5G 毫米波通信現狀
移動通信經歷過數十年和5個世代的發展,為社會帶了巨大的變化,融入了人們生活的每個細節。現在,第5代移動通信(5G)在世界主要國家已經廣泛部署,逐漸成為人們生活的主要通信方式。在5G 的部署方案中,第一次出現工作于毫米波頻段的新方案,5G毫米波通信方案與Sub-6G的或2G~4G的部署方案具有顯著不同的特點:一是毫米波通信鏈路采用全新的硬件架構;二是毫米波的應用基于解決新的通信瓶頸或為滿足新的需求。
關于Sub-6G的部署方案,眾所周知:基于算法優化的通信算法已經逼近香濃定律指示的極限;可使用頻段非常有限,通信業界甚至采取退網2G、3G、4G以便獲取5G通信頻段的方式擴展Sub-6G的通信的容量;采取數字波束賦形算法獲取系統容量提升需要付出足夠高的算力資源和電力能源,單位比特成本效益和能耗效益的提升相對4G非常有限。Sub-6G的方案已經遇到難以克服的科學瓶頸和工程瓶頸。業界科學家、研究機構和產業公司將目光放到6GHz以上的頻段,積極謀取頻段授權和進行產業基礎布局。
5G通信部署網絡中出現的新的毫米波頻段(FR2)通信方案已經在部分國家規?;逃?,但相對Sub-6G的部署規模來說還非常小。5G毫米波通信網絡相對Sub-6G通信網絡具有幾個新特性:更高的容量和速率;更低的延時;可構建絕對安全的物理信道;更高的理論的單比特成本效益和能耗效益;精準的物理定位和多功能感知應用;數十倍以上的可使用帶寬(結合波束賦形等技術,毫米波載波系統相對Sub-6G可實現上千倍通信容量提升)等,在人們突破香濃定律預示的理論極限或工程上實現更高效率的算力芯片或更高性能的功率器件之前,采用毫米波網絡構建移動通信可以滿足未來十年甚至數十年人們對通信的需求。
5G毫米波通信部署難點與待解決問題
現在的5G毫米波的推廣和部署為什么困難重重呢?了解到我國優先部署技術方案相對成熟和具有產業自主基礎的Sub-6G網絡,毫米波部署網絡雖然已經開始發放商用牌照,但是進展相對較為緩慢;毫米波元器件產業相對較為發達的歐美、日韓已經開始規?;撩撞ňW絡,但相對比重不到5G部署總量的1/2。由此不難推測,5G毫米波網絡部署中面臨著難題,即現已部署的毫米波網絡跟理想中的毫米波網絡具有顯著的差距或在使用體驗上需要做出巨大的改善。
我們簡單的分析一下現在部署的毫米波網絡的大致情況:5G毫米波移動終端主要采用高通公司的5G套片方案,業界主要的其他幾家通信設備公司相繼推出了支持毫米波通信的基帶芯片,但是在毫米波通信終端AIP模塊上還在繼續改進和優化,努力探索新方案;在5G基站領域,世界各大公司都推出了商用的毫米波基站方案,大多采用了256~1024相控陣單元的有源天線陣列,而支持毫米波鏈路的射頻元器件多采用Si CMOS和GeSi BiCMOS器件工藝制作,具備典型的射頻、數?;旌?a href="http://www.1cnz.cn/v/tag/123/" target="_blank">集成電路的特點。基于Si CMOS或GeSi BiCMOS的毫米波芯片在射頻(毫米波頻段)性能至關重要的幾個參數上,相對化合物基毫米波芯片不占據優勢:例如接收鏈路的噪聲系數和線性動態范圍、發射鏈路的輸出功率和效率以及頻率源的相位噪聲等(毫米波鏈路示意圖如圖.2)。
圖.2 5G毫米波鏈路輻射示意圖
