毫米波(mmWave):频段之战

来源:eetrend 作者: 时间:2017-03-07 10:39

毫米波 频段之战

  无线设备和其处理的数据量每年都呈指数递增(53% 复合年增长率[1])。随着这些设备产生并处理的数据量越来越多,连接这些设备的无线通信基础设施也必须持续发展才能满足需求。如图 1 所示,4G 网络频谱效率的提高已经不足以提供 3GPP[2] 定义的三大高级 5G 用例所需数据速率的阶梯函数了,这些用例旨在提供无处不在的即时移动宽带数据。认识到这一点后,研究人员开始寻找更高的频率作为可能的解决方案。早期信道声探工作带来的积极成果使全球无线标准化组织把重点转移到下一代 5G 无线系统该怎样整合,以及如何从新的频率和更广的带宽中受益。

  1. 定义5G的关键绩效指标

  所有用例的设计都旨在使未来的无线标准能够处理现有无线标准不足以应对的新应用,每一个都需要一整套全新的关键绩效(KPI)。IMT 2020 用例定义的增强移动宽带(eMBB)预计最大数据速率可达 10 Gb/s,是 4G 的 100 倍[3]。根据香农定理总结的信道容量与带宽(频谱)和信道噪声的关系[4],数据速率与可用频谱息息相关。鉴于小于 6 Ghz 的频谱已经全部分配,所以超过 6 Ghz 的频谱,特别是在毫米波范围中的频谱就成为应对 eMBB 用例的绝佳选择。

  Figure 1: Three high level 5G use cases as defined by 3GPP and IMT 2020

  2. 毫米波:三个频率的故事

  为服务客户,全球的服务运营商在频谱上花费了几十亿美元。频谱高昂的拍卖价格也突显了其市场价值以及这种珍贵资源的稀缺性。开发新的频谱能够让服务运营商容纳更多用户,并提供更高性能的移动宽带数据体验。与小于 6Ghz 的频谱相比,毫米波更加丰富,需要的许可也更少,也就是说全球的服务运营商都能用上。先进的硅制造工艺大幅降低了毫米波设备的价格,完全可用于消费电子产品。目前影响毫米波应用的主要问题在于这个频谱的很多方面都没经过研究,需要解答技术问题。

  服务运营商已经开始研究毫米波技术,以评估适用于移动应用的最佳候选频率。国际电信联盟(ITU)和 3GPP 就 5G 标准研究的 2 个阶段规划达成了共识。第一个阶段研究 40 GHz 以下的频率,以满足较为紧急的商业需求,将于 2018 年 9 月完成。第二个阶段计划从 2018 年开始,到 2019 年 9 月完成,以解决 IMT 2020 概述的 KPPI,该阶段专注于最高 100 Ghz 的频率。

  为使毫米波频率实现全球统一标准化,在最近的世界无线电通信大会 (WRC)[5] 结束后,ITU 发布了从 24 Ghz 到 86 Ghz 的全球可用频率建议列表:

  在 ITU 发布建议后不久,美国联邦通信委员会(FCC)于 2015 年 10 月 21 日发布了规则制定建议通知(NPRM),建议采用 28 GHz、37 GHz、39 Ghz 和 64-71 Ghz 频段[6]灵活的新服务规则。

  图 2:适合移动应用的 FCC 建议频段[6]

  虽然 ITU、3GPP 和其他标准机构决定将 2020 年作为规定 5G 标准的最后时限,但手机供应商正努力加快提供 5G 服务的步伐。美国的 Verizon 和 AT&T 计划在 2017 年就推出 5G 的早期版本。韩国计划在 2018 年奥运会推出 5G 试用,而日本希望在 2020 年的东京奥运会上展示 5G 技术。通过各群体在各种因素推动下的不断努力,一些频率已经开始成为 5G 的候选项:28 GHz、39 Ghz 和 72 GHz。

  这 3 个频段脱颖而出是有原因的。首先,与 60 Ghz 会因氧吸收[7]产生约 20 dB/km 损耗不同,如下图所示,这些频段的氧吸收率要低得多,更适用于长距离通信。这些频率在多通道环境中也表现良好,可用于非视距通信。毫米波将高度定向天线与波束成形和波束追踪相结合,可提供极为安全可靠的链路。纽约大学理工学院的 Ted Rappaport 博士和他的学生已经开始研究 28GHz、38GHz 和 73Ghz 的通道特性与潜在效能。他们发表了数篇论文,探讨这些频率的传播测量以及潜在服务中断研究。通过这些频率的现有数据和研究加上全球可用频谱,就能从这 3 种频率开始制作毫米波的原型。

图3:毫米波频率的大气吸收率(dB/km)[7]

