1、引言

 

隨著移動通信的迅猛發展，低頻段頻譜資源的開發已經非常成熟，剩餘的低頻段頻譜資源已經不能滿足5G時代10Gbps的峰值速率需求，因此未來5G係統需要在毫米波頻段上尋找可用的頻譜資源。作為5G關鍵技術之一的毫米波技術已成為目前標準組織及產業鏈各方研究和討論的重點，毫米波將會給未來5G終zhong端duan的de實shi現xian帶dai來lai諸zhu多duo的de技ji術shu挑tiao戰zhan，同tong時shi毫hao米mi波bo終zhong端duan的de測ce試shi方fang案an也ye將jiang不bu同tong於yu目mu前qian的de終zhong端duan。本ben文wen將jiang對dui毫hao米mi波bo頻pin譜pu劃hua分fen近jin況kuang
，毫hao米mi波bo終zhong端duan技ji術shu實shi現xian挑tiao戰zhan及ji測ce試shi方fang案an進jin行xing介jie紹shao及ji分fen析xi。

 

2、毫米波頻譜劃分

 

2015年
，ITU-R WP5D發布了IMT.ABOVE 6GHz的研究報告，詳細研究了不同頻段無線電波的衰減特性。在同年的世界無線電通信大會（WRC-15）上提出了多個5G候選的毫米波頻段，最終5G毫米波頻譜的確定將在WRC-19上的完成。經過多年的研究和討論，各國各地區對毫米波頻譜資源的劃分都有所進展，以下將著重介紹中國
、美國及歐洲在毫米波頻段劃分上的近況。

 

中國：2017年6月
，工信部麵向社會廣泛征集24.75-27.5 GHz、37-42.5 GHz或其他毫米波頻段用於5G係統的意見
，並將毫米波頻段納入5G試驗的範圍，意在推動5G毫米波的研究及毫米波產品的研發試驗。

 

美國：早在2014年

，FCC（美國聯邦通訊委員會）就開啟了5G毫米波頻段的分配工作，2016年7月，確定將27.5-28.35 GHz

、37-38.6 GHz、38.6-40 GHz作為授權頻譜分配給5G，另外還為5G分配了64-71 GHz作為未授權頻譜。

 

歐洲：2016年11月，RSPG（歐盟委員會無線頻譜政策組）發布了歐盟5G頻譜戰略，確定將24.25-27.5 GHz作為歐洲5G 的先行頻段，31.8-33.4 GHz 
、40.5-43.5 GHz作為5G潛在頻段。

 

3
、毫米波終端技術實現

 

毫米波頻段頻率高
、帶寬大等特點將對未來5G終端的實現帶來諸多挑戰，毫米波對終端的影響主要在於天線及射頻前端器件。

 

3.1 終端側大規模天線陣列

 

youyutianxianchicundexianzhi
，zaidipinduandaguimotianxianzhenliezhinengzaijizhanceshiyong。dansuizhepinlvdeshangsheng，zaihaomiboduan
，dangetianxiandechicunkesuoduanzhihaomijibie，zaizhongduancebuzhigengduodetianxianchengweikeneng。ruxiatu1所示，目前大多數LTE終端隻部署了兩根天線，但未來5G毫米波終端的天線數可達到16根甚至更多
，所有的天線將集成為一個毫米波天線模塊。由於毫米波的自由空間路損更大，氣衰
、雨(yu)衰(shuai)等(deng)特(te)性(xing)都(dou)不(bu)如(ru)低(di)頻(pin)段(duan)，毫(hao)米(mi)波(bo)的(de)覆(fu)蓋(gai)將(jiang)受(shou)到(dao)嚴(yan)重(zhong)的(de)影(ying)響(xiang)。終(zhong)端(duan)側(ce)使(shi)用(yong)大(da)規(gui)模(mo)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)可(ke)獲(huo)得(de)更(geng)多(duo)的(de)分(fen)集(ji)增(zeng)益(yi)，提(ti)高(gao)毫(hao)米(mi)波(bo)終(zhong)端(duan)的(de)接(jie)收(shou)和(he)發(fa)射(she)性(xing)能(neng)，能(neng)夠(gou)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)彌(mi)補(bu)毫(hao)米(mi)波(bo)覆(fu)蓋(gai)不(bu)足(zu)的(de)缺(que)點(dian)，終(zhong)端(duan)側(ce)大(da)規(gui)模(mo)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)將(jiang)會(hui)是(shi)毫(hao)米(mi)波(bo)得(de)以(yi)商(shang)用(yong)的(de)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)之(zhi)一(yi)。

