5G通訊關(guān)鍵之——毫米波技術(shù)解析

　　第五代移動(dòng)通信系統 （5th generation mobile networks，簡(jiǎn)稱(chēng)5G）離正式商用（2020年）越來(lái)越接近，這些日子華為、三星等各大廠(chǎng)商也紛紛發(fā)布了自己的解決方案，可謂“八仙過(guò)海，各顯神通”。

　　5G的一個(gè)關(guān)鍵指標是傳輸速率：按照通信行業(yè)的預期，5G應當實(shí)現比4G快十倍以上的傳輸速率，即5G的傳輸速率可實(shí)現1Gb/s。這就意味著(zhù)用5G傳輸一部1GB大小的高清電影僅僅需要10秒！另外如此高的傳輸速度也會(huì )帶來(lái)一些其他的應用，比如云端游戲（游戲在云端服務(wù)器執行，直把執行畫(huà)面傳回手機，這樣手機配置不高也能玩大型游戲），虛擬現實(shí)（同理把運算放到云端，手機端只負責輸出畫(huà)面）等等。

　　5G如何實(shí)現如此高的傳輸速率呢？

　　無(wú)線(xiàn)傳輸增加傳輸速率大體上有兩種方法，其一是增加頻譜利用率，其二是增加頻譜帶寬。在無(wú)線(xiàn)傳輸中，數據以碼元（symbol）的形式傳送。在碼元傳送速率（碼率）不變的情況下，信號占用的無(wú)線(xiàn)帶寬不變，而每個(gè)碼元傳送的信息數據量是由調制方式?jīng)Q定的。

　　調制方式是指如何用信號傳遞信息。

　　在古代，人們用烽火臺傳遞信息，有情況的時(shí)候點(diǎn)燃烽火，每有情況的時(shí)候熄滅烽火。從現代通訊理論來(lái)說(shuō)，就是我們調制了烽火。由于普通的烽火一共只有兩種狀態(tài)（點(diǎn)燃和熄滅），因此烽火臺一次只能傳遞1比特的信息（0=熄滅=沒(méi)有敵人，1=點(diǎn)燃=有敵人）。烽火臺能不能改善一下來(lái)一次傳遞更多信息呢？我們可以通過(guò)引入更多狀態(tài)來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。例如，改進(jìn)的烽火臺里面我們可以控制烽火的火勢，將火勢分為熄滅、小火、中火和大火四種狀態(tài)，這樣我們就可以一次傳遞兩比特的信息（00=熄滅=沒(méi)有敵人，01=小火=有敵人且離我們很遠，10=中火=有敵人且離我們不遠，11=大火=有敵人且已經(jīng)兵臨城下）。

　　然而，不能兩全其美的是，引入更多狀態(tài)的同時(shí)也會(huì )增加信息傳遞出錯的可能。如果天氣不好的時(shí)候可能會(huì )把中火看成小火，這樣信息的傳遞就出錯了。相對地，如果只有兩種狀態(tài)（熄滅和點(diǎn)燃），則出錯的幾率比較小。

　　無(wú)線(xiàn)通訊中的調制也是這個(gè)道理，通過(guò)操縱無(wú)線(xiàn)電波的幅度和相位可以產(chǎn)生載波的不同狀態(tài)。當調制方式由簡(jiǎn)單變到復雜時(shí)，載波狀態(tài)數量增加，一個(gè)碼元所代表的信息量（比特數）也增加。

　　但另一方面每個(gè)碼元狀態(tài)之間的間距也變小，因此容易受到噪聲干擾使得碼元偏離原本應該在的位置從而造成解碼出錯。所以復雜調制對信道的要求比較高，在信道噪聲很大的情況下使用復雜調制會(huì )導致數據傳輸誤碼率很高，而且解碼所需要的電路也會(huì )非常復雜，導致功耗很大。

　　由簡(jiǎn)單（左）到復雜（右）調制的狀態(tài)圖

　　相對于提高頻譜利用率，增加頻譜帶寬的方法顯得更簡(jiǎn)單直接。在頻譜利用率不變的情況下，可用帶寬翻倍則可以實(shí)現的數據傳輸速率也翻倍。但問(wèn)題是，現在常用的5GHz以下的頻段已經(jīng)非常擁擠，到哪里去找新的頻譜資源呢？各大廠(chǎng)商不約而同想到的方法就是使用毫米波技術(shù)。

