随着世界标准化机构着手定义下一代无线网络,5G的愿景正在迫使研究人员改变他们的思考方式。增加4G网络的频谱效率并不足以提供三个高级5G用例所的数据速率、延迟和容量(图1),这三个用例由3GPP定义,期望未来能够提供无处不在的瞬间移动宽带数据。增强型移动宽带(eMBB)用例由IMT-2020定义,该用例设想了一个超过10Gbps的峰值数据速率,是4G网络的100倍。经实践证明,数据速率与可用频谱直接相关,而根据香农定理,容量是带宽(即频谱)和信道噪声的函数。低于6GHz的频谱已经分配殆尽,而6GHz以上的频谱,特别是毫米波频率已经成为一个非常有前景的替代方案来实现eMBB用例。但是,哪些毫米波频率会被采用呢?


 


 

频谱选项

     国际电信联盟(ITU)和3GPP在关于5G标准两个研究阶段的计划上已经达成了一致。第一阶段主要研究低于40GHz的频率,致力于在2018年9月之前解决一些更紧迫的商业需求;第二阶段从2018年开始,到2019年12月,致力于解决IMT-2020提出的关键绩效指标。第二阶段的焦点是高达100GHz的频率。



 为了在毫米波频率标准化上达成全球一致,ITU在去年11月举行的世界无线电通信大会(WRC-15)上公布了一个拟定的24GHz~86GHz范围内的全球可行频率列表,如表1所示。国际电联发布该提案不久,美国联邦通信委员会(FCC)于2015年10月21日发布了一条规则制定建议通知(NPRM),推荐了28GHz、37GHz、39GHz和64-71GHz频段的新灵活服务规则(如图2所示)。


 

尽管ITU、3GPP等标准机构将2020年定为对5G标准进行定义的最后期限,但移动运营商正在加快5G服务的时间进度。在美国,Verizon和AT&T计划在2017年对5G的早期版本进行测试。韩国打算在2018年的冬奥会上进行5G试验,而日本则想要在2020年的东京奥运会上展示5G技术。经过各方组织的努力和推动,目前最有可能用于5G的候选频率包括:28GHz、39GHz和73GHz。

     这三个频段的提出有以下几个原因。首先,60GHz的频率由于氧吸收的原因会产生大约20dB/km的衰减,与60GHz不同的是,这些频率的氧吸收率低得多。这使其有可能适用于长距离通信。这些频率在多径环境下也能可靠运行,可用于非视距(NLoS)通信。通过将波束赋形和波束跟踪与高度定向天线结合,毫米波可以提供可靠且非常安全的链路。纽约大学工程学院的Ted Rappaport博士和他的学生已经开始了28GHz、39GHz和73GHz信道特性和潜在性能的研究。他们已经发表了多篇关于传播测量的论文以及这些频率的可能服务中断研究。这些频率的数据和研究结合全球频谱的可用性,使这三个频率成为毫米波原型验证的起点。

     服务供应商都渴望获得这些大量未分配的毫米波频谱,他们是决定5G使用哪些频率的关键力量。在日本,NTTDoCoMo与诺基亚、三星、爱立信、华为和富士通合作,对28GHz以及其它频率进行现场测试。2015年2月,三星进行了信道测量,并证明了28GHz是蜂窝通信的一个可行频率。这些测量验证了城市环境中的预期路径衰减:非视距链路的路径衰减指数是3.53。三星表示,该数据表明毫米波通信链路可以支持超过200米的距离。其研究还包括相控阵天线方面的工作。三星已经开始对可能适合手机相控阵列的设计进行特性分析。 

     2015年9月,Verizon公司宣布将在2016年与三星等重要合作伙伴开展现场试验。2015年11月,高通使用128根天线在28GHz频率下进行实验,演示密集城市环境下的毫米波技术。它展示了定向波束赋形在非视距通信中的应用。随着FCC宣布28GHz可用于移动通信,预计美国将进行更深入的实验和现场试验。Verizon公司还与XO Communications签订了28GHz频谱租赁协议,可在2018年年底前购买该频谱。

     但是请注意,28GHz频带并不包含在国际电联的全球可行频率列表中。它是否将成为5G毫米波应用的长期频率选择仍有待确定。无论全球标准如何制定,美国、韩国、日本的频谱可用性,以及美国服务提供商对早期现场试验的承诺有可能将28GHz引入到美国移动技术中。在标准机构最终确定5G标准之前,韩国希望在2018年冬奥会上展示5G技术的愿望也将会推动28GHz应用到消费产品中。事实上,该频率并没有因为不在国际移动通信(IMT)频谱名单上而被忽视,反而引起了FCC的注意。

     2016年7月14日,全体委员一致投票赞成开放近11GHz高频频谱用于灵活、移动和固定无线宽带的规则,其中包括3.85GHz需许可的频谱和7GHz免许可频谱。这些规则还在28GHz (27.5-28.35GHz)、37GHz (37-38.6GHz)和39GHz (38.6-40GHz)频段,以及一个新的免许可频段64-71GHz推出一项新的超高微波灵活应用(Upper MicrowaveFlexible Use)服务。

