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物理定律給射頻工程師帶來(lái)了挑戰(zhàn)，迫使他們?cè)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/482291.html">毫米波系統(tǒng)設(shè)計(jì)中做出權(quán)衡。波束控制、頻率復(fù)用和更高的頻譜效率可以有所幫助。5G提供的數(shù)據(jù)速率超過(guò)2 Gb/sec，延遲低于5毫秒，具有高容量和網(wǎng)絡(luò)切片功能。這些進(jìn)步為進(jìn)一步提高頻譜效率、射頻覆蓋和接入網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了新的機(jī)遇。
如何實(shí)現(xiàn)呢？為了達(dá)到高容量，5G需要使用現(xiàn)有的C波段頻譜和毫米波頻段。毫米波信號(hào)面臨具有挑戰(zhàn)性的傳播條件，而大型天線陣列可以緩解這一問(wèn)題。天線陣列需要在每個(gè)輻射元件后配置射頻電路。
5G系統(tǒng)將部署混合接入點(diǎn)，甚至智能中繼來(lái)覆蓋用戶。這些接入點(diǎn)的架構(gòu)應(yīng)隨覆蓋區(qū)域而擴(kuò)展。例如，一個(gè)納米小區(qū)可能使用2×2天線陣列，而一個(gè)宏小區(qū)可能使用16×16陣列。在理想條件下，納米小區(qū)和宏小區(qū)接入點(diǎn)會(huì)在每個(gè)天線元件后使用相同的射頻組件。這樣的設(shè)計(jì)需要一種新穎的射頻架構(gòu)。
毫米波頻段
大多數(shù)蜂窩頻段在700 MHz至3.5 GHz之間運(yùn)行。這些頻段分配的帶寬通常不超過(guò)20 MHz，可以支持100 Mb/sec的數(shù)據(jù)傳輸速率。權(quán)衡之處在于較低頻率帶來(lái)的更大覆蓋范圍。為了實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬和更高的數(shù)據(jù)速率，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商使用24 GHz至30 GHz、37 GHz至40 GHz和52 GHz的毫米波頻率。這些毫米波頻率通常被稱為頻段2（FR2）。
毫米波頻段有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：
成本更低：許多毫米波頻段的獲取成本對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)較低。與低于1 GHz頻段的許可成本相比，這些頻段的每赫茲成本可能低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
盡管毫米波頻段提供了巨大的帶寬，但其傳播距離卻受到嚴(yán)重限制。因此，運(yùn)營(yíng)商使用混合的低頻和高頻頻段來(lái)獲得覆蓋和容量。例如，他們可以使用毫米波基站為校園、體育場(chǎng)或類似的熱點(diǎn)提供服務(wù)，并將其低頻段頻率用于覆蓋更廣泛的區(qū)域以分擔(dān)流量。
隨著無(wú)線電波的波長(zhǎng)變短，它更容易被物體、樹(shù)葉甚至大雨阻擋。信號(hào)穿透物體的能力取決于其波長(zhǎng)。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，寬度與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)奈矬w可以阻擋該射頻波。例如，在700 MHz時(shí)，波長(zhǎng)約為42厘米，而在30 GHz時(shí)，波長(zhǎng)僅為10毫米。樹(shù)葉的尺寸更接近10毫米而不是42厘米。因此，樹(shù)木會(huì)阻擋毫米波。
無(wú)線電波通過(guò)四種模式從發(fā)射器傳播到接收器：它們沿直線傳播（視距）、從建筑物反射、繞障礙物衍射或彎曲，以及從粗糙表面散射。當(dāng)發(fā)射信號(hào)傳播時(shí)，接收信號(hào)的幅度會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為衰落。測(cè)量結(jié)果顯示，另一方面，毫米波會(huì)被阻擋，并且經(jīng)歷的衍射、反射和散射要少得多。因此，毫米波射頻波被限制在視距（LOS）傳播。它們不會(huì)衰落，但會(huì)經(jīng)歷嚴(yán)重的路徑損耗。