  3. 28 GHz

  如上文所述,服务供应商渴望获得还未分配的大量毫米波频谱,它们将成为 毫米波频谱将使用哪些频率的关键影响因素。2015 年 2 月,三星独自进行了信道测量,发现 28 Ghz 可用于手机通信。此次测量证明城市环境确实存在路径损耗(非视距(NLoS)链路的路径损耗指数为 3.53),三星表示该数据说明毫米波通信链路可支持 200 米以上的距离[8]。他们的研究还包括相位阵列式天线,并开始打造能使手机采用复杂的相位阵列式天线的特色设计。在日本,NTT Docomo 与诺基亚、三星、爱立信、华为以及富士通合作,成功进行了 28 Ghz 及其他频率的现场测试。

  2015 年 9 月,Verizon 宣布将于 2016 年与包括三星在内的主要合作伙伴在美国进行现场测试。这比到 2020 年实现 5G 标准的期限还提前了 4 年,使 Verizon 成为了 5G 市场的先行者。2015 年 11 月,高通用 128 根天线在 28 Ghz 进行了实验,以展示毫米波技术在密集城市环境中的应用以及怎样将定向波束成形用于非视距通信。在 FCC 宣布 28 GHz 频谱可用于移动通信后,预计美国将进行进一步的实验和现场测试。Verizon 还宣布向 XO communicaTIons 租用 28 Ghz 频谱,并具有在 2018 年底买下的购买选择权。

  但值得注意的是,28 Ghz 频段并不在 ITU 全球可用频率列表之中,所以是否能成为 5G 毫米波应用的长期频率还未确定。但该频谱已用于美国、韩国和日本,而无论其是否成为全球标准,美国服务供应商都承诺尽早进行现场测试以推动 28 GHz 进入美国移动技术。韩国希望能在 2018 年奥运会上展示 5G 技术, 因此也在标准机构敲定 5G 标准前推动 28 GHz 进入消费产品领域。该频率不在国际移动通信(IMT)频谱列表之中的事实并没有被忽略,几位 FCC 委员都表达了关注。委员 Jessica Rosenworcel 于 2016 年 2 月在华盛顿的演讲中说道:

  “从长远来看,我认为美国需要在某些方面单独前行,其中就包括 28Ghz 频段。很遗憾,去年在日内瓦举行的世界无线电大会没有讨论这一频段,也未将其列入 5G 频谱研究列表。但该频段可用于全球移动分配,所以我认为美国应该继续探索这个前沿频谱。韩国和日本已经开始了对该频段的测试,所以我们不能在这个时候退缩。我们必须靠着自己前进,并在今年底搭建好 28Ghz 频段的框架。”

  委员 Michael O’Rielly 甚至撰写了一篇博文向 FCC 表达他对 2015 世界无线电大会(WRC)结果的不满:

  “这让我开始思考 2015 世界无线电大会产生的实际效果以及在未来对 ITU 的作用造成的影响。这些做法很可能会损害 WRC 未来的价值,使 ITU 沦为政府和现有频谱用户的工具,阻碍频谱效率和技术进步[9]”

  28 GHz 是否会成为广泛采用的 5G 频率还有待观察,但它在目前显然非常重要。

  4. 73 GHz

  在围绕 28 Ghz 开展工作的同时,E-band 频率在近几年也引起了移动通信领域的关注。根据纽约大学对 73 GHz 进行的信道测量,诺基亚开始研究这一频率。在 2014 年国家仪器公司的年会 NI 周上,诺基亚使用国家仪器公司的原型硬件展示了首个在 73 Ghz 运行的空中传输应用。该系统还将随着研究的进行持续发展,并不断公开展示新的技术成果。在 2015 全球移动大会上,该原型系统凭借透镜天线和波束追踪使数据传输速率超过了 2Gbps。2015 年的布鲁克林 5G 峰会展示了该系统的多输入输出(MIMO)版本,运行速率高达 10 Gbps。不到一年,全球移动大会又用该原型展示了运行速率超过 14 Gbps 的双向空中链路。

  诺基亚并不是唯一在 MWC 2016 上展示 73 GHz 技术的企业,华为和德国电信也展示了 73Ghz 的原型。该原型采用多用户(MU)MIMO,展现出高频率效率,个体用户的速率有可能超过 20 Gbps。

  已经有针对 73 Ghz 的研究启动了,预计未来 3 年还会更多。73 Ghz 不同于 28 Ghz 和 39 Ghz 的一项根本特征就是支持连续带宽。73 Ghz 的移动通信可采用 2 Ghz 的连续带宽,是建议频率频谱中最宽的。相比之下,28 Ghz 提供 850 MHz 带宽,39 GHz 附近有 2 个频段在美国分别提供 1.6 Ghz 和 1.4 Ghz 的带宽。如之前所述,根据香农定理,更多带宽就等于更多的数据吞吐量,这是 73 Ghz 相对上述其他频率的巨大优势。

