5G毫米波終端關鍵技術分析

王磊，于倩

（1.中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630；2.西南民族大學，四川 成都 610093）

0 引言

5G 當下已開始規模商用，其下一階段的關鍵技術也開始引起關注。毫米波頻段因其大帶寬等多種優勢，能夠實現業務體驗革命性提升并助力千行百業數字轉型。截至2020年底，全球已有22 家運營商部署了基于毫米波的5G 移動網絡。GSMA 預測，預計到2034 年，在中國使用毫米波頻段帶來的經濟受益將產生約1 040 億美元的效應[1]。

1 5G毫米波終端需求

應用于5G 毫米波環境下的移動終端，會受到毫米波段電磁波傳播特性的影響，面臨相對于中低頻段更加復雜和信道環境。同時由于毫米波的頻段資源豐富但覆蓋受限，支持毫米波的終端通常會同時工作于2～3 個頻段（低于1 GHz、1—6 GHz 和高于6 GHz）以便最大發揮網絡功能。此外，終端相較于工作在中低頻的終端需要承擔更多大流量的應用場景，這些都構成了影響終端實現的關鍵技術要素。

1.1 信道環境

毫米波在傳播過程中的路徑損耗較大，根據3GPP TR 38.901 中0—100 GHz 無線電波在城市區域內直射路徑損耗模型可知，自由空間損耗和載波頻率正相關。其中26 GHz 載波比3.5 GHz 載波路損高約17.42 dB，理論傳播距離只有3.5 GHz 載波的約六分之一，并會同時受到惡劣天氣如雨、霧等影響[2]。

5G 毫米波穿透損耗測試結果如表1 所示：

表1 5G毫米波穿透損耗測試結果

毫米波的高衰減信道特性使得終端需采用天線陣列以支持波束賦形技術，從而提升終端EIRP（等效全向輻射功率）以提升上行覆蓋能力。同時終端還需要支持波束搜索、跟蹤和切換等波束管理技術來提升信號受遮擋情況下對新波束的動態捕捉和切換。由此引申出的移動性管理和波束管理問題，需要毫米波系統支持3GPP 規定的靈活小區切換方案和快速波束恢復機制，以及終端實現兩個波束同時接收的Multi-TRP 等特性加以解決。

1.2 網絡架構

終端能力首先需滿足網絡架構的要求，為了更穩定支持用戶流量，業界普遍認為未來毫米波應用將采用高低頻混合組網方式，通過結合DC/CA 技術，由低頻段承載控制面信息和部分用戶面數據，高頻提供超高速率用戶面數據[3]。隨著國內運營商網絡逐步轉向SA 架構，可預計毫米波終端能力將向NR-CA/DC 演進。如圖1 所示，5G 毫米波網絡與Sub-6 GHz、4G LTE 網絡有機結合，提供極致用戶體驗。

圖1 5G毫米波網絡與Sub-6 GHz、4G LTE網絡有機結合提供極致用戶體驗

其次，毫米波頻段最高支持800 MHz 的單載波帶寬，目前的分析顯示單載波帶寬的增大能夠帶來一定的上行覆蓋增益，并相較于CA 能夠帶來一定的容量增益。現階段建議毫米波終端應支持200 MHz 的單載波帶寬和最高400 MHz 的載波聚合帶寬。在這里需要指出的是，在3GPP 標準中，5G 毫米波和Sub-6 GHz 擁有幾乎相同的空口協議，因此5G 毫米波和Sub-6 GHz 網絡可進行緊密集成，從而使高低頻的載波聚合容易實現[4]。

此外，終端的基本上行能力和覆蓋在5G 中低頻段已得到滿足，為進一步滿足應用對上行差異化的帶寬需求，考慮毫米波的區域部署特性，毫米波終端應支持網絡調度下的靈活幀結構，以滿足業務靈活調配上行帶寬的需求。

1.3 應用場景

從毫米波的傳播特性和覆蓋能力考慮，通過多輪的產業研討和試驗驗證，業界已經基本明確5G 毫米波適合部署在相對空曠無遮擋或少遮擋的空曠環境[5]。

（1）行業專網：5G 毫米波系統與MEC、網絡切片等技術相結合，滿足行業客戶低時延、大帶寬、安全隔離的需求，為用戶提供高速率+高保障+本地化的應用解決方案。

（2）業務分流：與5G 中低頻率混合組網，吸納中低頻流量，向體育場館、展示區域等熱點區域提供業務分流，為用戶提供靈活的流量配置方案。如即將在2022 年冬奧會向觀眾提供數字化觀賽體驗的智慧觀賽、智慧場館等業務。

