5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)研究和發(fā)展建議

張忠皓　李福昌　高帥　延凱悅　馬靜艷

【摘? 要】毫米波技術(shù)是5G系統(tǒng)滿足大帶寬需求的重要手段。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求角度介紹毫米波標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀，系統(tǒng)地分析5G毫米波大規(guī)模天線、波束管理、傳播特性等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合毫米波關(guān)鍵技術(shù)的分析，給出了5G毫米波應(yīng)用主要場(chǎng)景和5G毫米波技術(shù)發(fā)展建議。

【關(guān)鍵詞】毫米波;大規(guī)模天線;波束管理

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.004? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）09-0018-06

引用格式：張忠皓，李福昌，高帥，等. 5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)研究和發(fā)展建議[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（9）： 18-23.

Research on Key Technologies and Development Suggestions of 5G Millimeter-wave

Mobile Communication System

ZHANG Zhonghao， LI Fuchang， GAO Shuai， YAN Kaiyue， MA Jingyan

（China Unicom Network technology research institute， Beijing 100048， China）

[Abstract]

Millimeter wave technology is an important means for 5G system to meet the demand of large bandwidth. The millimeter-wave standardization and the current Status of industrial chains are introduced from the perspective of industrial development requirements. The key technologies such as 5G millimeter-wave large-scale antenna， beam management and propagation characteristics are systematically analyzed. Based on the analysis of millimeter-wave key technologies， the main 5G millimeter-wave application scenarios and the development suggestions of 5G millimeter-wave technologies are presented.

[Key words]millimeter-wave; large-scale antenna; beam management

1? ?引言

按照ITU-R WP5D M.2083報(bào)告定義的系統(tǒng)需求，5G將支持至少100 Mbit/s～1 Gbit/s的邊緣用戶體驗(yàn)速率，10 Gbit/s～20 Gbit/s的系統(tǒng)峰值速率。但是，6 GHz以下頻率資源匱乏，很難找到連續(xù)的大帶寬滿足5G系統(tǒng)需求，毫米波開(kāi)始成為移動(dòng)通信發(fā)展的重要研究方向[1-6]，第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）已經(jīng)將毫米波作為3GPP 5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的必要組成部分[7-8]，國(guó)內(nèi)IMT-2020已經(jīng)成立毫米波工作組并已經(jīng)開(kāi)展毫米波相關(guān)研究和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

毫米波一般是指波長(zhǎng)1 ms至10 ms、頻率30 GHz至300 GHz的電磁波。相較于低頻段，毫米波頻段有豐富的帶寬資源，可以構(gòu)建高達(dá)800 MHz的超大帶寬通信系統(tǒng)，通信速率高達(dá)10 Gbit/s，可以滿足ITU對(duì)于5G通信系統(tǒng)的要求。雖然運(yùn)營(yíng)商和行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始從系統(tǒng)應(yīng)用角度考慮5G毫米波部署和應(yīng)用問(wèn)題[9-11]，但是5G毫米波移動(dòng)通信系統(tǒng)的落地應(yīng)用還有很多問(wèn)題有待解決和進(jìn)一步完善[12]，如高頻器件性能[13]、電磁兼容問(wèn)題[14]、波束賦形和波束管理算法[15-17]、鏈路特性等方面[18-19]。

目前國(guó)內(nèi)6 GHz以下5G系統(tǒng)已經(jīng)從試驗(yàn)網(wǎng)向商用轉(zhuǎn)變，5G毫米波也需要適時(shí)開(kāi)始進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)劃，國(guó)內(nèi)毫米波行業(yè)需要加快毫米波相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、射頻器件、整機(jī)方面的研發(fā)進(jìn)度，推動(dòng)毫米波產(chǎn)業(yè)鏈成熟，為未來(lái)部署做好準(zhǔn)備。

本文首先從5G毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀著手，對(duì)毫米波大規(guī)模天線、波束賦形、波束管理和大帶寬通信等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。其次，在對(duì)當(dāng)前毫米波技術(shù)進(jìn)行摸底測(cè)試基礎(chǔ)上，從網(wǎng)絡(luò)部署角度提出5G毫米波部署場(chǎng)景和毫米波技術(shù)發(fā)展建議。