 

圖1：LTE終端與毫米波終端天線設想

 

終端部署更多的天線意味著終端設計難度的上升
，與基站側部署大規模天線陣列不同，終端側的大規模天線陣列受終端尺寸、終zhong端duan功gong耗hao的de製zhi約yue，其qi實shi現xian難nan度du將jiang大da大da增zeng加jia，目mu前qian隻zhi能neng在zai固gu定ding終zhong端duan上shang實shi現xian大da規gui模mo天tian線xian陣zhen列lie的de布bu置zhi。移yi動dong終zhong端duan的de大da規gui模mo天tian線xian陣zhen列lie設she計ji麵mian臨lin諸zhu多duo挑tiao戰zhan，包bao括kuo天tian線xian陣zhen列lie校xiao準zhun，天tian線xian單dan元yuan間jian的de相xiang互hu耦ou合he以yi及ji功gong耗hao控kong製zhi等deng。

 

3.2 毫米波射頻前端器件

 

射頻前端器件包括了功率放大器、開關、濾波器、雙工器、低噪聲放大器等，其中功率放大器是最為核心的器件，其性能直接決定了終端的通信距離、信號質量及待機時間。目前製造支持低頻段的射頻前端器件的材料多為砷化镓、CMOS和矽鍺。但由於毫米波段與低頻段差異較大，低頻射頻前端器件的製造材料在物理特性上將很難滿足毫米波射頻前端器件的要求。

 

以功率放大器為例，目前主流的功率放大器製造材料為砷化镓

，但在毫米波頻段

，氮化镓及InP的製造工藝在性能指標上均要強於砷化镓。下表所示為從低頻到毫米波段主要的射頻前端器件製造工藝上的發展方向。

 

 

另外，毫米波頻段大帶寬的特點對射頻前端器件的提出了更高的要求
，未來毫米波終端的射頻前端器件將可能需支持1GHz以上的連續帶寬。

 

雖然氮化镓被認為是未來毫米波終端射頻的主流製造工藝，但由於成本
、產(chan)能(neng)等(deng)因(yin)素(su)，基(ji)於(yu)氮(dan)化(hua)镓(jia)工(gong)藝(yi)的(de)高(gao)性(xing)能(neng)射(she)頻(pin)前(qian)端(duan)器(qi)件(jian)多(duo)用(yong)於(yu)軍(jun)工(gong)和(he)基(ji)站(zhan)等(deng)特(te)殊(shu)場(chang)景(jing)。毫(hao)米(mi)波(bo)射(she)頻(pin)前(qian)端(duan)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)將(jiang)會(hui)成(cheng)為(wei)毫(hao)米(mi)波(bo)終(zhong)端(duan)實(shi)現(xian)的(de)關(guan)鍵(jian)，預(yu)計(ji)到(dao)2020年之後
，毫米波移動終端射頻器件的技術和成本才可能達到大規模商用的要求。

 

4、毫米波終端測試方案分析

 

目前LTE終(zhong)端(duan)的(de)實(shi)驗(yan)室(shi)測(ce)試(shi)主(zhu)要(yao)使(shi)用(yong)傳(chuan)導(dao)連(lian)接(jie)，使(shi)用(yong)射(she)頻(pin)饋(kui)線(xian)將(jiang)被(bei)測(ce)設(she)備(bei)和(he)測(ce)試(shi)儀(yi)表(biao)連(lian)接(jie)，這(zhe)種(zhong)測(ce)試(shi)方(fang)案(an)對(dui)場(chang)地(di)要(yao)求(qiu)不(bu)高(gao)，受(shou)外(wai)界(jie)幹(gan)擾(rao)較(jiao)小(xiao)。但(dan)隨(sui)著(zhe)毫(hao)米(mi)波(bo)終(zhong)端(duan)側(ce)的(de)大(da)規(gui)模(mo)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)的(de)使(shi)用(yong)，終(zhong)端(duan)的(de)無(wu)線(xian)收(shou)發(fa)器(qi)都(dou)將(jiang)集(ji)成(cheng)到(dao)天(tian)線(xian)形(xing)成(cheng)天(tian)線(xian)模(mo)塊(kuai)
，未(wei)來(lai)毫(hao)米(mi)波(bo)終(zhong)端(duan)可(ke)能(neng)不(bu)會(hui)存(cun)在(zai)射(she)頻(pin)測(ce)試(shi)端(duan)口(kou)
，而(er)且(qie)高(gao)頻(pin)率(lv)下(xia)進(jin)行(xing)耦(ou)合(he)帶(dai)來(lai)的(de)高(gao)插(cha)損(sun)等(deng)因(yin)素(su)使(shi)傳(chuan)統(tong)的(de)傳(chuan)導(dao)連(lian)接(jie)測(ce)試(shi)的(de)方(fang)案(an)更(geng)不(bu)可(ke)行(xing)

