隨著日趨增長的數據流量需求，毫米波憑借獨特優勢在通信領域高歌猛進，毫米波擁有更為豐富的頻譜資源，這對進一步提升5G連接速度，充分釋放5G應用的潛能至關重要。所以一直以來產業界都很明確毫米波就是5G通信技術的演進方向。今天主要跟大家分享一下毫米波通信的一些主要用例、毫米波基站系統的架構和技術、波束成形器的技術以及所需的發射功率如何影響系統前端的技術選擇幾個方面的內容，幫助大家了解5G毫米波無線電的射頻的技術演進過程。

當我們開發技術時，了解技術最終將如何部署是至關重要的。在所有的工程練習中，都需要權衡取舍，有了更多的洞察力，創造性的創新可能會出現。在下圖中，我們可以看到在 28 GHz 和 39 GHz 頻譜中探索的兩種常見場景。

a 說明了一個固定無線接入 （FWA） 用例，我們正嘗試向郊區環境中的家庭提供高帶寬數據。在這種情況下，基站將位于電線桿或塔上，并且需要覆蓋大面積以產生積極的商業案例。在初始部署中，我們假設覆蓋范圍是室外到室外，因此客戶駐地設備 （CPE） 安裝在室外，并且可以設計鏈路以確保最佳的空中連接。鑒于天線朝下且用戶固定，我們可能不需要大量的垂直轉向范圍，但發射功率可能相當高，超過 65 dBm EIRP 以最大化覆蓋范圍并利用現有基礎設施。在b 中，我們展示了一個密集的城市場景，其中基站將安裝在建筑物屋頂或立面的地面以下，未來可能會演變為路燈或其他街道水平的安裝。在任何情況下，這種類型的基站都需要垂直掃描能力，以在整個建筑物立面上傳送信號，并最終隨著移動設備的出現而傳送到地面上的移動或游牧用戶（行人和車輛）。在這種情況下，傳輸功率可能不需要像郊區那樣高，盡管低輻射玻璃已被證明是室外到室內滲透的問題。如圖所示，我們將需要在水平軸和垂直軸上的光束掃描范圍中具有更大的靈活性。

現在讓我們考慮一個實際例子并推導出一個簡單的鏈路預算來說明毫米波基站的發射功率要求，如表中所示。與蜂窩頻率相比的額外路徑損耗是毫米波要克服的主要障礙頻率，但阻塞（建筑物、樹葉、人等）是另一個需要考慮的主要因素。近年來，有大量關于毫米波頻率傳播的工作報道，文章“第五代 （5G） 無線網絡毫米波通信概述 - 重點關注傳播模型”中提供了一個很好的概述。2討論和比較了幾個模型，說明了路徑損耗對環境的依賴性，以及視線 （LOS） 場景與非視線 （NLOS） 場景的比較。一般而言，考慮到所需的覆蓋范圍和地形，固定無線部署應考慮 NLOS 方案。在我們的示例中，我們考慮在郊區部署中具有 200 m 范圍的基站。這里我們假設基于 NLOS 室外到室外鏈路的路徑損耗為 135 dB。如果我們試圖從室外穿透到室內，那么路徑損耗可能會高出 30 dB。相反，如果我們假設 LOS 模型，則路徑損耗可能約為 110 dB。在這種情況下，我們假設基站中有 256 個元素，CPE 中有 64 個元素。在這兩種情況下，輸出功率都可以通過硅實現來滿足。假設鏈路是非對稱的，這可以減輕上行鏈路預算。在這種情況下，平均鏈路質量應該允許下行鏈路中的 64 QAM 操作和上行鏈路中的 16 QAM 操作。如果需要，可以通過增加 CPE 的發射功率來改善上行鏈路，直至達到法定的區域限制。如果將鏈路延伸到 500 m，路徑損耗將增加到大約 150 dB。這是可行的，但它會使上行和下行的無線電更加復雜，并且功耗會急劇增加。

毫米波波束成形現在讓我們考慮波束成形的各種方法：模擬、數字和混合，如圖所示。我相信我們都熟悉模擬波束成形的概念，因為該主題近年來在文獻中非常流行。在這里，我們有數據轉換器將數字信號轉換為寬帶基帶或 IF 信號，并連接執行上變頻和下變頻過程的無線電收發器。在 RF（例如，28 GHz）下，我們將單個 RF 路徑拆分為多個路徑，在這些路徑中我們通過控制每個路徑的相位來執行波束成形，以便在遠場中朝著預期用戶的方向形成波束。這使得每個數據路徑可以控制單個波束，因此理論上我們可以使用這種架構一次為一個用戶提供服務。

