5G毫米波无线电射频技术演进 （一）

当无线产业开始创建 5G 时，2020 年显得那么遥远。而现在就快到 2020 年，这无疑将是属于 5G 的十年。新闻每天都会报道新的现场试验和即将进行的商业 5G 部署。对于无线产业来说，这是一个非常令人兴奋的时刻。目前，行业 5G 焦点主要在增强移动宽带方面，利用中频和高频频谱中的波束合成技术向更高网络容量和更高吞吐量发展。我们也开始看到利用 5G 网络架构低延迟特性的用例兴起，例如工业自动化。 

就在几年前，业界还在讨论在移动通信中使用毫米波频谱的可行性，以及规划无线电设计人员面临的挑战。1 短时间内发生了很多事情，行业已经从最初的原型制作迅速发展到成功的现场试验，现在我们即将进行首次商业 5G 毫米波部署。许多初始部署将用于固定或移动无线应用，但不久的将来，我们还会看到真正的毫米波频率移动连接。第一个标准已经设立，技术正在迅速发展，对毫米波系统的部署也进行了大量学习。虽然我们已经取得了长足的进步，但对于无线电设计人员来说，还有诸多挑战。我们将在本文的其余部分探讨 RF 设计人员面临的一些挑战。 

本文分为三大主题。在第一部分，我们将讨论毫米波通信的一些主要用例，为接下来的分析做铺垫。在第二和第三部分，我们将深入研究毫米波基站系统的架构和技术。在第二部分，我们将讨论波束成型技术，以及所需发射功率对系统前端技术选择的影响。当波束成型备受媒体关注时，同样重要的无线电在执行从位到毫米波频率的转换。 

部署情形和传播注意事项

我们在开发技术时，务必了解技术最终的部署方式。在所有工程实践中，都有需要权衡的地方，而有更多的真知灼见，就会产生新颖的创新。在图 1 中，我们突出了目前在 28 GHz 和 39 GHz 频谱中探索的两种常见情景。

图 1. 5G 毫米波部署情形 

图 1a 演示了一个固定无线接入(FWA)用例，在此用例中，我们试图向郊区环境中的家庭提供高带宽数据。在这种情况下，基站位于电线杆或塔上，并需要覆盖大片区域才能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，是以客户终端设备(CPE)安装在户外，并且在设计链接时确保最佳无 线连接。由于天线向下，而用户固定，我们可能不需要很大的垂直转向范围，但发射功率可能相当高，超过 65 dBm EIRP，以最大限度地增加覆盖范围并利用现有的基础设施。 

在图 1b 中，我们展示了一个密集的城市场景，基站将安装在建筑物屋顶或正面离地较低的位置，将来可能会发展成路灯或其他街道级安装。无论如何，这种类型的基站将需要垂直扫描功能，以便在整个建筑物的立面上传送信号，最终随着移动设备的出现，向地面上的移动用户（行人和车辆）传送信号。这种 情况下，传输功率可能不需要像郊区那样高，但是室外向室内穿透仍然要面对低辐射玻璃的问题。如图所示，在光束扫描范围内，无论是水平轴还是垂直轴，我们都需要更大的灵活性。总之，没有万能的解决方案。部署情形将决定波束合成架构，而架构将影响射频技术的选择。

表 1. 5G 基站示例 

现在，我们来看一个实际的例子，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 1 所示。与蜂窝频率相比，附加路径损耗是毫米波频率要克服的主要障碍，但障碍物（建筑物、植物、人等）也是另一个需要考虑的主要因素。近年来出现了大量关于毫米波频率传播的报道，文章“第五代(5G)无线网络毫米波通信概述——以传播模型为重点"中对此做了很好地概述。 2 讨论并比较了数种模型，说明了路径损耗对环境的依赖性，以及视线(LOS)方案与非视线(NLOS)方案的对比情况。 我们在这里不进行详细讨论，我们通常可以说，考虑到所需的范围和地形，固定无线部署应考虑使用 NLOS 方案。在所举示例中，我们考虑在郊区部署 200 米范围的基站。根据 NLOS 室外到室外链接，我们假定这里的路径损耗为 135 dB。如果我们尝试从室外穿透到室内，那么路径损耗可能高 30 dB。相反，如果我们 假设一个 LOS 模型，那么路径损耗可能在 110 dB 左右。 

在这种情况下，我们假设基站中有 256 个元件，CPE 中有 64 个元件。在这两种情况下，通过硅实施均可满足输出功率。假定链路是不对称的，这在上行链路预算中起到了一定的缓解作用。在这种情况下，平均链路质量应允许在下行链路中进行 64 QAM 操作，在上行链路中进行 16 QAM 操作。如果需要，可以增加 CPE 的发射功率至法定区域限制，以便改善上行链路。如果将链路范围延伸到 500 米，路径损耗将增加到大约 150 dB。这是可行的，但会使上行链路和下行链路上的无线电变得更加复杂，功耗也将急剧增加。 

毫米波波束合成

现在，我们来看一下各种波束合成方法：模拟、数字和混合，如图 2 所示。我相信我们都很熟悉模拟波束合成的概念，因为这个话题在最近几年的文献中多有提及。在这里，我们有数据转换器，将数字信号与宽带基带或 IF 信号相互转换，连接执行上变频和下变频处理的无线电收发器。在射频（例如，28 GHz） 中，我们将单个射频路径分成多条路径，通过控制每个路径的相位来执行波束合成，从而在远场朝目标用户的方向形成波束。这使得每条数据路径都能引导单个波束，因此理论上来说，我们可以使用该架构一次为一个用户服务。

图 2. 各种波束合成方法 

数字波束成型就是字面意思。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一个天线元件，但实际上每个无线电都可以有多个天线元件，具体取决于所需扇区的形状。该数字方法可实现最大容量和灵活性，并支持毫米波频率的多用户 MIMO 发展规划，类似于中频系统。这非常复杂，考虑到目前可用的技术，无论是在射频还是数字电路中，都将消耗过多的直流电。然而，随着未来技术的发展，毫米波无线电将出现数字波束合成。