能。

 

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宽带比特到毫米波无线电的框图

最近几年,毫米波无线电从离开实验室发展到了现场试发展,取得了长足进步。不断发展的生态系统和新出现的用例要求波束合成前端具有一定的灵活性,但正如讨论的那样,有一些适合近天线设计的技术和方法可供选择。无线电的宽带特性(比特到毫米波)需要尖端技术,但基于硅的技术正在迅速发展以满足混合信号和小信号领域的要求。相信随着 5G 生态系统的不断发展,5G毫米波无线电技术将会更加丰富多彩。

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