　　毫米波是什么？毫米波的特點(diǎn)？

　　毫米波是指波長(cháng)在毫米數量級的電磁波，其頻率大約在30GHz~300GHz之間。

　　根據通信原理，無(wú)線(xiàn)通信的最大信號帶寬大約是載波頻率的5%左右，因此載波頻率越高，可實(shí)現的信號帶寬也越大。在毫米波頻段中，28GHz頻段和60GHz頻段是最有希望使用在5G的兩個(gè)頻段。28GHz頻段的可用頻譜帶寬可達1GHz，而60GHz頻段每個(gè)信道的可用信號帶寬則到了2GHz（整個(gè)9GHz的可用頻譜分成了四個(gè)信道）。

　　相比而言，4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下，而可用頻譜帶寬只有100MHz。因此，如果使用毫米波頻段，頻譜帶寬輕輕松松就翻了10倍，傳輸速率也可得到巨大提升。5G時(shí)代，我們可以使用毫米波頻段輕輕松松用手機5G在線(xiàn)看藍光品質(zhì)的電影，只要你不怕流量用完！

　　各個(gè)頻段可用頻譜帶寬比較

　　毫米波頻段的另一個(gè)特性是在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱。換句話(huà)說(shuō)，用毫米波實(shí)現信號穿墻基本是不可能。但是，毫米波在空氣中傳輸衰減大也可以被我們所利用，所謂”It‘s not a bug，it’s a feature！”：你手機使用的毫米波信號衰減確實(shí)比較大，但是同樣地其他終端發(fā)射出的毫米波信號（對你而言是干擾信號）的衰減也很大，所以毫米波系統在設計的時(shí)候不用特別考慮如何處理干擾信號，只要不同的終端之間不要靠得太近就可以。選擇60GHz更是把這一點(diǎn)利用到了極致，因為60GHz正好是氧氣的共振頻率，因此60GHz的電磁波信號在空氣中衰減非?？?，從而可以完全避免不同終端之間的干擾。

　　當然，毫米波在空氣中衰減非常大這一特點(diǎn)也注定了毫米波技術(shù)不太適合使用在室外手機終端和基站距離很遠的場(chǎng)合。各大廠(chǎng)商對5G頻段使用的規劃是在戶(hù)外開(kāi)闊地帶使用較傳統的6GHz以下頻段以保證信號覆蓋率，而在室內則使用微型基站加上毫米波技術(shù)實(shí)現超高速數據傳輸。

　　毫米波必須配合微型基站（或接入點(diǎn)）使用

　　毫米波相比于傳統6GHz以下頻段還有一個(gè)特點(diǎn)就是天線(xiàn)的物理尺寸可以比較小。這是因為天線(xiàn)的物理尺寸正比于波段的波長(cháng)，而毫米波波段的波長(cháng)遠小于傳統6GHz以下頻段，相應的天線(xiàn)尺寸也比較小。因此我們可以方便地在移動(dòng)設備上配備毫米波的天線(xiàn)陣列，從而實(shí)現各種MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)，使信號通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線(xiàn)傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量）技術(shù)，包括波束成型（有關(guān)波束成型，我們會(huì )在下一篇文章里面詳細介紹）。

　　毫米波收發(fā)機芯片如何實(shí)現

　　NICT研發(fā)的毫米波收發(fā)機架構圖

　　商用的毫米波收發(fā)機芯片會(huì )使用CMOS（CMOS=complementary metal-oxide-semiconductor，指用半導體-氧化層-金屬堆疊形成半導體器件的工藝，是最常用的集成電路制造工藝）工藝，這一方面為了能夠和數字模塊集成，另一方面為了節省成本。

　　毫米波收發(fā)機芯片的結構和傳統頻段收發(fā)機很相似，但是毫米波收發(fā)機有著(zhù)獨特的設計挑戰。

　　其一是如何控制功耗。毫米波收發(fā)機要求CMOS器件能工作在毫米波頻段，所以要求CMOS器件對信號的靈敏度很高。我們可以參照日常生活中的水龍頭來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。

