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        射频技术研习社

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        5G毫米波关键技术研究和发展建议

        张忠皓,李福昌,高帅,延凯悦,马静艳

        (中国联合网络通信有限公司网络技术研究院,北京 100048)

        1 引言

        按照ITU-R WP5D M.2083报告定义的系统需求,5G将支持至少100?Mbit/s~1?Gbit/s的边缘用户体验速率,10?Gbit/s~20?Gbit/s的系统峰值速率。但是,6?GHz以下频率资源匮乏,很难找到连续的大带宽满足5G系统需求,毫米波开始成为移动通信发展的重要研究方向[1-6],第三代合作伙伴计划(3GPP)已经将毫米波作为3GPP 5G移动通信系统的必要组成部分[7-8],国内IMT-2020已经成立毫米波工作组并已经开展毫米波相关研究和行业标准的制定工作。

        毫米波一般是指波长1?ms10?ms、频率30?GHz300?GHz的电磁波。相较于低频段,毫米波频段有丰富的带宽资源,可以构建高达800?MHz的超大带宽通信系统,通信速率高达10?Gbit/s,可以满足ITU对于5G通信系统的要求。虽然运营商和行业已经开始从系统应用角度考虑5G毫米波部署和应用问题[9-11],但是5G毫米波移动通信系统的落地应用还有很多问题有待解决和进一步完善[12],如高频器件性能[13]、电磁兼容问题[14]、波束赋形和波束管理算法[15-17]、链路特性等方面[18-19]。

        目前国内6?GHz以下5G系统已经从试验网向商用转变,5G毫米波也需要适时开始进行网络部署规划,国内毫米波行业需要加快毫米波相关标准、射频器件、整机方面的研发进度,推动毫米波产业链成熟,为未来部署做好准备。

        本文首先从5G毫米波产业发展现状着手,对毫米波大规模天线、波束赋形、波束管理和大带宽通信等关键技术进行分析。其次,在对当前毫米波技术进行摸底测试基础上,从网络部署角度提出5G毫米波部署场景和毫米波技术发展建议。

        2 5G毫米波发展现状

        2.1 5G毫米波标准化情况

        3GPP中,毫米波频段的射频标准讨论和制定工作由3GPP RAN4牵头开展,研究分为两个阶段:第一阶段研究40?GHz以下的频率,以满足较为紧急的商业需求,于2018年12月完成;第二阶段从2018年开始,到2019年12月完成,该阶段专注于最高100?GHz的频率,以全面实现IMT-2020的愿景。

        5G频段具有多样性,一般称之为低频(6?GHz以下)和高频(24.25?GHz—52.6?GHz),第一阶段频谱分配定义了52.6?GHz以下的毫米波频谱,如表1所示:

        3GPP中,上述毫米波频段和3.5?GHzNR系统是同步标准化,目前已经形成2018.12.30R15版本。R16版本正在讨论中,并在2019年6月固化。

        R16版本同样进行52.6?GHz以上频段的研究,主要探索NR如何采用更高的频段,且提供高达2?GHz的带宽(超过R15 800 MHz带宽的两倍),并确定更高频段的潜在用例和部署场景。在接下来的5至8个月内,3GPP无线电接入网络(RAN)全体会议将确定目标频段范围、用例和部署方案。

        ITU工作组方面,ITU-R24.25?GHz—27.5?GHz、31.8?GHz—33.4?GHz纳入研究范围,高频段成为WRC-19 1.13议题的核心工作。国内方面IMT-2020成立高频讨论组,制定毫米波关键技术要求、毫米波外场性能测试方法等行业标准,目前已经形成2019.06.21版本。

        2.2 5G毫米波产业链发展情况

        总体上看,毫米波产业链还处于初级阶段,距离成熟商用还有一段距离。

        网络部署方面,美日韩在毫米波商用和预商用进展较快。美国运营商已在多个城市进行毫米波商用部署,主要聚焦在将28?GHz/39?GHz用于FWA场景。韩国运营商完成国内28?GHz毫米波频谱的分配,日本运营商开始对28?GHz毫米波进行外场试验。现有毫米波网络部署主要集中在FWA场景,未开展对毫米波在园区专网、车联网、热点覆盖等方面的场景部署。

        主设备方面,厂家设备频段以北美和日韩频段为主,设备可以支持基本功能,但是部分功能如波束管理、移动性等有待进一步完善。毫米波基带部分与5G低频段设备具有相同成熟度,但是射频相关的功能和性能、测试方法尚未完全标准化。

