视频技术系列 - 谈谈毫米波

作者，中国移动李琳，咪咕灯塔项目组

本文介绍毫米波的技术优劣势，以及可以应对毫米波技术挑战的各项关键技术。

2020年10月GSMA发布的《5G毫米波技术白皮书》预计，在2022年北京冬奥会上，5G毫米波有望大放异彩，为观众、媒体转播者、赛事组织和参与者等提供优质的观赛体验、完备的服务保障，将可提供全景VR、新型信息交互、智能安防、新闻媒体服务等，满足冬奥组委关于网络新技术方面的要求。本期和下期专题洞察，将围绕毫米波的技术优势和挑战、关键技术、应用情况、标准化、产业链现状以及未来前景展开讨论。

按照ITU-R WP5D M.2083报告定义的系统需求，5G将支持至少100 Mbit/s～1 Gbit/s的边缘用户体验速率，10 Gbit/s～20 Gbit/s的系统峰值速率。但是，6 GHz以下频率资源匮乏，很难找到连续的大带宽满足5G系统需求，毫米波开始成为移动通信发展的重要研究方向，第三代合作伙伴计划（3GPP）已经将毫米波作为3GPP 5G移动通信系统的必要组成部分，国内IMT-2020已经成立毫米波工作组并已经开展毫米波相关研究和行业标准的制定工作。

1. 毫米波的概念

**毫米波概念是波长1毫米到10毫米的电磁波（频段30GHz_{300GHz）**，处于微波的高频段，与远红外相邻。当**前5G使用的毫米波是指100GHz以下相对低频部分（具体频段见附录一）**，高频部分被归为太赫兹（100}1000GHz）。5G的频段分三部分，首选是SUB-6G（厘米波），扩展频段是毫米波，应用于广电网是SUB-1G（分米波），之前的1G~4G使用的也是分米波。

图1-1 5G频谱分布

2. 毫米波技术的优势和挑战

毫米波技术优势突出，但是劣势也很明显。5G毫米波拥有频率资源丰富/带宽极大、易与波束赋形技术结合、可实现极低时延、可进行高精度定位、可支持密集化部署、集成度高等技术优势。同时，毫米波波束窄，传输距离短，易被遮挡，存在覆盖难、移动性管理难、手机集成难等问题。

技术优势

频率资源丰富，带宽大：5G 毫米波技术第一个优势，同时也是最重要的优势。5G毫米波5G Sub-6 GHz 频段具有更丰富的频谱资源，如图1-1所示。毫米波段可以分配连续大带宽，比如，连续800M频谱，采用四个单载波200MHz（4200MHz） 或者八个单载波100MHz（8100MHz） 实现载波聚合传输。基于3GPP 标准可用的信道宽度和调制方式，结合先进的天线设计和射频处理技术，5G 毫米波网络可轻易实现Gbps级别的峰值数据吞吐率。

易与波束赋形技术结合：通过大规模天线波束赋形技术，可以提高通信距离、定位精度、安全性，并支持高密度部署。毫米波天线小，基站天线阵列可集成更多阵子（256、512甚至更多），适合应用波束赋形技术增大通信距离，使其能覆盖半径最远可达几千米。波束窄，可以提升位置敏感度从而提高定位精度，且较难被捕获和监听提高安全性。波束赋形的定向性特点还可将信号能量聚焦在特定方向来减小对环境其他方向信号的干扰，保证邻近链路或邻近小区通信质量，与中低频系统相比，更容易实现密集部署。

交互时延低：毫米波新空口技术交互时延低。5G网络以时隙为单位调度数据，空口时隙越短时延相对越小。5G毫米波空口时隙最小0.125ms，相比5G 中低频时延显著降低，是满足工业互联网、远程医疗、自动驾驶等实时交互URLLC业务的需求，时隙对比如下表。

表1-1 5G网络不同频段可配时隙间隔

技术劣势

数据显示，目前全球已开通了 5G网络的共有63家运营商中，只有4家运营商在使用毫米波，其中3家是美国运营商，1家是乌拉圭运营商。毫米波不是多数国家5G部署频段的首要选择是因其技术存在一定劣势。

覆盖难：毫米波信道衰减大以及视距传输导致区域连续覆盖难。由于电磁波频率越高在信道中的衰减越大，因此毫米波路径损耗大于中低频信号，覆盖范围缩小。通过波束赋形可以增加传输距离，但是因为波束窄实际全面覆盖难度大。此外由于波粒二象性，毫米波更接近视距（LOS）传输，可能被手部、身体、墙体、植被、雨滴阻挡，信号覆盖受环境变化影响大。