　　大家一定都經(jīng)常有開(kāi)關(guān)水龍頭的經(jīng)驗，很多水龍頭在關(guān)著(zhù)時(shí)，需要擰很多下才會(huì )出來(lái)一點(diǎn)點(diǎn)水，然后隨著(zhù)水流越來(lái)越大，只要多擰一點(diǎn)點(diǎn)水流就會(huì )變大很多。在這里，手擰龍頭的動(dòng)作就是激勵信號，而對應的水流變化就是輸出響應。CMOS器件本質(zhì)上和水龍頭很像，都是通過(guò)控制端（即CMOS的柵極）調整輸出流量（對水龍頭是水流，對CMOS則是輸出電流）。

　　因此，如果需要CMOS器件對微弱的毫米波信號能快速響應，必須把它的直流電流調到很大（相當于把水龍頭設置在水流很大的狀態(tài)）。這樣一來(lái)，CMOS電路就需要很大的功耗才能處理毫米波信號。

　　另一個(gè)毫米波芯片必須考慮的問(wèn)題是傳輸線(xiàn)效應。

　　相信大家還記得高中物理里面的受力分析，（下圖左）分析一根靜止繩子的受力情況（靜力分析）是很簡(jiǎn)單的，繩子的彈力即等于人對繩子的拉力，而且每一點(diǎn)都相同，這樣的問(wèn)題在高中物理考試里面屬于送分題。但如果不是靜止地拉繩子，而是用手揮動(dòng)繩子呢（下圖右）？這時(shí)在繩子上產(chǎn)生了一列機械波，每一點(diǎn)的受力情況都不相同，而且受力的變化不僅取決于手揮動(dòng)繩子手的施力還取決于繩子的材質(zhì)（決定了波長(cháng)）。這時(shí)候分析受力就比較困難，屬于高中物理競賽級別的題目。

　　毫米波電路設計也會(huì )遇到類(lèi)似的挑戰。我們可以把電路中的導線(xiàn)類(lèi)比成繩子，而把電路中的信號源類(lèi)比為對繩施力的人。當信號變化的頻率很慢的時(shí)候，就近似地等于靜力分析，此時(shí)導線(xiàn)上每一點(diǎn)的信號都近似地等于信號源的信號。當信號變化很快時(shí)，由于信號的波長(cháng)接近或小于導線(xiàn)的長(cháng)度，我們必須仔細考慮導線(xiàn)上每一點(diǎn)的情況，而且導線(xiàn)的性質(zhì)（特征阻抗）會(huì )極大地影響信號的傳播。

　　這種效應在電磁學(xué)中被稱(chēng)為“傳輸線(xiàn)效應”，在設計毫米波芯片時(shí)必須仔細考慮傳輸線(xiàn)效應才能確保芯片正常工作。

　　不過(guò)，盡管設計充滿(mǎn)挑戰，毫米波芯片大規模商用化目前已現曙光。Broadcom已經(jīng)推出了60GHz的收發(fā)機芯片（BCM20138），該產(chǎn)品主要針對60GHz頻段的WiFi標準（802.11.ad），也可以看作是為5G毫米波芯片解決方案投石問(wèn)路。Qualcomm也于兩年前不甘落后收購了專(zhuān)注于毫米波技術(shù)的Wilocity。同時(shí)，三星，華為海思等重量級選手也在加緊研發(fā)毫米波芯片。相信在近期我們就會(huì )看到毫米波射頻芯片市場(chǎng)變得熱鬧非凡。

　　Wilocity推出的60GHz芯片

　　結語(yǔ)

　　毫米波技術(shù)可以通過(guò)提升頻譜帶寬來(lái)實(shí)現超高速無(wú)線(xiàn)數據傳播，從而成為5G通訊技術(shù)中的關(guān)鍵之一。毫米波芯片設計必須克服功耗和電磁設計兩大難關(guān)，當這兩個(gè)問(wèn)題解決后大規模商用只是時(shí)間問(wèn)題。