        测试方面,5G高频设备采用OTA方法进行射频测试,国内毫米波段OTA测试技术和测试方法得到一定发展,但测试方案的可行性、可靠性、准确性、成本和效率等依旧面临很多问题和挑战。

        芯片和终端的进度总体上落后于设备。英特尔(Intel)于2017年11月发布了XMM 8060 5G多?;酒?,该芯片同时支持6?GHz以下频段和28?GHz毫米波频段。高通已经能够提供商用的毫米波终端芯片X50X55,天线模组QTM525。高通公司目前已具备测试终端MTP8510-5G,频点为N257A或者N26128?GHz频段)。在商用终端方面,OPPO/VIVO/ZTE预计2019年底将推出X55芯片样机终端,商用终端预计2020年出现。

        高频核心器件是毫米波频段通信面临的一个重要挑战,低成本、高可靠性的封装及测试等技术也至关重要。我国在高性能高频器件、原型系统验证等方面与全球领先企业仍存在较大差距[20],需要进一步开展创新性研究与开发工作。

        3 5G毫米波关键技术研究

        3.1 大规模天线和波束赋形

        大规模天线技术(Massive MIMO)和波束赋形技术是毫米波系统的关键技术之一,Massive MIMO可以形成更窄波束,波束赋形则可以降低干扰提升信噪比。在实际场景部署中,可借助多通道和多天线的收发增强对基站上下行覆盖进行增强,针对高低层建筑以及线状路面提供差异化的覆盖方案,如图1所示:

        在使用波束赋形技术时,全数字波束赋形的方案优势在于可以通过提高信噪比来实现系统性能的提升,但同时会大大增加射频链路的个数,造成功耗和成本的增加。模拟波束赋形方案则采用了成本低廉、经济实惠的移相器,但只能进行固定波束切换,在性能上达不到数字波束赋形性能的效果,也无法实现较优的MIMO性能。因此毫米波系统通常采用模拟电路与数字电路相结合的混合波束赋形方案[21],如图2所示。

        3.2 波束管理

        毫米波通信系统中,波束管理功能即指管理波束赋形后形成的窄波束,主要包括以下几方面内容:波束扫描、波束测量、波束上报、波束指示和波束失败恢复[22]。

        波束扫描一般分为粗扫描和精准扫描,分别对控制信道和数据信道进行扫描。波束测量过程在空闲接入状态时和连接态中都起到关键作用,主要测量SSB、CSI-RS、SRS等信号。波束失败与恢复的过程如图3所示,UE检测到波束失败时触发波束失败恢复流程,重新发起接入请求,与基站重新建立新波束对,恢复数据传输。

        中国联通在毫米波外场测试中,对波束切换功能进行了测试。如图4所示,在测试波束切换过程中测试终端沿毫米波基站天面法线的切线方向进行移动,移动速度分别为5?km/h(步行)、10?km/h(骑车)和30?km/h(行车)。表2展示了在5?km/h(步行)速度下测试终端在不同接入点的波束测量结果,由测试结果得知,随着测试终端的移动,控制信道波束和数据信道波束都可以正常切换,且移动过程中数据传输保持稳定状态。

        3.3 传播特性和穿透损耗

        根据3GPP TR38.901中规定的0 GHz~100 GHz无线电波在城市区域内直射路径的损耗模型[23]可知,自由空间损耗与载波频率成正相关。假设12分别代表高低频载波,则可计算高频点相对于3.5?GHz频点的路损差值为20×lg(1/2),如图5所示,其中26?GHz载波比3.5?GHz载波路损高20×lg(26/3.5)≈17.42?dB,即后者是前者理论传播距离的10^(17.42/22)≈6.19倍。

        在毫米波传播过程中,容易受到降雨、树丛遮挡以及其他遮挡物对电波的遮挡和吸收等影响,中国联通在毫米波外场测试中,对不同遮挡物、不同情况的毫米波穿透损耗进行测试,结果如表3所示。

        测试中可以看到,毫米波基本不具备传统混凝土承重墙的能力。本次外场没有进行雨雪等恶劣天气对于毫米波的影响测试,根据参考文献[18]对于毫米波雨衰的分析,降雨对毫米波影响很大,毫米波速率有较大下降。通过理论分析和实际测试,毫米波穿透损耗较6 GHz以下频段更高。

        3.4 大带宽通信能力

        5G毫米波的峰值速率与带宽、帧结构、支持的流数、调制阶数等因素有关。与5G低频类似,毫米波系统支持4流和8流的传输,以及64QAM256QAM调制方式。帧结构方面同样继承了5G低频的灵活性,在带宽方面毫米波系统具有极大的优势,可支持400?M800?M的带宽,具备超大带宽通信的能力。

