5G毫米波通信部署难点与待解决问题

5G 毫米波通信现状

移动通信经历过数十年和5个世代的发展，为社会带了巨大的变化，融入了人们生活的每个细节。现在，第5代移动通信(5G)在世界主要国家已经广泛部署，逐渐成为人们生活的主要通信方式。在5G 的部署方案中，第一次出现工作于毫米波频段的新方案，5G毫米波通信方案与Sub-6G的或2G～4G的部署方案具有显著不同的特点：一是毫米波通信链路采用全新的硬件架构;二是毫米波的应用基于解决新的通信瓶颈或为满足新的需求。

关于Sub-6G的部署方案，众所周知：基于算法优化的通信算法已经逼近香浓定律指示的极限;可使用频段非常有限，通信业界甚至采取退网2G、3G、4G以便获取5G通信频段的方式扩展Sub-6G的通信的容量;采取数字波束赋形算法获取系统容量提升需要付出足够高的算力资源和电力能源，单位比特成本效益和能耗效益的提升相对4G非常有限。Sub-6G的方案已经遇到难以克服的科学瓶颈和工程瓶颈。业界科学家、研究机构和产业公司将目光放到6GHz以上的频段，积极谋取频段授权和进行产业基础布局。

5G通信部署网络中出现的新的毫米波频段(FR2)通信方案已经在部分国家规模化商用，但相对Sub-6G的部署规模来说还非常小。5G毫米波通信网络相对Sub-6G通信网络具有几个新特性：更高的容量和速率;更低的延时;可构建绝对安全的物理信道;更高的理论的单比特成本效益和能耗效益;精准的物理定位和多功能感知应用;数十倍以上的可使用带宽(结合波束赋形等技术，毫米波载波系统相对Sub-6G可实现上千倍通信容量提升)等，在人们突破香浓定律预示的理论极限或工程上实现更高效率的算力芯片或更高性能的功率器件之前，采用毫米波网络构建移动通信可以满足未来十年甚至数十年人们对通信的需求。

5G毫米波通信部署难点与待解决问题

现在的5G毫米波的推广和部署为什么困难重重呢?了解到我国优先部署技术方案相对成熟和具有产业自主基础的Sub-6G网络，毫米波部署网络虽然已经开始发放商用牌照，但是进展相对较为缓慢;毫米波元器件产业相对较为发达的欧美、日韩已经开始规模化毫米波网络，但相对比重不到5G部署总量的1/2。由此不难推测，5G毫米波网络部署中面临着难题，即现已部署的毫米波网络跟理想中的毫米波网络具有显著的差距或在使用体验上需要做出巨大的改善。

我们简单的分析一下现在部署的毫米波网络的大致情况：5G毫米波移动终端主要采用高通公司的5G套片方案，业界主要的其他几家通信设备公司相继推出了支持毫米波通信的基带芯片，但是在毫米波通信终端AIP模块上还在继续改进和优化，努力探索新方案;在5G基站领域，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相控阵单元的有源天线阵列，而支持毫米波链路的射频元器件多采用Si CMOS和GeSi BiCMOS器件工艺制作，具备典型的射频、数模混合集成电路的特点。基于Si CMOS或GeSi BiCMOS的毫米波芯片在射频(毫米波频段)性能至关重要的几个参数上，相对化合物基毫米波芯片不占据优势：例如接收链路的噪声系数和线性动态范围、发射链路的输出功率和效率以及频率源的相位噪声等(毫米波链路示意图如图.2)。

图.2 5G毫米波链路辐射示意图

在无线通信中，可以用几个关键的参数指标来衡量通信设备的硬件性能：信号辐射范围、信道误码率、信号链接稳定性。(如图.1)信号辐射范围或信号辐射距离由信号的发射端发射功率以及接收端链路的接收灵敏度和路径传播损耗共同决定。举一个简单的例子来说明：在传输距离不变、发射端和接收端天线增益不变的前提下，接收链路的噪声系数降低3 dB,相应的发射端发射功率可以降低约3 dB。假设基站发射天线的能耗效率不变，采用化合物芯片的终端可使基站发射天线降低约一半的功耗。由此计算出数百万或数千万的基站部署数量时，能耗降低一半这种优势表现为显著的利于节能和降低对电力能源的需求，基站设备的供电设备和设备的成本压力也将极大的改善。目前，行业各大公司提供的Si CMOS或GeSi BiCMOS的毫米波芯片单通道输出功率为10～20 dBm，接收噪声4.5～6.5dB,(在TR集成下，Si/GeSi基芯片发射与接收性能难以兼顾，)大多采用256～1024单元阵列规模，毫米波通信基站有源阵列天线性能的提高需更大规模数量的芯片和天线单元，实际表现为设备性能提升比率将逐步降低，而成本提升比率将逐步提高。同时，大尺寸天线或AAU设备在部署和维护的成本相对较高，由此引起的外观美化、设备稳定度都有所下降。

另外，采用Si/GeSi基毫米波芯片的毫米波基站天线阵列需要数百个天线阵子，以便得到较高的阵列天线增益;但从另一个角度看，这种规模的天线阵列的辐射波束角较为狭窄，在基站部署辐射范围约50-300米的辐射范围内，每一个波束覆盖的有效区域非常小，基站与用户的相互确认过程(波束对准和身份识别)需要耗费较大的时间，相应的链接稳定性将随着用户的移动速率的提高迅速变差，毫米波通信的速率优势难以发挥。

如果毫米波芯片能够提高发射功率和降低接收噪声系数，毫米波基站的辐射效率和基站与用户的链接稳定性将会得到极大的改善，同时有利于降低能耗。

代表着高性能的GaAs/GaN毫米波芯片的性能几乎可以接近理想的满足设备的性能期望值，但是现有行业的化合物基毫米波芯片的尺寸与成本是行业认为的难以接收的门槛。例如，一个完整的支持波束赋性的收发前端(包括：收发开关、功率放大器、低噪声放大器、幅相控制器)，如果采用Si CMOS 或GeSi BiCMOS的工艺，大概尺寸可以做到1.5～5.0 mm²,而采用化合物工艺的尺寸大约在8～30 mm²(在此，我们先忽略尺寸与性能的关系);另外，Si CMOS或GeSi BiCMOS的功能集成度相对化合物工艺有着显著的优势;再者，单位成本角度看，化合物芯片的单位成本是Si或GeSi的数倍。从毫米波天线阵列的角度看，如果我们简单的进行一下思考：一个收发链路对应一个天线单元，那么毫米波芯片必须满足毫米波阵列天线中天线间距的要求。以5G通信采用的中心频率26GHz的频段为例，半波长的天线间距大约为5.5um,现有的商用化合物芯片在尺寸上很难满足或满足不了(瓦片式方案)要求。综合的看，目前业界普遍将毫米波通信所采用的元器件的突破或选型方案放在Si或GeSi 工艺的芯片方案上，体现了行业中先做出来后优化的思路，多数的毫米波芯片都不断寻求优化方案。但从本质上来讲，半导体材料决定了对应毫米波芯片性能的上限，电路上能提升性能但较为有限。

从现实角度看，行业倾向选择了现有较为可行的Si或GeSi基工艺方案作为主流商用方案，即主流基站方案选择了性能较为优异的GeSi基BiCMOS工艺路线，移动终端选择了Si基CMOS工艺路线。不过非常可惜的是，已部署的5G毫米波网络目前体验感需要提升、部署成本需要降低，经济效益较Sub-6G方案没有体现理论上应该具备的优势。如果选择Si或GeSi基方案继续前行，将在使用体验上充满阻力，在经济效益指标上面临压力。

审核编辑：汤梓红