當(dāng)毫米波信號(hào)沿視距路徑傳播時(shí)，它們會(huì)隨距離而損失功率，這稱為路徑損耗。例如，在900 MHz時(shí)，路徑損耗約為91 dB/km，但在28 GHz時(shí)可能達(dá)到121 dB/km。這30 dB的差異相當(dāng)于比900 MHz時(shí)多1000倍的損耗。此外，這些毫米波還會(huì)因樹(shù)葉、窗戶和雨水而進(jìn)一步衰減。一棵樹(shù)可以使信號(hào)衰減6 dB/km，而有色玻璃窗可以使發(fā)射信號(hào)衰減40 dB。幸運(yùn)的是，天線技術(shù)可以在這些頻率下減輕損耗。
天線陣列通過(guò)調(diào)整幅度和相位來(lái)在窄波束中輻射功率，這稱為波束成形或波束控制。窄波束最大限度地利用視距傳播，并消除來(lái)自物體的衍射、散射或反射。如果使用寬波束，輻射功率有更大的概率會(huì)撞擊建筑物并被阻擋，如圖1中的黃色波束所示（象征性地）。
圖1. 窄波束可能會(huì)避開(kāi)潛在的遮擋物，使其全部功率到達(dá)接收器。
天線在某一方向上的輻射功率集中程度稱為其方向性，由半功率波束寬度（HPBW）來(lái)定義。該值是在功率為峰值功率一半（比峰值低3分貝）時(shí)測(cè)量的波束寬度。MxN元天線陣列的半功率波束寬度與陣元數(shù)量和陣元間距成反比。因此，通過(guò)控制天線陣元的數(shù)量和間距，可以控制波束寬度和方向性。每個(gè)相控陣天線陣元都需要電子設(shè)備，如波束形成器、功率放大器（PA）和低噪聲放大器（LNA）等。因此，隨著天線陣元數(shù)量的增加，系統(tǒng)的成本也會(huì)增加。
容量和頻譜效率
容量可以定義為每兆赫每單位面積的數(shù)據(jù)速率。因此，為了獲得更高的容量，必須減小復(fù)用因子，并提高頻譜效率。
圖2展示了頻率復(fù)用的概念。用紅色“>”形狀和黃色箭頭標(biāo)記的扇區(qū)或小區(qū)說(shuō)明了相同頻率可以在多遠(yuǎn)的地方被重復(fù)使用。
圖2. 無(wú)線技術(shù)的每一代都伴隨著頻率復(fù)用模式的變化。
蜂窩通信的容量受限于下行鏈路（從基站到移動(dòng)設(shè)備的通信）上的干擾。通過(guò)距離來(lái)分隔頻率可以避免干擾。減輕或消除干擾可以通過(guò)在更近的間隔距離上復(fù)用頻率來(lái)提高容量。大規(guī)模MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)，通過(guò)使用多個(gè)天線和信號(hào)處理，允許更緊密地復(fù)用相同的信道以提高容量。
頻譜效率的提升（以比特/秒/赫茲為單位衡量）也會(huì)增加容量。在GSM（2G）中，頻譜效率為1.36比特/秒/赫茲，這意味著GSM可以在200千赫的信道中傳輸272千比特/秒的數(shù)據(jù)。3G使用16QAM調(diào)制，假設(shè)編碼率為3/4，則頻譜效率為3比特/秒/赫茲。5G使用64QAM，且編碼率大約為9/10，頻譜效率約為5.5比特/秒/赫茲。因此，在400兆赫的帶寬下，可以實(shí)現(xiàn)2.2吉比特/秒的速率。
頻譜效率決定了信道中的數(shù)據(jù)速率，而頻率復(fù)用則決定了網(wǎng)絡(luò)可以多少次復(fù)用該信道來(lái)容納用戶。
混合小區(qū)或接入點(diǎn)？
為了優(yōu)化覆蓋范圍和容量，運(yùn)營(yíng)商將使用混合小區(qū)。為了提供廣泛的覆蓋，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商將使用gNodeB（gNB，基站）來(lái)在一個(gè)區(qū)域內(nèi)為許多用戶提供服務(wù)。gNB的輻射功率高于小型小區(qū)。然而，為了覆蓋用戶眾多的熱點(diǎn)區(qū)域，如校園或體育場(chǎng)，網(wǎng)絡(luò)可以使用功率較低的小型小區(qū)。大范圍覆蓋區(qū)域可以使用C波段頻譜，而熱點(diǎn)區(qū)域可以使用毫米波頻譜。這為運(yùn)營(yíng)商提供了利用熱點(diǎn)來(lái)卸載大型小區(qū)的靈活性。因此，通過(guò)使用不同頻率波段上運(yùn)行的不同大小的小區(qū)，運(yùn)營(yíng)商可以優(yōu)化覆蓋范圍和容量。
圖3. 小區(qū)拆分和嵌套小區(qū)相比單一宏小區(qū)能帶來(lái)更高的容量。