，因(yin)此(ci)OTA（Over The Air）測試將成為毫米波終端測試的主流方案。

 

OTAceshikezhijieceshishebeidezhengtifushexingneng，nenggouduishebeidezhengjixingnengjinxingceshi，nenggougengzhenshidifanyingshebeideshijixingneng
，danceshixuyaozaiweiboanshijinxing
，duiyuceshidechangdiyaoqiujiaoweiyange，ceshifeiyonganggui。

 

圖2：OTA測試的暗室

 

目前LTE OTA和MIMO OTA的研究已經較為深入，但毫米波的OTA研究還處於起步階段，有關毫米波OTA測試的標準立項已經在CCSA開始討論。下圖3是LTE OTA測試係統的示意圖，未來毫米波終端OTA測試的方案預計會參考LTE OTA測試的係統，但由於毫米波工作頻率和主動天線陣技術等應用，未來毫米波OTA測試在技術上將進行一些改進。

 

OTA測試作為毫米波終端測試的必選方案，將麵臨以下挑戰：

 

1）毫米波新型吸波材料。由於傳統的軟質海綿吸波材料在物理性能可電性能上存在缺陷，無法完全滿足5G毫米波測量的要求。因此研究並開發更適合於毫米波暗室的吸波材料將會是毫米波OTA測試的關鍵。

 

2）OTA測試遠場測量條件。OTAceshigenjuceshichangleixingkeyifenweijinchangheyuanchangceshi。tongchangduiyutianxianfushexingnengdeceshi
，ceshijieshoutianxianyibanzhiyuyuanchang，cishidiancifusheshuyupingmianbo，changdexiangduijiaofenbuyulikaitianxiandejuliwuguan，daxiaoyulikaitianxiandejulichengfanbi，tianxianfangxiangtuzhuban、副fu瓣ban和he零ling值zhi點dian已yi全quan部bu形xing成cheng。而er在zai近jin場chang接jie收shou天tian線xian可ke能neng會hui和he發fa射she天tian線xian會hui由you於yu電dian容rong和he電dian感gan的de耦ou合he作zuo用yong互hu相xiang幹gan擾rao
，造zao成cheng錯cuo誤wu的de結jie果guo。遠yuan場chang的de判pan定ding條tiao件jian是shi被bei測ce件jian與yu測ce量liang天tian線xian間jian的de距ju離li要yao大da於yu2D2/λ，其中D為測量天線的直徑，λ為波長
，由於毫米波段波長很短，因此天線遠場的距離較大，以30GHz頻段，測量天線直徑為0.2m為例
，遠場的距離將達到80m，anshinanyidadaorucidadechicun，bingqieceshijulidezengjiahaihuizengjiabeicezhongduandaoceliangtianxianjiandelujingsunhao，huijinyibujiangdiceshixitongdelingminxinghezhunquexing。weijiejuehaomiboyuanchangtiaojiandewenti，womenkeyitongguojinsuochangfasuoduanceliangjuli，huozhecaiyongzhongquchangceliangdefangshilaidaitiyuanchangceliang。

 