2? ?5G毫米波發(fā)展現(xiàn)狀

2.1? 5G毫米波標(biāo)準(zhǔn)化情況

在3GPP中，毫米波頻段的射頻標(biāo)準(zhǔn)討論和制定工作由3GPP RAN4牽頭開(kāi)展，研究分為兩個(gè)階段：第一階段研究40 GHz以下的頻率，以滿足較為緊急的商業(yè)需求，于2018年12月完成;第二階段從2018年開(kāi)始，到2019年12月完成，該階段專注于最高100 GHz的頻率，以全面實(shí)現(xiàn)IMT-2020的愿景。

5G頻段具有多樣性，一般稱之為低頻（6 GHz以下）和高頻（24.25 GHz—52.6 GHz），第一階段頻譜分配定義了52.6 GHz以下的毫米波頻譜，如表1所示：

在3GPP中，上述毫米波頻段和3.5 GHz的NR系統(tǒng)是同步標(biāo)準(zhǔn)化，目前已經(jīng)形成2018.12.30的R15版本。R16版本正在討論中，并在2019年6月固化。

在R16版本同樣進(jìn)行52.6 GHz以上頻段的研究，主要探索NR如何采用更高的頻段，且提供高達(dá)2 GHz的帶寬（超過(guò)R15 800 MHz帶寬的兩倍），并確定更高頻段的潛在用例和部署場(chǎng)景。在接下來(lái)的5至8個(gè)月內(nèi)，3GPP無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）全體會(huì)議將確定目標(biāo)頻段范圍、用例和部署方案。

ITU工作組方面，ITU-R將24.25 GHz—27.5 GHz、31.8 GHz—33.4 GHz納入研究范圍，高頻段成為WRC-19 1.13議題的核心工作。國(guó)內(nèi)方面IMT2020成立高頻討論組，制定毫米波關(guān)鍵技術(shù)要求、毫米波外場(chǎng)性能測(cè)試方法等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前已經(jīng)形成2019.06.21版本。

2.2? 5G毫米波產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況

總體上看，毫米波產(chǎn)業(yè)鏈還處于初級(jí)階段，距離成熟商用還有一段距離。

網(wǎng)絡(luò)部署方面，美日韓在毫米波商用和預(yù)商用進(jìn)展較快。美國(guó)運(yùn)營(yíng)商已在多個(gè)城市進(jìn)行毫米波商用部署，主要聚焦在將28 GHz/39 GHz用于FWA場(chǎng)景。韓國(guó)運(yùn)營(yíng)商完成國(guó)內(nèi)28 GHz毫米波頻譜的分配，日本運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始對(duì)28 GHz毫米波進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)?，F(xiàn)有毫米波網(wǎng)絡(luò)部署主要集中在FWA場(chǎng)景，未開(kāi)展對(duì)毫米波在園區(qū)專網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、熱點(diǎn)覆蓋等方面的場(chǎng)景部署。

主設(shè)備方面，廠家設(shè)備頻段以北美和日韓頻段為主，設(shè)備可以支持基本功能，但是部分功能如波束管理、移動(dòng)性等有待進(jìn)一步完善。毫米波基帶部分與5G低頻段設(shè)備具有相同成熟度，但是射頻相關(guān)的功能和性能、測(cè)試方法尚未完全標(biāo)準(zhǔn)化。

測(cè)試方面，5G高頻設(shè)備采用OTA方法進(jìn)行射頻測(cè)試，國(guó)內(nèi)毫米波段OTA測(cè)試技術(shù)和測(cè)試方法得到一定發(fā)展，但測(cè)試方案的可行性、可靠性、準(zhǔn)確性、成本和效率等依舊面臨很多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

芯片和終端的進(jìn)度總體上落后于設(shè)備。英特爾（Intel）于2017年11月發(fā)布了XMM 8060 5G多模基帶芯片，該芯片同時(shí)支持6 GHz以下頻段和28 GHz毫米波頻段。高通已經(jīng)能夠提供商用的毫米波終端芯片X50和X55，天線模組QTM525。高通公司目前已具備測(cè)試終端MTP8510-5G，頻點(diǎn)為N257A或者N261（28 GHz頻段）。在商用終端方面，OPPO/VIVO/ZTE預(yù)計(jì)2019年底將推出X55芯片樣機(jī)終端，商用終端預(yù)計(jì)2020年出現(xiàn)。