     虽然28GHz可能不会在全球范围内用于移动通信,但美国正在积极地朝这个方向前进。


原型验证推动毫米波研究的进展

    尽管5G广泛采用28GHz频率可能还需要很长的时间,但就目前来说,该频率显然非常重要。过去几年的移动通信主要专注于73GHz(E频段)。诺基亚使用纽约大学在73GHz下的信道测量结果,开始其对该频率的研究。在2014年NI公司的年度用户大会NIWeek上,诺基亚使用NI原型硬件演示了第一个在73GHz下工作的无线demo。该公司将持续改进这个原型,并向公众展示这些最新的成就。在2015年世界移动通信大会(MWC)上,该原型系统使用透镜天线和波束跟踪,实现了超过2Gbps数据吞吐量。诺基亚在2015年布鲁克林5G峰会上展示了该系统的MIMO版本,其运行速率超过10Gbps,而且在之后不到一年的时间里,诺基亚又在2016年的MWC展示了一个超过14Gbps的双向无线链路诺基亚并不是唯一一家在MWC2016上展示73GHz demo的公司,华为也展示了一个与德国电信合作开发的73GHz工作原型。该demo采用多用户MIMO机制,展示了高频谱利用率以及可为个人用户提供超过20Gbps吞吐量的潜力。

     未来几年预期会有更多关于73GHz的研究。该频率不同于28GHz和39GHz的一个重要特性是可用的连续带宽很高(大于2GHz),这是目前提出的最宽的频谱。通过比较,28GHz提供了850MHz的带宽,在美国,39GHz附近的两个频带提供了1.6GHz和1.4GHz带宽。我们前面说过,更高的带宽意味着更高的数据吞吐量,这使得73GHz在这一方面比其他频率更有优势。

     39GHz频带正在研究当中,但尚未得到公众的大量支持和关注。但是,该频段具有的部分特性使其可能成为一个折中的选择来获得广泛应用。FCC提议将39GHz作为可能的移动频率。Verizon公司在专注于2017年的28GHz首次现场试验的同时,已经通过其与XO Communications的业务关系开始研究39GHz,XOCommunications已经拥有39GHz的实质许可证。但是,公众对28GHz和73GHz的支持和研究显然比对其它频率的更为明显。

    为了利用毫米波来实现5G网络,研究人员必须开发新的技术、算法和通信协议,因为毫米波信道的基本性质与当前的蜂窝模式截然不同,并且是相对未知的。建立毫米波原型的重要性再怎么强调都不过分,尤其是在时间如此紧迫的情况下。建立毫米波系统原型可通过某种方式展示某个技术或概念的可行性,这是通过仿真无法实现的(如图3所示)。毫米波原型可在各种场景下通过无线方式进行实时通信,这揭开了毫米波信道的本质,为创新、技术的采用和普及提供了可能性。

 


 

挑战   

     毫米波用于移动通信给工程师带来了诸多挑战,包括商用现成硅芯片的可用性、模拟组件以及其它用于开发系统的元素构建块。这阻碍了该技术的商业化。设想一个能够处理多千兆赫兹信号的基带子系统。当今大多数的LTE方案通常使用10MHz的信道(最大20MHz),并且计算负荷随着带宽的增加而线性增加。换句话说,计算能力必须以100倍甚至更多的倍数增加才能解决5G数据速率需求。如果要执行基础设施的毫米波系统物理层计算,FPGA将是开发实时原型的关键技术。毕竟,推动毫米波技术发展的驱动力是大量连续带宽。

    除了FPGA板卡,毫米波原型系统还需要最先进的DAC和ADC来捕获高达2GHz的连续带宽。目前市场上的一些射频集成电路包含了可将基带和毫米波频率相互转换的芯片,但选择非常有限,而且大部分覆盖免许可的60GHz频带。工程师们可以使用IF和RF级来替代RFIC。开发出基带和IF解决方案后,工程师可以选择由供应商提供的毫米波射频头,而不需要自己开发RFIC,但这样的产品仍然不是很多。开发毫米波射频头需要射频和微波设计的专业知识。这与开发FPGA板卡完全不同,因为开发所有必需的硬件需要一个具备不同专业知识的团队。在开发毫米波基带原型系统时,FPGA必须作为核心组件进行考虑,而且给能够处理数千兆赫兹信道的多FPGA系统编程会增加系统复杂性。


毫米波势在必行

    尽管5G的未来尚不明朗,但毫米波无疑将成为定义5G的关键技术。我们需要24GHz以上的大量连续带宽才能满足数据吞吐率要求,研究人员已经通过原型来展示毫米波技术可以提供超过14Gbps的数据速率。尽管全球频谱分配仍然存在许多问题,但美国正毫不犹豫地朝着28、37和39GHz方向前进。