移动性管理难：毫米波的波束很窄，物体移动很容易就离开了波束区域，对于移动物体的信号提供难度较大，需要有更强的追踪能力和有效的重连机制。

手机集成难：对小尺寸终端（手机）是挑战。一是空间挑战，要和已有的天线共存，部署难；二是信号挑战，毫米波路径损耗大，易被手机壳、手等遮挡。

以上问题通过毫米波关键技术优化可以得到一定的解决。

2. 毫米波关键技术

毫米波关键技术包括芯片、天线、波束管理、部署和测试评估等方面。

芯片技术方面

毫米波芯片和中低频信号芯片相比变化点有两个，一是收发毫米波信号需要支持高频信号的芯片；二是因支持毫米波通信引入的需求，如基站侧需要采用混合波束赋形技术，端侧需要引入AiP集成封装技术等。

基站芯片架构及工艺

基站侧架构变化是，采用了混合模数波束成型框架（Hybrid Analog-Digital Beamforming，HAD-BF）。如下图所示，左侧为中低频的架构，右侧是毫米波采用的架构。变化的原因是如果使用传统架构一方面功耗太高，另一方面电路复杂度太高，因此将部分调幅调相操作改为在模拟域器件完成（混合波束赋形），可以大大降低成本和复杂度，且经测试可以达到接近全数字域控制的效果。

图2-1 中低频-毫米波基站侧架构对比

半导体材料和工艺也有一定变化。基带的材料和工艺变化不大，主要是射频模块变化大。首先材料需要选择功耗、工作温度、噪声等性能更优的第三代半导体氮化镓(第一代是元素半导体如Si，第二代是砷化镓/磷化铟)；此外工艺因高集成度的要求以及成本采用Si基衬底工艺（GaN-on-Si）；此外化合物半导体和传统集成电路的（GaN-SiCMOS）封装集成技术也很关键，当前比较先进的是高密度3D集成技术（此技术目前主要在美国）。

终端芯片架构及工艺

终端芯片架构变化点主要有两方面，一方面是因为毫米波采用多天线需要高密度集成和发热等问题需要将射频模块和天线集成封装到芯片里（AiP技术），和之前一般采用封装到一个模组（AiM）的方式不同，见下图黄框1部分电路；另一方面端侧需要用二次变频的技术解决路径损耗的问题（把毫米波转换成中频低传输），见图中黄框2增加的蓝色电路部分。端侧架构变化见下图，左边为SUB-6G，右侧为毫米波。

图2-2 中低频-毫米波端侧架构对比

因多天线波束赋形技术，手机信号不再是向四周发射而是以波束的方式发射，手机需要集成多个天线模块才能实现覆盖，如下图所示。

图2-3 手机波束示意图

大规模天线波束赋形方面

大规模天线（Massive MIMO）和波束赋形（Beamforming）技术是毫米波通信系统的关键技术。

波束赋形概念：什么是波束，不同信号源发出的电磁波会相互叠加发生干涉，见下图左侧示意图为两个天线阵子场景，部分区域信号正向叠加增强，利用此原理天线阵列信号增强的区域在空间上看是一个个波束，中间的一个波束信号最强，距离最远叫“主瓣”，我们在波束赋形中主要就是对这个主波束的控制，见下图右侧示意图。

图2-4 波束赋形物理学原理图

天线阵子越多主波束越窄越长，毫米波基站天线一般是数百个，波束更窄更长，通过这种牺牲宽度的方式提升毫米波的覆盖距离。

图2-5 波束宽度示意图

波束赋形是通过调整信号源振幅、相位等参数来调整波束的角度，使波束可以对准终端设备，达到信号最大增益，如下图所示。

图2-6 波束赋形振幅和相位调整示意图

波束赋形分类：波束赋形的关键在于天线权值的处理。根据处理位置和方式不同分为数字波束赋形，模拟波束赋形，混合波束赋形三种。当前的毫米波解决方案基站侧使用的是混合波束赋形（手机侧天线相对少可以用数字波束赋形）。

图2-7 数字波束赋形、模拟波束赋形、混合波束赋形示意图

数字波束赋形（中低频采用）通过数字信号处理权值的方式，在基带模块就完成了权值的处理，需要基带处理的通道数和天线单元的数量相等，因此需要为每路数据配置一套射频链路。优点是赋形精度高，实现灵活，响应快，支持一天线多波束；缺点是成本高，当前毫米波基站几百个天线阵子的场景不可实现。

模拟波束赋形，在射频模块直接对模拟信号调整信号权值（移相、振幅等），优点是器件成本低、功率低；缺点是精度低且灵活性差，权值可调整范围小且响应慢，不支持一天线多波束。

混合波束赋形是折中的方案，将数字波束赋形和模拟波束赋形结合起来。混合波束赋形融合了数字和模拟两者的优点，基带处理的通道数目明显小于模拟天线单元的数量，复杂度大幅下降，成本降低，系统性能接近全数字波束赋形。