        在毫米波外场测试中,在近点进行了毫米波小区峰值容量测试。其中,系统支持4流,采用帧结构DDDS,即三个连续的下行slot、一个特殊slot(配比为0:2:12)。表4给出了不同带宽的上下行峰值吞吐量:

        从外场测试结果可以看到,5G毫米波系统在800?MHz带宽情况下,小区下行峰值速率可以达到9.31?Gbit/s,上行峰值速率可以达到1.91?Gbit/s。

        除了对毫米波下行传输技术的研究,中国联通也提出基于5G毫米波的上行增强方案。在保证下行业务高传输速率的前提下,采用大上行时隙配比,比如采用DSUUU的帧结构配比方式,上行理论峰值容量将达9?Gbit/s,实际速率预计可以达到6?Gbit/s以上、单用户速率可达3?Gbit/s以上,可以实现提高整个网络上行容量的目的。

        4 5G毫米波部署场景分析

        从毫米波传播特性和覆盖能力考虑,5G毫米波适合部署在相对空旷无遮挡或少遮挡的园区环境。典型的部署场景如下:

        (1)5G品牌价值区

        从产业链成熟和网络部署进度角度考虑,国内5G毫米波系统商业部署时间点比6?GHz以下频段5G系统晚2年左右,预计届时5G 6?GHz以下频段系统已经完成大部分城市重点区域覆盖。所以毫米波在部署初期将与6?GHz以下频段的5G系统结合,形成5G系统高低频混合组网方式,用于重要品牌价值区域的覆盖,提升品牌价值,或者用于人流密集场所和热点区域的吸热,提供进一步的大容量上传能力。

        (2)大带宽回传场景

        毫米波可以作为无线回传链路,利用高达800?MHz带宽、10?Gbit/s的系统峰值速率,解决一些场景无法布放光纤或布放光纤代价过高的固定无线宽带场景?;蛘吆撩撞ㄗ曰卮橥桨福阂环矫婊疚斩颂峁┓?,一方面通过站间对打实现无线回传,这种方式可以作为无法布放光纤回传时的灵活解决方案。

        (3)园区专网

        5G毫米波系统与MEC、AI技术相结合,可以为覆盖区域提供“大容量高速率+本地化”的智能解决方案,满足行业客户低时延、大带宽、安全隔离的需求。

        5 5G毫米波技术发展建议

        5.1 尽快出台5G毫米波频谱规划

        在工信部无线电管理局发布的《2019年全国无线电管理工作要点》中,明确提出“适时发布5G系统部分毫米波频段频率使用规划,引导5G系统毫米波产业发展”。5G毫米波频谱规划有望在2019年出台。只有尽快明确国内毫米波频谱规划和划分,产业链特别是高频器件产业才可以有的放矢,5G毫米波产业才能尽快发展成熟。

        5.2 完善技术标准和测试方法

        应尽快完善毫米波系统的相关标准,明确毫米波系统射频OTA测试方法,满足对方向性指标、全向性指标和共址指标三类指标进行测试的要求。应尽快推进国内毫米波OTA射频测试,推动解决OTA测试中出现的测试环境、仪表器件和算法设计、测试效率、测试成本等多方面问题。在紧缩场等环境下保证指标测试方案的可行性、可靠性、准确性、低成本和高效率。

        在设备能力方面,毫米波系统应支持200?MHz、400?MHz单载波能力,应支持多载波聚合、总带宽800?MHz的能力。毫米波设备应支持64QAM256QAM调制方式,支持4流和8流数据传输。系统峰值传输速率应达到10?Gbit/s以上。5G毫米波频段系统需要具备较好的波束管理算法,包括控制信道和数据业务信道设计、波束选择、波束反馈、波束指示以及波束恢复等,保证UE在移动过程中的波束选择与波束跟踪,保证UE在遮挡情况下的波束切换与波束恢复能力。

        5.3 推动高频器件研发和整机测试进度

        器件方面,要求支持多种毫米波频段以及太赫兹频段,兼顾成本和性能。推动高频模拟器件与芯片在民用通信的器件材料工艺成熟度发展,汇聚产学研用力量,打造成熟的高频段射频器件与芯片产业链。

        6 结论

        本文从毫米波产业成熟度入手,分析毫米波关键技术和发展现状。在对毫米波设备进行测试摸底的基础上,根据毫米波系统特性提出5G毫米波部署场景建议。最后站在毫米波产业发展的角度,提出了加速出台频谱规划、加速标准化和高频器件发展的建议。


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