高頻核心器件是毫米波頻段通信面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)，低成本、高可靠性的封裝及測(cè)試等技術(shù)也至關(guān)重要。我國(guó)在高性能高頻器件、原型系統(tǒng)驗(yàn)證等方面與全球領(lǐng)先企業(yè)仍存在較大差距[20]，需要進(jìn)一步開(kāi)展創(chuàng)新性研究與開(kāi)發(fā)工作。

3? ?5G毫米波關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1? 大規(guī)模天線和波束賦形

大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）和波束賦形技術(shù)是毫米波系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，Massive MIMO可以形成更窄波束，波束賦形則可以降低干擾提升信噪比。在實(shí)際場(chǎng)景部署中，可借助多通道和多天線的收發(fā)增強(qiáng)對(duì)基站上下行覆蓋進(jìn)行增強(qiáng)，針對(duì)高低層建筑以及線狀路面提供差異化的覆蓋方案，如圖1所示：

在使用波束賦形技術(shù)時(shí)，全數(shù)字波束賦形的方案優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)提高信噪比來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的提升，但同時(shí)會(huì)大大增加射頻鏈路的個(gè)數(shù)，造成功耗和成本的增加。模擬波束賦形方案則采用了成本低廉、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的移相器，但只能進(jìn)行固定波束切換，在性能上達(dá)不到數(shù)字波束賦形性能的效果，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的MIMO性能。因此毫米波系統(tǒng)通常采用模擬電路與數(shù)字電路相結(jié)合的混合波束賦形方案[21]，如圖2所示。

3.2? 波束管理

毫米波通信系統(tǒng)中，波束管理功能即指管理波束賦形后形成的窄波束，主要包括以下幾方面內(nèi)容：波束掃描、波束測(cè)量、波束上報(bào)、波束指示和波束失敗恢復(fù)[22]。

波束掃描一般分為粗掃描和精準(zhǔn)掃描，分別對(duì)控制信道和數(shù)據(jù)信道進(jìn)行掃描。波束測(cè)量過(guò)程在空閑接入狀態(tài)時(shí)和連接態(tài)中都起到關(guān)鍵作用，主要測(cè)量SSB、CSI-RS、SRS等信號(hào)。波束失敗與恢復(fù)的過(guò)程如圖3所示，UE檢測(cè)到波束失敗時(shí)觸發(fā)波束失敗恢復(fù)流程，重新發(fā)起接入請(qǐng)求，與基站重新建立新波束對(duì)，恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸。

中國(guó)聯(lián)通在毫米波外場(chǎng)測(cè)試中，對(duì)波束切換功能進(jìn)行了測(cè)試。如圖4所示，在測(cè)試波束切換過(guò)程中測(cè)試終端沿毫米波基站天面法線的切線方向進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)速度分別為5 km/h（步行）、10 km/h（騎車）和30 km/h（行車）。表2展示了在5 km/h（步行）速度下測(cè)試終端在不同接入點(diǎn)的波束測(cè)量結(jié)果，由測(cè)試結(jié)果得知，隨著測(cè)試終端的移動(dòng)，控制信道波束和數(shù)據(jù)信道波束都可以正常切換，且移動(dòng)過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3? 傳播特性和穿透損耗

根據(jù)3GPP TR38.901中規(guī)定的0 GHz～100 GHz無(wú)線電波在城市區(qū)域內(nèi)直射路徑的損耗模型[23]可知，自由空間損耗與載波頻率成正相關(guān)。假設(shè)f1與f2分別代表高低頻載波，則可計(jì)算高頻點(diǎn)相對(duì)于3.5 GHz頻點(diǎn)的路損差值為20×lg（f1/f2），如圖5所示，其中26 GHz載波比3.5 GHz載波路損高20×lg（26/3.5）≈17.42 dB，即后者是前者理論傳播距離的10^（17.42/22）≈6.19倍。