  5. 38 GHz

  虽然目前 38 Ghz 的公开研究是最少的,但该频率仍然有望进入 5G 标准。ITU 将其列为了全球可用频率,纽约大学也根据现有信道数据证明这是一个可用频率。与 28 Ghz 或 73 Ghz 相比,该频率面临的一大挑战就是其目前的使用量较多。FCC 为潜在移动应用提出了建议频谱,以促进美国未来对该频段的研究。

  Verizon 在专注于 2016 年首次 28 Ghz 现场测试的同时,还计划着测试 39 GHz。XO CommunicaTIons 不仅拥有 28 Ghz 的许可,还拥有大量 39 GHz 的许可。该频谱获得了服务供应商对如此巨大的投资,且位于 IMT 列表,因此必将是 2020 5G 标准的有力争夺者。

  6. mmWave原型验证

  为促进毫米波在 5G 领域的应用,研究人员必须开发新的技术、算法和通信协议,因为毫米波信道的基本属性与现有手机模式不同,因此未知事宜很多。制作毫米波原型的重要性怎么强调都不为过,特别是在早期阶段。制作毫米波系统原型可证明技术或理念的可行性,而单凭模拟无法做到这一点。使用毫米波原型在各种场景进行实时空中通信有助于揭示毫米波信道的秘密,实现技术运用和发展。

  制作完整的毫米波通信原型面临诸多挑战。假设有一个能够处理多 GHz 信号的基带子系统,目前多数 LTE 执行通常都使用 10 Mhz (最大 20 MHz )信道,计算负载与带宽成正比。也就是说,计算能力必须增加 100 倍以上才能满足 5G 的数据速率要求。考虑到毫米波系统的物理层计算,FPGA 对原型制作至关重要。

  开发能够验证毫米波应用原型的定制硬件非常困难。毫米波频率如此吸引通信业的原因之一就是大容量的连续带宽。为 5G 应用寻找 1 到 2 Ghz 带宽的现有硬件发射器或接收器十分昂贵,而有的频率根本找不到。即便能找到这样的硬件,其配置和处理原始数据的能力也有限。因此,设计定制 FPGA 处理板卡就成为一个有吸引力的选择。虽然为 FPGA 板设计硬件所需的工程时间并不多,但是还要开发与其通信的软件接口,即便是最有经验的工程师也需要在设计流程花上一年甚至更久,而这只是原型系统的一个组件。

  除了 FPGA 板,毫米波原型系统还需要最先进的数模和模数转换器捕捉 1-2 Ghz 的带宽。如今市场上有部分 RFIC 包含能转换基带和毫米波频率的芯片,但选择有限,而且多数只能用于 60 Ghz 频段。 IF 和 RF 阶段可代替 RFIC。一旦工程师有了基带和 IF 解决方案,供应商就能为毫米波无线电头提供更多基带 RFIC 以外的选择,但仍然十分有限。开发毫米波无线电头需要 RF 和微波设计的专业知识,和开发 FPGA 板所需的技能完全不同,也就是说整个团队必须具备开发所有所需硬件的各种技能。必须将 FPGA 作为毫米波基带原型系统的核心组件,而编写能处理多 Ghz 信道的多 FPGA 系统会增加系统的复杂度。为解决服务供应商和通信研究人员面临的系统复杂度和软件问题,国家仪器公司提供了一系列可配置的毫米波原型硬件以及毫米波物理层源代码,其中包含毫米波系统基带的基本层面,还将多 FPGA 的数据传输和处理抽象化,从而简化任务。这些工具都旨在将新原型转变为对 5G 技术的发展至关重要的系统和产品。

  7. 总结

  虽然 5G 未来的具体实现方式尚未明确,但可以肯定毫米波必将成为其技术之一。为满足数据吞吐量的要求,必须采用 24Ghz 以上的大容量连续带宽,而研究人员已通过原型证明毫米波技术可提供 14Gbps 以上的速率。尚未解决的最大问题就是移动通信要使用哪一个毫米波频率。ITU 也许能帮助确定 5G 移动应用的一个频率。现在的手机仅需开发并使用一套硅芯片而不是多套芯片组就能覆盖全球,手机制造商和消费者都能从降低的成本中受益。但是,重新分配现有频率成本高昂。理想情况是全球都能同意使用一个频带,但最终可能无法实现。为了赶时间,各地服务供应商都选择忽略 ITU 的建议,采用虽然不能扩展到全球,但是最为方便的频谱。他们还利用了在现场测试和实验中准确制作双向通信链路原型的能力,这是 5G 开发的关键部分。研究人员由此得以展示这一新技术,以前所未有的速度推动标准化进程。

  尽管仍然充满未知,但可以肯定的是,未来一定会部署毫米波技术,而且会非常快。新一代无线通信即将到来,全世界都在关注其具体的实现方式。



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