圖3對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明。一個(gè)小區(qū)的天線模式覆蓋一個(gè)區(qū)域。每個(gè)小區(qū)可以依次拆分，使用更低高度的天線和更低的功率，以確保小區(qū)在頻率上不會(huì)重疊。如果它們確實(shí)重疊，則通過(guò)功率和干擾消除來(lái)進(jìn)行區(qū)分。通過(guò)拆分小區(qū)，運(yùn)營(yíng)商可以重用相同的頻率，從而實(shí)現(xiàn)頻率重用增益。在頻段之間拆分頻率可以減少干擾。
假設(shè)系統(tǒng)在宏小區(qū)中的5兆赫信道內(nèi)支持100個(gè)用戶。這個(gè)宏小區(qū)依次拆分成更小的小區(qū)，每次拆分都使用更少的功率。如果微小區(qū)支持40個(gè)用戶，微微小區(qū)支持10個(gè)用戶，而毫微微小區(qū)支持5個(gè)用戶，那么網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在支持135個(gè)用戶，而原先只能支持100個(gè)。這些用戶之間確實(shí)會(huì)相互干擾，但通過(guò)使用天線陣列（大規(guī)模MIMO）和先進(jìn)的信號(hào)處理，可以將用戶信號(hào)分離。
為了實(shí)現(xiàn)5G的最佳覆蓋，運(yùn)營(yíng)商越來(lái)越多地使用gNB、小型小區(qū)和智能中繼器的組合。這些接入點(diǎn)都使用天線陣列，從而增加了射頻芯片和產(chǎn)品的應(yīng)用機(jī)會(huì)。此外，5G毫米波技術(shù)為向住宅提供成本效益高的寬帶服務(wù)提供了機(jī)會(huì)，無(wú)需鋪設(shè)光纖。室外5G中繼器或小型小區(qū)可以向客戶駐地設(shè)備（CPE）傳輸2吉比特/秒的數(shù)據(jù)，CPE可以接收信號(hào)并在整個(gè)房屋內(nèi)重新分配。這樣的系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)速率可與當(dāng)前的光纖服務(wù)相媲美，同時(shí)還提供非常低的延遲。
射頻架構(gòu)
5G毫米波的射頻前端應(yīng)解決以下問(wèn)題：
- 使用大型天線陣列來(lái)克服傳播損耗并處理干擾消除。支持可擴(kuò)展的混合大小小區(qū)，以及寬操作頻率和干擾消除。
圖4展示了一個(gè)射頻架構(gòu)的示例，該架構(gòu)以三個(gè)集成電路（IC）構(gòu)建模塊的平鋪樹(shù)形式支持任意大小的天線陣列。第一個(gè)是波束形成器，包含移相器、開(kāi)關(guān)、功率放大器（PA）和低噪聲放大器（LNA），以驅(qū)動(dòng)例如4x4或8x8雙極化天線陣列。多個(gè)這樣的設(shè)備結(jié)合使用，根據(jù)需要驅(qū)動(dòng)多個(gè)天線陣元。該設(shè)備連接到第二個(gè)IC，第二個(gè)IC包含用于上變頻和下變頻的混頻器。單個(gè)混頻器芯片可以驅(qū)動(dòng)四個(gè)波束形成器芯片。最后一個(gè)IC是多頻段合成器，為混頻器提供精確的參考頻率。
圖4. 可擴(kuò)展的射頻架構(gòu)可以支持各種天線陣列尺寸。
決定性能的關(guān)鍵射頻參數(shù)包括功率放大器（PA）的輸出功率電平、低噪聲放大器（LNA）的噪聲系數(shù)、相位噪聲（抖動(dòng)）以及通過(guò)誤差向量幅度（EVM）測(cè)量的失真。在這三個(gè)芯片上優(yōu)化這些參數(shù)可以創(chuàng)建一個(gè)高性能系統(tǒng)，從而降低功耗和成本。例如，合成器必須具有低相位噪聲以最小化抖動(dòng)。然而，隨著頻率的增加，保持低相位噪聲所需的功率也會(huì)增加。如果合成器使用較低頻率來(lái)生成參考信號(hào)，并且混頻器具有片上頻率倍增器，則可以節(jié)省功率并生成具有低抖動(dòng)的準(zhǔn)確參考信號(hào)。
毫米波頻段將因其更寬的帶寬而越來(lái)越多地被用于滿足更高容量的需求。在許多國(guó)家，毫米波頻譜的價(jià)格也比低頻段頻譜更為實(shí)惠。然而，這些頻段的傳播條件具有挑戰(zhàn)性。為了解決這一重大問(wèn)題，可以使用天線陣列來(lái)增強(qiáng)覆蓋并減輕干擾。通過(guò)使用混合小區(qū)（gNB、小型小區(qū)甚至智能中繼器）來(lái)同時(shí)提高容量和覆蓋，這一技術(shù)有助于增加網(wǎng)絡(luò)容量。