（3）回程（Backhaul）鏈路：5G 組網中，通過毫米波向宏蜂窩基站與小區基站間提供回程鏈路，為運營商迅速部署和開通5G 服務提供解決方案。

2 5G毫米波終端實現影響因素

5G 系統Sub-6 GHz 和毫米波頻段在協議層的設計保持了基本一致，使得毫米波終端實現的關鍵因素集中在終端因新增高頻通信功能所帶來的基帶芯片、射頻器件、高頻天線和設計等方面的實現挑戰。

2.1 芯片和器件

2018 年市場已出現第一代毫米波芯片，主要支持歐美廣泛使用的n260 和n261 頻段。2019 年出現的第二代毫米波芯片已能夠支持毫米波全頻段。目前高通的第三代5 納米制成工藝的5G 基帶芯片X60 已可支持NR 毫米波與Sub-6 GHz 的雙連接和載波聚合，并同時支持毫米波頻段100 MHz 單載波帶寬和最大800 MHz 下行聚合帶寬和400 MHz 上行聚合帶寬。毫米波基帶芯片是我國5G產業鏈上的薄弱環節，急需突破以滿足產業要求。

終端射頻前端主要器件也需滿足毫米波頻段高階調制方式及多用戶通信等需求。高頻功率放大器、低噪聲放大器需要進一步提升和改善輸出功率、功率效率及線性度等性能；鎖相環系統需要進一步改善其相噪及調諧范圍等性能；濾波器需要提升其帶寬、插入損耗等性能；AD/DA 轉換器至少需滿足1 GHz 的信道帶寬的采樣需求，并提升精度和降低功耗；新型的高頻陣列天線需滿足高增益波束和大范圍空間掃描等方面需求。

與Sub-6 GHz 終端射頻前端多采用分立器件不同，毫米波終端射頻前端一般采用集成器件提高集成度并降低高頻損耗。器件集成度的進一步提升對材料工藝方案、天線及終端整機設計提出了更高要求。

2.2 工藝方案

5G 毫米波終端射頻器件頻率、集成度等特性，反映到芯片器件的工藝上呈現不同的需求。目前制造支持低頻段的射頻前端器件的材料主要為CMOS 為主的硅基工藝，在毫米波頻段為提升器件的高頻物理特性，一般采用化合物工藝，如砷化鎵GaAs、氮化鎵GaN、磷化銦InP 等。化合物工藝比硅基工藝具有更低的噪聲系數、晶體管截止頻率和更強功率。圖2 展示了毫米波通信終端在芯片、器件和工藝領域涉及的主要組成。

圖2 5G毫米波終端各部分芯片器件對工藝的需求

基帶芯片：主要是高速數字信號處理，通常與GPU、CPU 集成為SoC，一般工作在中頻，通常由先進制成的Si-CMOS 工藝設計。

硅基毫米波芯片：主要包括AD/DA、混頻和信號放大和波束賦形等模塊。得益于近年來消費電子對高集成度系統的需求，促進了具有低成本優勢的硅基工藝不斷進步，芯片商可根據毫米波系統架構設計制造低功耗多通道的收發系統芯片。

功率芯片：主要包括功率放大器、低噪聲放大器和開關等，是毫米波系統射頻前端與低頻段射頻前端差異最大的核心器件，其性能直接影響系統通信質量。終端廠商既可以選擇成本較低但實現復雜度高的硅基芯片，也可以采用性能優異但成本較高的化合物芯片。

陣列天線：由于毫米波射頻前端與陣列天線間的互聯端面對高頻極度敏感，業界通常是將前端等有源器件如PA 等直接集成在陣列天線背面形成一體化封裝，封裝集成天線（AiP,Antenna in Package）技術得到了迅猛發展[6]。

工藝制成技術中，應用最廣泛的的硅基CMOS 工藝已經進入7 nm 以下制成的節點，但技術主要集中在歐美與中國臺灣地區企業，國內如中芯國際等企業的制成還相對落后。與之形成差異的是，國內在化合物半導體方面具有一定的產業基礎，與國外技術相差并不大[7]。