在毫米波傳播過(guò)程中，容易受到降雨、樹(shù)叢遮擋以及其他遮擋物對(duì)電波的遮擋和吸收等影響，中國(guó)聯(lián)通在毫米波外場(chǎng)測(cè)試中，對(duì)不同遮擋物、不同情況的毫米波穿透損耗進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

測(cè)試中可以看到，毫米波基本不具備傳統(tǒng)混凝土承重墻的能力。本次外場(chǎng)沒(méi)有進(jìn)行雨雪等惡劣天氣對(duì)于毫米波的影響測(cè)試，根據(jù)參考文獻(xiàn)[18]對(duì)于毫米波雨衰的分析，降雨對(duì)毫米波影響很大，毫米波速率有較大下降。通過(guò)理論分析和實(shí)際測(cè)試，毫米波穿透損耗較6 GHz以下頻段更高。

3.4? 大帶寬通信能力

5G毫米波的峰值速率與帶寬、幀結(jié)構(gòu)、支持的流數(shù)、調(diào)制階數(shù)等因素有關(guān)。與5G低頻類似，毫米波系統(tǒng)支持4流和8流的傳輸，以及64QAM和256QAM調(diào)制方式。幀結(jié)構(gòu)方面同樣繼承了5G低頻的靈活性，在帶寬方面毫米波系統(tǒng)具有極大的優(yōu)勢(shì)，可支持400 M和800 M的帶寬，具備超大帶寬通信的能力。

在毫米波外場(chǎng)測(cè)試中，在近點(diǎn)進(jìn)行了毫米波小區(qū)峰值容量測(cè)試。其中，系統(tǒng)支持4流，采用幀結(jié)構(gòu)DDDS，即三個(gè)連續(xù)的下行slot、一個(gè)特殊slot（配比為0：2：12）。表4給出了不同帶寬的上下行峰值吞吐量：

從外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可以看到，5G毫米波系統(tǒng)在800 MHz帶寬情況下，小區(qū)下行峰值速率可以達(dá)到9.31 Gbit/s，上行峰值速率可以達(dá)到1.91 Gbit/s。

除了對(duì)毫米波下行傳輸技術(shù)的研究，中國(guó)聯(lián)通也提出基于5G毫米波的上行增強(qiáng)方案。在保證下行業(yè)務(wù)高傳輸速率的前提下，采用大上行時(shí)隙配比，比如采用DSUUU的幀結(jié)構(gòu)配比方式，上行理論峰值容量將達(dá)9 Gbit/s，

實(shí)際速率預(yù)計(jì)可以達(dá)到6 Gbit/s以上、單用戶速率可達(dá)3 Gbit/s以上，可以實(shí)現(xiàn)提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上行容量的目的。

4? ?5G毫米波部署場(chǎng)景分析

從毫米波傳播特性和覆蓋能力考慮，5G毫米波適合部署在相對(duì)空曠無(wú)遮擋或少遮擋的園區(qū)環(huán)境。典型的部署場(chǎng)景如下：

（1）5G品牌價(jià)值區(qū)

從產(chǎn)業(yè)鏈成熟和網(wǎng)絡(luò)部署進(jìn)度角度考慮，國(guó)內(nèi)5G毫米波系統(tǒng)商業(yè)部署時(shí)間點(diǎn)比6 GHz以下頻段5G系統(tǒng)晚2年左右，預(yù)計(jì)屆時(shí)5G 6 GHz以下頻段系統(tǒng)已經(jīng)完成大部分城市重點(diǎn)區(qū)域覆蓋。所以毫米波在部署初期將與6 GHz以下頻段的5G系統(tǒng)結(jié)合，形成5G系統(tǒng)高低頻混合組網(wǎng)方式，用于重要品牌價(jià)值區(qū)域的覆蓋，提升品牌價(jià)值，或者用于人流密集場(chǎng)所和熱點(diǎn)區(qū)域的吸熱，提供進(jìn)一步的大容量上傳能力。