在無線通信中,可以用幾個關鍵的參數指標來衡量通信設備的硬件性能:信號輻射范圍、信道誤碼率、信號鏈接穩定性。(如圖.1)信號輻射范圍或信號輻射距離由信號的發射端發射功率以及接收端鏈路的接收靈敏度和路徑傳播損耗共同決定。舉一個簡單的例子來說明:在傳輸距離不變、發射端和接收端天線增益不變的前提下,接收鏈路的噪聲系數降低3 dB,相應的發射端發射功率可以降低約3 dB。假設基站發射天線的能耗效率不變,采用化合物芯片的終端可使基站發射天線降低約一半的功耗。由此計算出數百萬或數千萬的基站部署數量時,能耗降低一半這種優勢表現為顯著的利于節能和降低對電力能源的需求,基站設備的供電設備和設備的成本壓力也將極大的改善。目前,行業各大公司提供的Si CMOS或GeSi BiCMOS的毫米波芯片單通道輸出功率為10~20 dBm,接收噪聲4.5~6.5dB,(在TR集成下,Si/GeSi基芯片發射與接收性能難以兼顧,)大多采用256~1024單元陣列規模,毫米波通信基站有源陣列天線性能的提高需更大規模數量的芯片和天線單元,實際表現為設備性能提升比率將逐步降低,而成本提升比率將逐步提高。同時,大尺寸天線或AAU設備在部署和維護的成本相對較高,由此引起的外觀美化、設備穩定度都有所下降。
另外,采用Si/GeSi基毫米波芯片的毫米波基站天線陣列需要數百個天線陣子,以便得到較高的陣列天線增益;但從另一個角度看,這種規模的天線陣列的輻射波束角較為狹窄,在基站部署輻射范圍約50-300米的輻射范圍內,每一個波束覆蓋的有效區域非常小,基站與用戶的相互確認過程(波束對準和身份識別)需要耗費較大的時間,相應的鏈接穩定性將隨著用戶的移動速率的提高迅速變差,毫米波通信的速率優勢難以發揮。
如果毫米波芯片能夠提高發射功率和降低接收噪聲系數,毫米波基站的輻射效率和基站與用戶的鏈接穩定性將會得到極大的改善,同時有利于降低能耗。
代表著高性能的GaAs/GaN毫米波芯片的性能幾乎可以接近理想的滿足設備的性能期望值,但是現有行業的化合物基毫米波芯片的尺寸與成本是行業認為的難以接收的門檻。例如,一個完整的支持波束賦性的收發前端(包括:收發開關、功率放大器、低噪聲放大器、幅相控制器),如果采用Si CMOS 或GeSi BiCMOS的工藝,大概尺寸可以做到1.5~5.0 mm2,而采用化合物工藝的尺寸大約在8~30 mm2(在此,我們先忽略尺寸與性能的關系);另外,Si CMOS或GeSi BiCMOS的功能集成度相對化合物工藝有著顯著的優勢;再者,單位成本角度看,化合物芯片的單位成本是Si或GeSi的數倍。從毫米波天線陣列的角度看,如果我們簡單的進行一下思考:一個收發鏈路對應一個天線單元,那么毫米波芯片必須滿足毫米波陣列天線中天線間距的要求。以5G通信采用的中心頻率26GHz的頻段為例,半波長的天線間距大約為5.5um,現有的商用化合物芯片在尺寸上很難滿足或滿足不了(瓦片式方案)要求。綜合的看,目前業界普遍將毫米波通信所采用的元器件的突破或選型方案放在Si或GeSi 工藝的芯片方案上,體現了行業中先做出來后優化的思路,多數的毫米波芯片都不斷尋求優化方案。但從本質上來講,半導體材料決定了對應毫米波芯片性能的上限,電路上能提升性能但較為有限。
從現實角度看,行業傾向選擇了現有較為可行的Si或GeSi基工藝方案作為主流商用方案,即主流基站方案選擇了性能較為優異的GeSi基BiCMOS工藝路線,移動終端選擇了Si基CMOS工藝路線。不過非常可惜的是,已部署的5G毫米波網絡目前體驗感需要提升、部署成本需要降低,經濟效益較Sub-6G方案沒有體現理論上應該具備的優勢。如果選擇Si或GeSi基方案繼續前行,將在使用體驗上充滿阻力,在經濟效益指標上面臨壓力。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:5G毫米波通信部署難點與待解決問題
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