毫米波通信面对哪些挑战,毫米波终端技术实现

时间:2020-07-08 14:58来源:chinaaet.com

摘要:毫米波频段大带宽的特点对射频前端器件的提出了更高的要求,未来毫米波终端的射频前端器件将可能需支持1GHz以上的连续带宽。

毫米波在现实中的应用越来越多,往期文章中,小编对毫米波也有所介绍。本文对于毫米波的讲解将基于两点:1.毫米波通信技术挑战有哪些,2.毫米波终端技术如何实现。

一、毫米波通信主要技术挑战

1.应用场景

毫米波通信应用包括毫米波波导通信、地面通信和卫星通信、军事通信,且以无线地面通信和卫星通信为主。
 

与5G通信相关。根据3GPPTR38.913定义,与高频段应用相关的几个场景分别为:室内热点、密集城区、宏覆盖、高速铁路接入与回传以及卫星扩展到地面。
 

2.关键技术

毫米波通信主要技术挑战包括:毫米波射频器件、毫米波天线、超宽带低复杂度信号处理、空间信道模型以及网络组网架构和空口的优化、空口与高频段组合技术。
 

重点讲5G毫米波通信。
 

3.系统架构

5G毫米波基站硬件由基带模块、中频模块和毫米波模块单元等几个部分构成

基带模块:实现5G基带处理、数字域波束赋形、基站传输等功能,由CU、DU和RU中的数字逻辑共同实现,在电路设计方面通常使用CPU+DSP+FPGA的架构,或者采用专用SOC芯片进行基带处理,同时还需要IP交换芯片、传输接口等电路。
 

中频模块和毫米波模块:位于RU单元,包括数字前端(DFE)、模拟/数字转换电路、毫米波混频器、模拟域波束赋形和天线阵,包含用于基带处理和DFE功能的FPGA或SOC芯片,时钟系统、数模转换ADC、DAC、毫米波电路以及天线阵等。

 

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4.通信频段必然向毫米波方向延伸

•随着高容量、高速率、低时延业务发展,通信频段必然向毫米波方向延伸;

•5G移动通信的基本架构将采是低频段+毫米波频段相结合的通信方式;

•5G毫米波通信主要应用场景解决热点流量问题,毫米波基站体积更小,便于隐蔽安装;适合光纤不易接入或成本过高的地区,采用CPE终端挂墙或靠窗安装;毫米波与MEC、AI技术结合,适合于园区组网方案;构建智慧工厂、智慧园区、智慧码头等控制类智慧应用。
 

二、毫米波终端技术

毫米波频段频率高、带宽大等特点将对未来5G终端的实现带来诸多挑战,毫米波对终端的影响主要在于天线及射频前端器件。
 

2.1 终端侧大规模天线阵列

由于天线尺寸的限制,在低频段大规模天线阵列只能在基站侧使用。但随着频率的上升,在毫米波段,单个天线的尺寸可缩短至毫米级别,在终端侧布置更多的天线成为可能。如下图1所示,目前大多数LTE终端只部署了两根天线,但未来5G毫米波终端的天线数可达到16根甚至更多,所有的天线将集成为一个毫米波天线模块。由于毫米波的自由空间路损更大,气衰、雨衰等特性都不如低频段,毫米波的覆盖将受到严重的影响。终端侧使用大规模天线阵列可获得更多的分集增益,提高毫米波终端的接收和发射性能,能够在一定程度弥补毫米波覆盖不足的缺点,终端侧大规模天线阵列将会是毫米波得以商用的关键因素之一。

 

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图1:LTE终端与毫米波终端天线设想
 

终端部署更多的天线意味着终端设计难度的上升,与基站侧部署大规模天线阵列不同,终端侧的大规模天线阵列受终端尺寸、终端功耗的制约,其实现难度将大大增加,目前只能在固定终端上实现大规模天线阵列的布置。移动终端的大规模天线阵列设计面临诸多挑战,包括天线阵列校准,天线单元间的相互耦合以及功耗控制等。
 

2.2 毫米波射频前端器件

射频前端器件包括了功率放大器、开关、滤波器、双工器、低噪声放大器等,其中功率放大器是最为核心的器件,其性能直接决定了终端的通信距离、信号质量及待机时间。目前制造支持低频段的射频前端器件的材料多为砷化镓、CMOS和硅锗。但由于毫米波段与低频段差异较大,低频射频前端器件的制造材料在物理特性上将很难满足毫米波射频前端器件的要求。
 

以功率放大器为例,目前主流的功率放大器制造材料为砷化镓,但在毫米波频段,氮化镓及InP的制造工艺在性能指标上均要强于砷化镓。下表所示为从低频到毫米波段主要的射频前端器件制造工艺上的发展方向。

 

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另外,毫米波频段大带宽的特点对射频前端器件的提出了更高的要求,未来毫米波终端的射频前端器件将可能需支持1GHz以上的连续带宽。


虽然氮化镓被认为是未来毫米波终端射频的主流制造工艺,但由于成本、产能等因素,基于氮化镓工艺的高性能射频前端器件多用于军工和基站等特殊场景。毫米波射频前端技术的发展将会成为毫米波终端实现的关键,预计到今年之后,毫米波移动终端射频器件的技术和成本才可能达到大规模商用的要求。

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