2.3 高頻天線

毫米波終端設計通常需要將毫米波和中頻頻段涉及系統分離以提高系統穩定性。高頻天線的設計需要同時滿足天線峰值增益、空間覆蓋、雙極化輻射、多頻帶覆蓋和尺寸體積等多項需求，從而使天線與芯片的一體化封裝集成成為必然[8]。目前AiP 技術發展較為成熟，如高通從2018 年開始就以每年一款的速度連續推出三款5G 毫米波AiP 天線模組。

5G 毫米波終端天線模塊的設計，需要保證終端不論方向和手持位置，都能得到不同天線模塊的有效覆蓋，在發送和接收期間均能夠保持足夠的鏈路裕量。解決這個問題的主要方法通常是在5G 毫米波終端內的不同位置放置多天線模塊，從而提高5G 毫米波通信的魯棒性。如終端使用過程中個別毫米波天線模塊在通信時被人體遮擋，通過激活終端上的另一個天線模塊即可快速發現并切換到另一條新的傳輸路徑上，從而保證無線鏈接的穩定。

5G 毫米波終端天線的覆蓋范圍如圖3 所示。

圖3 5G毫米波終端天線的覆蓋范圍

上述分析中涉及的芯片器件、工藝和天線等細分領域，國內整體上落后于美國，特別是高頻器件方面的產業化水平明顯落后。國家工信部、科技部等部委已出臺了產業政策并通過重大項目進行資源傾斜，國內產、學、研多方機構也紛紛發力，努力提升國產器件和芯片的技術能力與產業水平。

2.4 終端設計

終端的視覺觀感和握持手感對終端的用戶體驗相當重要，亦成為影響毫米波終端設計的影響因素。因美學、手感和結構強度等因素，當前主流終端已廣泛采用金屬外殼，由于天線置于終端覆蓋材料之下，若毫米波天線被金屬外殼覆蓋，則會對天線性能造成巨幅劣化，從而迫使終端廠商采用外殼開槽等手段加以避讓。

與此同時，終端為了使握持手感更薄和圓潤，通常會在最常握持的機身兩長邊的側立面進行收弧設計，終端毫米波AiP 天線如何與終端做到外觀共型，也是影響終端設計的關鍵因素之一。

此外，終端屏占比增加、電池容量增大、攝像頭數量增加會導致留給終端天線布局空間越來越小。5G 毫米波終端須同時支持2G/3G/4G/5G 多個制式并支持定位、Wi-Fi 和藍牙等通信功能，天線數量更多，使得毫米波天線需與LTE 以及5G 中低頻天線共存甚至空間共享，同樣是構成影響終端設計的重要挑戰。

3 5G毫米波終端測試方案

與6 GHz 以下頻段終端所采用的傳導測試不同，由于毫米波終端大規模天線造成的天線數量眾多、終端采用前端天線有源和無源器件一體化的設計以及高頻信號高路損及耦合插損，已無法使用傳統的傳導測試方法對毫米波終端進行測試。OTA（Over The Air，空間范圍）測試將成為毫米波終端測試的主流方案。OTA 測試可直接測試被測設備的整體輻射性能和接收性能，能夠對設備的整機性能進行黑盒和白盒測試，可更真實地反映設備的實際使用性能。而且隨著5G 毫米波商用進程的推進，毫米波終端在預研和產線需要進行的測試同樣需要關注[9]。

3.1 標準進展

3GPP 首先在Rel-15 完成了5G 毫米波終端測試方法的研究，該研究針對5G 毫米波終端的射頻性能、解調性能以及無線資源管理性能的測試驗證制定了詳細的解決方案，測量的方法包括了直接遠場、緊縮場、近場轉換遠場。

為了評估毫米波MIMO 性能，3GPP 在Rel-16 對5G毫米波MIMO OTA 測試方法開展了研究工作，針對靜態測試環境，完成了場景定義、信道建模、測試方法的標準制定工作[10]。但是仍然有如下問題與挑戰：無法支持需要較高下行信號功率或者較低上行信號功率的測試例；無法支持如FR2+FR2Inter-bandCA 等先進技術的測試；單極化接收機的測試設備無法準確測量上行調制相關的指標；靜態的測試環境使得波束管理算法沒有得到很好的驗證；不支持極端測試條件的測試；測試時間過長等。3GPP 將在Rel-17 對上述問題與挑戰繼續進行研究，以進一步完善5G 毫米波終端測試解決方案。