數字波束成形器正是它聽起來的樣子。相移完全在數字電路中實現，然后通過收發器陣列饋送到天線陣列。簡單地說，每個無線電收發器都連接到單個天線元件，但實際上每個無線電可能有多個天線元件，具體取決于所需的扇區形狀。目前，報告的系統在實踐中支持 2 到 8 個數字流，可用于同時支持單個用戶，讓我們更深入地研究模擬波束成形器的技術選擇，混合波束成形器的構建塊如圖 3 所示。為了此處的處理，我們將模擬波束成形系統分為三個塊：數字、位-到毫米波和波束形成器。這不是實際系統的劃分方式，因為我們會將所有毫米波組件靠近放置以減少損耗，但這種劃分的原因很快就會變得顯而易見。

模擬波束成形系統框圖

波束成形器功能受許多因素驅動，包括分段形狀和范圍、功率水平、路徑損耗、熱約束等，并且是毫米波系統中需要隨著行業學習和成熟而具有一定靈活性的部分。即便如此，仍然需要各種發射功率級別來解決從小型蜂窩到宏的部署場景。

圖中所需的發射機功率、天線尺寸和 EIRP 為 60 dBm 的天線的半導體技術選擇之間的關系。現在讓我們從不同的角度來研究這個問題。60 dBm EIRP 是 FWA 常用的 EIRP 目標，但該數字可以更高或更低，具體取決于所需的基站覆蓋范圍和周圍環境。考慮到部署場景的高度變化，無論該區域是樹木繁茂，還是由街道峽谷組成，還是廣闊的空地，都會有很大范圍的路徑損耗需要根據具體情況進行處理。例如，在假設 LOS 的密集城市部署中，EIRP 目標可能低至 50 dBm。FCC 對設備類別3，6有定義和發布的規范以及傳輸功率限制，這里我們遵循基站的 3GPP 術語。如圖所示，設備類別或多或少決定了功率放大器的技術選擇。雖然不是一門精確的科學，但我們可以看到移動用戶設備（手機）非常適合 CMOS 技術，并且相對較少的天線數量可以實現所需的發射機功率。這種類型的無線電需要高度集成和節能，以滿足便攜式設備的需求。局域基站（小基站）和消費端設備（可移動電源）具有相似的要求，涵蓋了從發射器功率要求低端的 CMOS 到高端的 SiGe BiCMOS 的一系列技術。中距離基站非常適合 SiGe BiCMOS 技術，以實現緊湊的外形。在高端，對于廣域基站，可以應用一系列技術，這歸結為天線尺寸和技術成本的權衡。雖然 SiGe BiCMOS 可應用于 60 dBm EIRP 范圍，但 GaAs 或 GaN 功率放大器對于更高功率更實用。

圖適用于基于發射器功率的各種毫米波無線電外形的技術。正如“5G 毫米波無線電的架構和技術”演講中所述，設計人員面臨的主要挑戰之一是提高毫米波功率放大器的直流電源效率。隨著新技術和 PA 架構的出現，上述曲線將發生變化，大功率基站將采用更高集成度的結構。演講“對近期高效 cmWave 5G 線性功率放大器設計的簡短調查”對PA 技術的進步進行了很好的概述。

現在讓我們更詳細地討論比特到毫米波無線電，并探討系統這一部分中的挑戰。以高保真度將比特轉換為毫米波并返回以支持高階調制技術（例如 64 QAM 以及可能在未來系統中高達 256 QAM），這一點至關重要。這些新無線電的主要挑戰之一是帶寬。5G 毫米波無線電名義上必須處理 1 GHz 或可能更高的帶寬，具體取決于實際中頻譜的分配方式。雖然 28 GHz 時的 1 GHz 帶寬是相對較低的 （3.5%） 帶寬，但在 3 GHz 中頻時的相同帶寬對于設計來說更具挑戰性，并且需要一些前沿技術來實現高性能設計。圖 6 舉例說明了基于射頻和混合信號產品組合的組件的高性能比特到毫米波無線電的框圖示例。該信號鏈已被證明支持 28 GHz 的連續 8× 100 MHz NR 載波，并具有出色的誤差矢量幅度 （EVM） 性能。

寬帶比特到毫米波無線電的框圖

近年來，毫米波無線電取得了巨大進步，不斷發展的生態系統和新興用例要求波束成形前端具有一定的靈活性，但正如所討論的，有適合近天線設計的技術和方法可供選擇。無線電的寬帶特性（比特到毫米波）需要尖端技術，但基于硅的技術正在迅速發展以滿足混合信號和小信號領域的要求。隨著 5G 生態系統的不斷發展，5G毫米波無線電技術將會綻放更多精彩。