毫米波發(fā)展?fàn)顩r詳解

中國電信創(chuàng)新中心|蔣崢

隨著5G時代的日益臨近，毫米波的商業(yè)應(yīng)用成為各國運營商的關(guān)注熱點。為使毫米波頻率實現(xiàn)全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了從24GHz到86GHz的全球可用頻率建議列表。

在ITU發(fā)布建議后不久，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）于2015年10月發(fā)布了規(guī)則制定建議通知（NPRM），并建議采用28GHz、37GHz以及39GHz用于獲得頻譜牌照運營商的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)；采用64GHz～71GHz頻段用于5G網(wǎng)絡(luò)的非牌照用途。雖然ITU、3GPP以及其他標(biāo)準(zhǔn)化組織決定將2020年作為規(guī)定5G標(biāo)準(zhǔn)的最后時限，但各國的通信運營商都在加快步伐以盡早地提供5G服務(wù)。

運營商毫米波商業(yè)進展

在北美，美國AT&T和Verizon等運營商都積極投身于發(fā)展高頻5G技術(shù)，其中AT&T通過收購Fiber Tower獲得了39GHz附近的頻段資源；而Verizon在美國國家儀器（NI）公司的支持下，于2017年3月展示了全球首款實時28GHz Verizon 5G無線原型系統(tǒng)，其峰值數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)5Gbit/s，擴展為8組MIMO后可超過20Gbit/s，并有計劃在2018年下半年開展試商用。2018年1月美國T-Mobile、Nokia和Intel也在華盛頓測試28GHz高頻系統(tǒng)。美國運營商主要將高頻通信用于向用戶提供固定無線寬帶接入業(yè)務(wù)。在2018年2月加拿大Telus和華為在溫哥華測試28GHz系統(tǒng)同樣是提供固定無線寬帶接入業(yè)務(wù)。

在亞洲，日本運營商NTT docomo在2017年第三屆東京灣全球5G峰會期間聯(lián)合華為首次完成基于3GPP 5G新空口的39GHz高頻技術(shù)測試，實現(xiàn)了三方實時4K高清視頻會議。韓國電信（KT）已于2018年2月在平昌冬奧會上實現(xiàn)28GHz的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，采用的是北美運營商的V5G系統(tǒng)。近期，韓國政府宣布計劃于2018年6月頒發(fā)5G頻譜，屆時3.5GHz和28GHz頻段的頻譜將被拍賣。

在歐盟，歐盟委員會在2 016年9月份公布5G行動計劃，建議以24GHz以上頻段作為歐洲5 G潛在頻段，24.25GHz～27.5GHz頻段作為歐洲5G先行頻段，并建議歐盟各成員國保證24.25GHz～27.5GHz頻段的一部分在2020年前可用于滿足5G市場需求。2017年7月英國運營商Arqiva和三星測試了28GHz系統(tǒng)性能。

在中國，工業(yè)和信息化部已于2017年7月批復(fù)24.75GHz～27.5GHz和37GHz～42.5GHz用于5G技術(shù)研發(fā)測試。

綜上所述，在世界范圍內(nèi)很多國家的運營商都在進行毫米波頻段的5G系統(tǒng)研究以及驗證工作，但從商用角度，還是美國運營商針對固定無線寬帶接入場景提供服務(wù)更為清晰，而用于移動寬帶接入場景的業(yè)務(wù)還都處于研究階段，缺少預(yù)商用計劃。

毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r及面臨的挑戰(zhàn)

隨著5G研究的不斷推進，國際上已積極開展了高頻段通信用芯片研究及系統(tǒng)驗證，頻段主要集中在28GHz、V波段(60GHz)及E波段(70GHz)。

美國SiBEAM公司采用CMOS工藝實現(xiàn)了60GHz 16路單片集成相控陣系統(tǒng)，其通信速率可達(dá)4Gbit/s；比利時魯汶IMEC微電子中心于2012年發(fā)布60GHz全集成收發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用40nm CMOS工藝，其通信速率可達(dá)7Gbit/s；美國博通公司（Broadcom Corporation）采用16路相控陣實現(xiàn)了60GHz收發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制，其通信速率為3.6Gbit/s。

除此之外，IBM與愛立信于2017年2月發(fā)布了工作在28GHz的相控陣列天線模塊；Intel于2017年11月發(fā)布了XMM 8060 5G多模基帶芯片，該芯片同時支持6GHz以下頻段和28GHz毫米波頻段；諾基亞與日本NTT docomo采用商用E波段射頻收發(fā)機芯片，在73.5GHz開展了毫米波高頻段通信系統(tǒng)驗證，其可支持帶寬為1GHz。對比看來，我國在高性能高頻器件（包括設(shè)計、封裝及測試等方面）、原型系統(tǒng)驗證等方面還存在較大差距，需要進一步開展創(chuàng)新性研究與開發(fā)工作。

總體來說，毫米波頻段通信面臨的挑戰(zhàn)主要受限于高頻器件，相關(guān)的高頻核心器件主要包括功率放大器、低噪聲放大器、鎖相環(huán)電路、濾波器、高速高精度數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器、陣列天線等。為滿足更高階調(diào)制方式及多用戶通信等需求，高頻功率放大器、低噪聲放大器需要進一步提升輸出功率、功率效率、及線性度等性能；鎖相環(huán)系統(tǒng)需要進一步改善其相位噪聲及調(diào)諧范圍等性能；濾波器需要提升其帶寬、插入損耗等性能；數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器件要求滿足至少1GHz的信道帶寬的采樣需求，提高精度并降低功耗；新型的高頻陣列天線需要滿足高增益波束和大范圍空間掃描等方面需求。此外，作為5G高頻段通信系統(tǒng)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵步驟，低成本、高可靠性的封裝及測試等技術(shù)也至關(guān)重要。

總而言之，為實現(xiàn)5G毫米波通信，需采用先進的射頻前端系統(tǒng)架構(gòu)，在滿足智能化、可配置等前提下，綜合考慮性能及復(fù)雜度等問題，進一步提高射頻芯片的射頻性能及其一致性。此外，為實現(xiàn)系統(tǒng)尺寸小型化，業(yè)界需提高高頻器件功率效率，以滿足系統(tǒng)散熱要求。