緊縮場法：其(qi)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)一(yi)個(ge)拋(pao)物(wu)麵(mian)金(jin)屬(shu)反(fan)射(she)板(ban)，將(jiang)測(ce)量(liang)天(tian)線(xian)發(fa)送(song)的(de)球(qiu)麵(mian)波(bo)經(jing)反(fan)射(she)麵(mian)反(fan)射(she)形(xing)成(cheng)平(ping)麵(mian)波(bo)，在(zai)一(yi)定(ding)遠(yuan)距(ju)離(li)處(chu)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)良(liang)好(hao)的(de)靜(jing)區(qu)。將(jiang)天(tian)線(xian)安(an)置(zhi)在(zai)靜(jing)區(qu)內(nei)，測(ce)量(liang)天(tian)線(xian)的(de)遠(yuan)場(chang)特(te)性(xing)
，其(qi)類(lei)似(si)於(yu)遠(yuan)場(chang)測(ce)量(liang)，隻(zhi)是(shi)縮(suo)短(duan)測(ce)量(liang)距(ju)離(li)
，便(bian)於(yu)在(zai)理(li)想(xiang)遠(yuan)場(chang)環(huan)境(jing)（暗室）下(xia)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)。緊(jin)縮(suo)場(chang)天(tian)線(xian)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)能(neng)在(zai)較(jiao)小(xiao)的(de)微(wei)波(bo)暗(an)室(shi)裏(li)模(mo)擬(ni)遠(yuan)場(chang)的(de)平(ping)麵(mian)波(bo)電(dian)磁(ci)環(huan)境(jing)，利(li)用(yong)常(chang)規(gui)的(de)遠(yuan)場(chang)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)和(he)方(fang)法(fa)對(dui)天(tian)線(xian)的(de)輻(fu)射(she)性(xing)能(neng)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)。

 

中區場法：中區場（菲涅爾區）的距離計算方式為0.63

 

 


，同樣以30GHz頻段
，測量天線直徑為0.2m為例，中區場的距離隻有1.26m
，普通的暗室尺寸也能滿足需求，因此可以在係統層麵上
，研究新的中區場測量理論與場源重構方法，用中區場來代替遠場進行OTA測試。

 

圖3：LTE和毫米波測試係統示意圖

 

5
、國內毫米波終端商用計劃分析

 

國內有關5G相關的研究和測試正如火如荼地進行，但是相比於歐美
，我國在6GHz以下的低頻段尚有較多可用的頻譜資源，包括3.3-3.6 GHz，4.8-5 GHz以及部分重耕的頻譜，因此我國對於毫米波的需求並不是很迫切。從產業鏈各方的路標來看，國內5G的首發頻段應該為6GHz以下的低頻段。

 

目前毫米波相關的研究尚處於起步階段
，5G毫米波頻譜劃分還需進一步確定。預計到2020年，才會有正式的5G毫米波終端出現。在5G商用的初期，主要會以6GHz以下低頻基站為主，國內5G毫米波終端的大規模商用預計還需要較長的一段時間才能實現。

 

6、結束語

 

benwenjieshaolequanqiuhaomibodehuafenqingkuang
，zongjielehaomibozhongduanzaijishushixianshangjianghuiyudaodetiaozhanjikunnan
，haomibozhongduanjiangbuzhigengduodetianxianxingchengtianxianmokuai，tongshizaishepinqianduanzhizaogongyishang，gaopintexinggenghaodecailiaojiangbeikaifaheyingyong。zuihouduihaomibozhongduanOTA測試的情況及毫米波終端商用情況進行了分析。毫米波技術作為5G關鍵技術之一
，必將在即將到來的5G時代得以重用
，毫米波終端相關的研究和測試工作也將不斷提速
，為毫米波的商用奠定基礎。

 

參考文獻

 

[1] ITU-R report M.[IMT.ABOVE 6GHZ], “Technical feasibility of IMT in bands above 6GHz,” Jun 2015.

[2] ITU-R M.2376-0,”Technical feasibility of IMT in bands above 6 GHZ”; Jul 2015

[3] 工信部，“公開征求對第五代國際移動通信係統（IMT-2020）使用3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段的意見” ，2017

[4] 黃海峰，歐盟5G頻譜初定:競爭驅動,影響全球.通信世界
，2016

[5] 魏軍，5G通信技術推動物聯網產業鏈發展.集成電路應用
，2017

[6] IMT-2020(5G)推進組，5G無線技術試驗進展及後續計劃，2016

[7] CCSA YDT 1484.1-2016
，無線終端空間射頻輻射功率,和接收機性能測量方法第1部分：通用要求，2016

[8] CCSA YDT 2864.1-2015，終端MIMO天線性能要求和測量方法第1部分:LTE無線終端,2015

[9] 3GPP TR 38.900, Channel model for frequency spectrum above 6 GHz (Release 14), 2016

[10] CCSA TC9-WG1-#40, 5G毫米波OTA測量暗室