（2）大帶寬回傳場(chǎng)景

毫米波可以作為無(wú)線回傳鏈路，利用高達(dá)800 MHz帶寬、10 Gbit/s的系統(tǒng)峰值速率，解決一些場(chǎng)景無(wú)法布放光纖或布放光纖代價(jià)過(guò)高的固定無(wú)線寬帶場(chǎng)景?；蛘吆撩撞ㄗ曰貍鹘M網(wǎng)方案：一方面基站為終端提供服務(wù)，一方面通過(guò)站間對(duì)打?qū)崿F(xiàn)無(wú)線回傳，這種方式可以作為無(wú)法布放光纖回傳時(shí)的靈活解決方案。

（3）園區(qū)專網(wǎng)

5G毫米波系統(tǒng)與MEC、AI技術(shù)相結(jié)合，可以為覆蓋區(qū)域提供“大容量高速率+本地化”的智能解決方案，滿足行業(yè)客戶低時(shí)延、大帶寬、安全隔離的需求。

5? ?5G毫米波技術(shù)發(fā)展建議

5.1? 盡快出臺(tái)5G毫米波頻譜規(guī)劃

在工信部無(wú)線電管理局發(fā)布的《2019年全國(guó)無(wú)線電管理工作要點(diǎn)》中，明確提出“適時(shí)發(fā)布5G系統(tǒng)部分毫米波頻段頻率使用規(guī)劃，引導(dǎo)5G系統(tǒng)毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展”。5G毫米波頻譜規(guī)劃有望在2019年出臺(tái)。只有盡快明確國(guó)內(nèi)毫米波頻譜規(guī)劃和劃分，產(chǎn)業(yè)鏈特別是高頻器件產(chǎn)業(yè)才可以有的放矢，5G毫米波產(chǎn)業(yè)才能盡快發(fā)展成熟。

5.2? 完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法

應(yīng)盡快完善毫米波系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確毫米波系統(tǒng)射頻OTA測(cè)試方法，滿足對(duì)方向性指標(biāo)、全向性指標(biāo)和共址指標(biāo)三類指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試的要求。應(yīng)盡快推進(jìn)國(guó)內(nèi)毫米波OTA射頻測(cè)試，推動(dòng)解決OTA測(cè)試中出現(xiàn)的測(cè)試環(huán)境、儀表器件和算法設(shè)計(jì)、測(cè)試效率、測(cè)試成本等多方面問(wèn)題。在緊縮場(chǎng)等環(huán)境下保證指標(biāo)測(cè)試方案的可行性、可靠性、準(zhǔn)確性、低成本和高效率。

在設(shè)備能力方面，毫米波系統(tǒng)應(yīng)支持200 MHz、400 MHz單載波能力，應(yīng)支持多載波聚合、總帶寬800 MHz的能力。毫米波設(shè)備應(yīng)支持64QAM和256QAM調(diào)制方式，支持4流和8流數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)峰值傳輸速率應(yīng)達(dá)到10 Gbit/s以上。5G毫米波頻段系統(tǒng)需要具備較好的波束管理算法，包括控制信道和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道設(shè)計(jì)、波束選擇、波束反饋、波束指示以及波束恢復(fù)等，保證UE在移動(dòng)過(guò)程中的波束選擇與波束跟蹤，保證UE在遮擋情況下的波束切換與波束恢復(fù)能力。

5.3? 推動(dòng)高頻器件研發(fā)和整機(jī)測(cè)試進(jìn)度

器件方面，要求支持多種毫米波頻段以及太赫茲頻段，兼顧成本和性能。推動(dòng)高頻模擬器件與芯片在民用通信的器件材料工藝成熟度發(fā)展，匯聚產(chǎn)學(xué)研用力量，打造成熟的高頻段射頻器件與芯片產(chǎn)業(yè)鏈。

6? ?結(jié)論

本文從毫米波產(chǎn)業(yè)成熟度入手，分析毫米波關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀。在對(duì)毫米波設(shè)備進(jìn)行測(cè)試摸底的基礎(chǔ)上，根據(jù)毫米波系統(tǒng)特性提出5G毫米波部署場(chǎng)景建議。最后站在毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度，提出了加速出臺(tái)頻譜規(guī)劃、加速標(biāo)準(zhǔn)化和高頻器件發(fā)展的建議。

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