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(tǒng) （5th generation mobile networks，簡(jiǎn)稱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(biāo)是傳輸速率：按照通信行業(yè)的預(yù)期，5G應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)比4G快十倍以上的傳輸速率，即5G的傳輸速率可實(shí)現(xiàn)1Gb/s。這就意味著用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(yīng)用，比如云端游戲（游戲在云端服務(wù)器執(zhí)行，直把執(zhí)行畫(huà)面?zhèn)骰厥謾C(jī)，這樣手機(jī)配置不高也能玩大型游戲），虛擬現(xiàn)實(shí)（同理把運(yùn)算放到云端，手機(jī)端只負(fù)責(zé)輸出畫(huà)面）等等。

　　5G如何實(shí)現(xiàn)如此高的傳輸速率呢？

　　無(wú)線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)線傳輸中，數(shù)據(jù)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(hào)占用的無(wú)線帶寬不變，而每個(gè)碼元傳送的信息數(shù)據(jù)量是由調(diào)制方式?jīng)Q定的。

　　調(diào)制方式是指如何用信號(hào)傳遞信息。

　　在古代，人們用烽火臺(tái)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(xiàn)代通訊理論來(lái)說(shuō)，就是我們調(diào)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(tái)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(tái)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(xiàn)這一點(diǎn)。例如，改進(jìn)的烽火臺(tái)里面我們可以控制烽火的火勢(shì)，將火勢(shì)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(yuǎn)，10=中火=有敵人且離我們不遠(yuǎn)，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(cuò)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(cuò)了。相對(duì)地，如果只有兩種狀態(tài)（熄滅和點(diǎn)燃），則出錯(cuò)的幾率比較小。

　　無(wú)線通訊中的調(diào)制也是這個(gè)道理，通過(guò)操縱無(wú)線電波的幅度和相位可以產(chǎn)生載波的不同狀態(tài)。當(dāng)調(diào)制方式由簡(jiǎn)單變到復(fù)雜時(shí)，載波狀態(tài)數(shù)量增加，一個(gè)碼元所代表的信息量（比特?cái)?shù)）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(yīng)該在的位置從而造成解碼出錯(cuò)。所以復(fù)雜調(diào)制對(duì)信道的要求比較高，在信道噪聲很大的情況下使用復(fù)雜調(diào)制會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率很高，而且解碼所需要的電路也會(huì)非常復(fù)雜，導(dǎo)致功耗很大。

　　由簡(jiǎn)單（左）到復(fù)雜（右）調(diào)制的狀態(tài)圖

　　相對(duì)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(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率也翻倍。但問(wèn)題是，現(xiàn)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(zhǎng)在毫米數(shù)量級(jí)的電磁波，其頻率大約在30GHz~300GHz之間。

　　根據(jù)通信原理，無(wú)線通信的最大信號(hào)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(xiàn)的信號(hào)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(dá)1GHz，而60GHz頻段每個(gè)信道的可用信號(hào)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(jī)5G在線看藍(lán)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。換句話說(shuō)，用毫米波實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jī)使用的毫米波信號(hào)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(hào)（對(duì)你而言是干擾信號(hào)）的衰減也很大，所以毫米波系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候不用特別考慮如何處理干擾信號(hào)，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?yàn)?0GHz正好是氧氣的共振頻率，因此60GHz的電磁波信號(hào)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(dāng)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(jī)終端和基站距離很遠(yuǎn)的場(chǎng)合。各大廠商對(duì)5G頻段使用的規(guī)劃是在戶外開(kāi)闊地帶使用較傳統(tǒng)的6GHz以下頻段以保證信號(hào)覆蓋率，而在室內(nèi)則使用微型基站加上毫米波技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)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(tǒng)6GHz以下頻段還有一個(gè)特點(diǎn)就是天線的物理尺寸可以比較小。這是因?yàn)樘炀€的物理尺寸正比于波段的波長(zhǎng)，而毫米波波段的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)6GHz以下頻段，相應(yīng)的天線尺寸也比較小。因此我們可以方便地在移動(dòng)設(shè)備上配備毫米波的天線陣列，從而實(shí)現(xiàn)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)射天線和接收天線，使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，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(xì)介紹）。

　　毫米波收發(fā)機(jī)芯片如何實(shí)現(xiàn)

　　NICT研發(fā)的毫米波收發(fā)機(jī)架構(gòu)圖

　　商用的毫米波收發(fā)機(jī)芯片會(huì)使用CMOS（CMOS=complementary metal-oxide-semiconductor，指用半導(dǎo)體-氧化層-金屬堆疊形成半導(dǎo)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(shù)字模塊集成，另一方面為了節(jié)省成本。

　　毫米波收發(fā)機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)頻段收發(fā)機(jī)很相似，但是毫米波收發(fā)機(jī)有著獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　其一是如何控制功耗。毫米波收發(fā)機(jī)要求CMOS器件能工作在毫米波頻段，所以要求CMOS器件對(duì)信號(hào)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(yàn)，很多水龍頭在關(guān)著時(shí)，需要擰很多下才會(huì)出來(lái)一點(diǎn)點(diǎn)水，然后隨著水流越來(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?jǐn)Q龍頭的動(dòng)作就是激勵(lì)信號(hào)，而對(duì)應(yīng)的水流變化就是輸出響應(yīng)。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(diào)整輸出流量（對(duì)水龍頭是水流，對(duì)CMOS則是輸出電流）。

　　因此，如果需要CMOS器件對(duì)微弱的毫米波信號(hào)能快速響應(yīng)，必須把它的直流電流調(diào)到很大（相當(dāng)于把水龍頭設(shè)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(hào)。

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

　　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(duì)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?yán)锩鎸儆谒头诸}。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(jī)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(zhǎng)）。這時(shí)候分析受力就比較困難，屬于高中物理競(jìng)賽級(jí)別的題目。

　　毫米波電路設(shè)計(jì)也會(huì)遇到類似的挑戰(zhàn)。我們可以把電路中的導(dǎo)線類比成繩子，而把電路中的信號(hào)源類比為對(duì)繩施力的人。當(dāng)信號(hào)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(dǎo)線上每一點(diǎn)的信號(hào)都近似地等于信號(hào)源的信號(hào)。當(dāng)信號(hào)變化很快時(shí)，由于信號(hào)的波長(zhǎng)接近或小于導(dǎo)線的長(zhǎng)度，我們必須仔細(xì)考慮導(dǎo)線上每一點(diǎn)的情況，而且導(dǎo)線的性質(zhì)（特征阻抗）會(huì)極大地影響信號(hào)的傳播。

　　這種效應(yīng)在電磁學(xué)中被稱為“傳輸線效應(yīng)”，在設(shè)計(jì)毫米波芯片時(shí)必須仔細(xì)考慮傳輸線效應(yīng)才能確保芯片正常工作。

　　不過(guò)，盡管設(shè)計(jì)充滿挑戰(zhàn)，毫米波芯片大規(guī)模商用化目前已現(xiàn)曙光。Broadcom已經(jīng)推出了60GHz的收發(fā)機(jī)芯片（BCM20138），該產(chǎn)品主要針對(duì)60GHz頻段的WiFi標(biāo)準(zhǔn)（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(gòu)了專注于毫米波技術(shù)的Wilocity。同時(shí)，三星，華為海思等重量級(jí)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(jié)語(yǔ)

　　毫米波技術(shù)可以通過(guò)提升頻譜帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)超高速無(wú)線數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)必須克服功耗和電磁設(shè)計(jì)兩大難關(guān)，當(dāng)這兩個(gè)問(wèn)題解決后大規(guī)模商用只是時(shí)間問(wèn)題。