波束赋形优势：其一，支持多流传输，通信容量提升。对多个设备调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源可同时传输多条信号，提升系统频谱效率和功率效率。对于同一个用户在下行和上行可以同时支持多流数据传输，如下图所示为发送4组天线接受两组天线的场景，可以提升单用户数据传输效率。其二，覆盖能力提升。毫米波等高频频电磁波衍射能力下降，穿透损耗大大增加，而可以大大提升电磁波可达距离。其三，抗干扰能力提升。波束较窄，上下行场景都可以降低干扰。

图2-8 单用户多流传输示意图

波束管理方面

毫米波通信系统中，需要选择最优角度的波束进行数据传输，用户端存在移动、旋转、阻塞，还需要对选择的波束对进行实时更新，因而需要对波束进行精细的管理。波束管理包括以下两方面：波束扫描与跟踪、波束失败恢复。

基站波束分类：基站的波束分两大类，广播信道波束（宽）和业务信道波束（窄）。

广播信道主要是用于终端小区选择等控制信号交互。通过空间方向区域对空间做划分，用同步信号块（Synchronization Signal and PBCH block, 简称SSB）管理。根据覆盖区域大小可选水平、垂直8×8=64个SBB或者4×4个=16个SBB不同配置，配置是静态的。3GPP当前最多支持64个SBB。

业务信道，在广播信道确认基础上，基站基于对应的SBBID选择最优的精细化波束和端侧进行数据交互（过程见扫描与跟踪章节）。用户的业务数据是通过业务信道波束传输的。

波束扫描与配对：毫米波的波束窄，直接遍历扫描全部窄波束寻找最佳发射波束效率太低，为提高效率5G标准采用由宽到窄的分级扫描的策略，会根据用户的位置不同不断切换最佳波束。接入及连接过程如下图右侧部分，分三步。

图2-9 波束扫描和波束管理示意

第一步，接入阶段，终端轮扫SSB信号，找到基站侧信号质量最好的SSBID并通过信令上报基站。

第二步，连接阶段，基站在对应的SSB区域内轮发精细化波束和端侧进行通信，端侧选择最优波束并通过信令上报给基站，基站后续使用这个波束和端侧交互。

第三步，端侧自行调整和选择自己的最优波束，完成波束配对，此过程基站侧不感知。

波束失败和恢复：毫米波信号波束窄易被遮挡，信道稳定差。当用户接收质量低于一定阈值，端侧会发起波束失败恢复流程，重新选择SSB，发起接入、连接过程，与基站重新建立新的波束对。此过程目前还在不断优化，如R16的双连接优化，着力于提升重连效率。

图2-10 波束双连接优化示意图

基站部署方面

接入集成回传技术：接入集成回传（IAB）是指在不适用光纤的区域，可以灵活利用毫米波小基站作为接入设备的同时也作为移动回传数据的中继，通过多跳完成数据回传，降低光纤接入成本，示意如下图。

图2-11 IAB集部署示意图

高低频混合组网：随着5G的部署逐步展开，结合已有的中低频基站源，增量部署毫米波基站，可以采用高低频双连接，高低频载波聚合等多种方式，使端侧充分使用多频和多信道技术，以达到更高的速率。

图2-12 混合组网逻辑架构图

测试和评估方面

5G 毫米波因设备的射频收发信机阵列与天线阵列整合成了一个整体，导致无法兼容中低频场景的测试方法和标准。3GPP R16补充了毫米波基站、终端的测试方法和相关指标，但是仍有很多不足，尚未形成最终的技术规范。

当前经达成共识 OTA（Over the Air，空口）测试将成为5G 毫米波系统的主要测试形态。OTA 指标可以根据测试方法分三种。方向性指标（Directional）主要是指影响组网和覆盖能力的关键指标和下行波束赋形与上行接收合并分集有关的指标。非方向性指标（TRP）主要指影响整体系统的指标，例如无用发射和带外辐射等。共址指标指由于天线耦合因素存在，造成测试有难度的指标，如共址辐射要求、发射互调和关断功率等。测试系统主要包括微波毫米波暗室、测试仪器、相关配件以及主控单元。

毫米波暗室是一个空间结构，内部表面布满吸波材料，制造出一个纯净的电磁环境，提高测试设备的测试精度和效率。

图2-13 远场、近场、紧缩场暗室示意图

3. 小结

本文介绍了毫米波的技术优劣势，以及可以应对毫米波技术挑战的各项关键技术。高频核心器件是毫米波通信面临的一个重要挑战，低成本、高可靠性的封装及测试等技术也至关重要。我国在高性能高频器件、原型系统验证等方面与全球领先企业仍存在较大差距，需要进一步开展创新性研究与开发工作。

后续将谈谈毫米波应用情况包括部署情况和应用场景、标准化、产业链现状以及未来前景。