3.2 影響因素

為實現毫米波終端的OTA測試，需要考慮以下影響因素：

（1）目前3GPP 定義的5G FR2 的工作頻率為24.25—52.5 GHz，并且已經定義了n257、n258、n260、n261 等4 個毫米波頻段且均為TDD 的雙工方式[11]。

（2）考慮到毫米波傳輸損耗大的特點，需要采用波束賦形以提高增益。毫米波終端更關注使用有源天線陣列基于波束賦形去改善覆蓋的效果。

（3）毫米波終端天線布局的設計分為3 個Category，分別為Category1 單天線孔徑，尺度為5 cm；Category2 多個不連續天線孔徑，每個天線孔徑在5 cm左右；Category3 大天線孔徑，每個天線孔徑在15 cm 左右。

3.3 測試方法

毫米波終端的測試可分為射頻指標測試和性能測試。

（1）射頻指標測試

射頻指標測試反映了終端是否能夠滿足標準對終端發射機和接收機射頻性能指標。3GPP 對毫米波終端發射機和接收機的射頻指標測試進行了定義，其中發射機測試定義了直接遠場法、簡化直接遠場法、間接遠場法和近遠場轉換四種方法，并對發射機和接收機測試指標定義了TRP、EIRP、EIS CDF 等測試項。

相應的終端測試環境也分為遠場、近場和緊縮場三種方案。

遠場測試：終端的天線特性通常采用原廠測試，遠場區域的最小長度R由R=2×D2/λ確定，其中D是天線尺寸，λ為測試波長。此種方案所使用的微波暗室尺寸巨大、成本非常高。

近場測試：采用近-遠場數學變換的方法將進場測的數據轉換到遠場，對測試場地的需求將相應減少，但由于測試系統需要額外借助矢量網絡分析儀且測試轉換過程復雜，測試成本較高。

緊縮場：屬于間接遠場法的一種，利用反射面設備將球面波在近距離轉換為平面波，近距離實現遠場測試性能的方法。由于在建設成本和傳輸損耗方面的優勢，目前行業基本認可將緊縮場作為5G 毫米波OTA 測試的主流方案。

（2）性能測試

性能測試反映了系統在不同信道環境下的性能表現，一般用誤碼率、吞吐量進行衡量。3GPP 38.901 定義了適用于5G 毫米波的信道模型，目前一般會采用混響室（RC,Reverberation Chamber）、多探頭（MPAC,Muti-Probe Anechoic Chamber）和輻射兩步法（RTS,Radiated Two Stage）三種方式對終端性能進行測試。

由于OTA 測試需要在微波暗室內測試整機在三維空間各個方向的輻射功率和接收靈敏度，對場地要求嚴格，測試費用高、測試周期長。同時，毫米波超大帶寬所帶來的相位噪聲和失真升高、信噪比降低以及信號幅度平坦度和相位線性度的變化，給測試系統中的寬帶信號源校正、測試儀表校準和系統級不確定度的確定提出了更高的要求。盡管OTA 測試方法和系統都經過了一定時期的發展，但目前無論是毫米波終端的射頻指標測試還是性能測試，均存在測試系統價格昂貴、測似系統穩定性不足、測試總時長難以承受等問題。

4 結束語

5G 毫米波通過提供高容量、低時延的無線連接，為遠程控制、工業機器人等工業4.0 應用提供了條件。3GPP 將在R17 引入低復雜度、高可靠的5G NR 產品，將毫米波擴展至新終端類型。同時，毫米波頻譜將從52.6 GHz 拓展到71 GHz 頻段以及免許可頻段以支持更多樣化的應用場景。標準還將針對中高速移動（如30 km/h）的場景引入新的波束機制以實現控制信道切換，能夠更快速滿足系統需求，實現更高通信速率。

在6G 研究過程中，毫米波將向衛星通信拓展，作為星間鏈路、用戶鏈路和饋電鏈路的首選寬帶技術[12]。毫米波應用將以智能化為核心，圍繞泛在連接、深度學習和全息通信三個領域探索和發展，并將助力該技術帶來巨大的社會經濟效益，為中國提供推動經濟增長的絕佳機會。