下一代工业无线网络 毫米波频谱开启5G时代

发布时间：2016-07-21 作者：James Kimery

　　随着全球标准化机构开始定义下一代无线网络，5G的宏大愿景 正在迫使研究人员改变他们的思维方式。提高4G网络的频谱效率并不足以达到5G目前定义的三个应用方向诸如数据速率、网络延迟和容量（图1），这三个用例由3GPP所定义，期望未来能够提供无处不在的瞬间移动宽带数据。

　　图1. 这三个5G用例由3GPP和IMT 2020定义。

　　增强型移动宽带(eMBB)用例由IMT 2020定义，该用例预想了一个超过10 Gbps的峰值数据速率，是4G网络的100倍。经实践证明，数据速率与可用频谱直接相关，而香农定理指出，容量是带宽（即频谱）和信道噪声的函数。低于6 GHz的频谱已经分配殆尽，而6 GHz以上频谱，特别是毫米波频率已经成为一个非常有前景的eMBB用例实现方案。但是，哪些毫米波频率才是有用的呢？
　　频谱选项
　　国际电信联盟(ITU)和3GPP在关于5G标准两个研究阶段的计划上已经达成了一致。第一阶段主要研究低于40 GHz的频率，致力于在2018年9月之前解决一些更紧迫的商业需求；第二阶段从2018年开始，到2019年12月终止，致力于实现IMT 2020提出的关键性能指标。第二阶段的重点是高达100 GHz的频率。 
　　为了在毫米波频率标准化上达成全球一致，ITU在去年11月举行的世界无线电通信大会(WRC 15)上公布了一个拟定的24 GHz~86 GHz范围内的全球可行频率列表：
　　·24.25-27.5GHz
　　·31.8-33.4GHz
　　·37-40.5GHz
　　·40.5-42.5GHz
　　·45.5-50.2GHz
　　·50.4-52.6GHz
　　·66-76GHz
　　·81-86GHz
　　国际电联发布该提案不久，美国联邦通信委员会(FCC)于2015年10月21日发出一条规则制定建议通知（NPRM），推荐了28 GHz、37 GHz、39 GHz和64-71 GHz频段的新灵活服务规则。

　　图2. 拟定用于移动应用的FCC频段

　　哪些是“最好”的频率？
　　尽管ITU、3GPP等标准机构将2020年定为对5G标准进行定义的最后期限，但移动运营商正在加速5G服务的时间进度。在美国，Verizon和AT＆T计划在2017年对5G的早期版本进行测试。韩国打算在2018年的冬奥会上进行5G试验，而日本则想要在2020年的东京奥运会上展示5G技术。经过这些不同群体的努力和推动，目前最有可能用于5G的候选频率包括： 28 GHz、39 GHz和73GHz。
　　这三个频段的提出有以下几个原因。首先，60 GHz的频率由于氧吸收的原因会产生大约20 dB/km的损失，与60 GHz不同的是，这些频率的氧吸收率低得多。这使其有可能适用于长距离通信。 这些频率在多径环境下也能可靠运行，可用于非视距(NLoS)通信。 通过将波束成型和波束跟踪与强方向性天线结合，毫米波可以提供可靠且非常安全的链路。纽约大学工程学院的Ted Rappaport博士和他的学生已经开始了28 GHz 39 GHz和73 GHz通道特性和潜在性能的研究。他们已经发表了多篇关于传播测量的论文以及这些频率的可能服务中断研究。这些频率的数据和研究结合全球频谱的可用性，使这三个频率成为毫米波原型验证的起点。
　　正如前面提到的，服务供应商都渴望获得这些大量未分配的毫米波频谱。 他们是决定这个频谱使用哪些频率的关键影响者。2015年2月，三星进行了信道测量，并显示28 GHz是蜂窝通信的一个可行频率。这些测量证实了城市环境中的预期路径损耗（非视距链路的路径损耗指数是3.53），三星表示，该数据表明毫米波通信链路可以支持超过200米距离。 其研究还包括相控阵天线方面的工作。三星已经开始对可能适合手机相控阵列的设计进行特性分析。在日本，NTT DOCOMO与诺基亚、三星、爱立信、华为和富士通合作，对28 GHz及其他频率进行现场试验。
　　2015年9月，Verizon公司宣布将于2016年在美国与其主要合作伙伴开展现场实验，其中就包括三星。2015年11月，高通使用128根天线对28 GHz频率进行实验，演示密集城市环境下的毫米波技术。它展示了定向波束形成如何用于非视距通信。随着FFC宣布28 GHz可用于移动通信，预计美国将进行更深入的实验和现场试验。 Verizon公司还与XO Communications签订了28 GHz频谱租赁协议，并附带可在2018年年底前购买该频谱的选项。
　　但是请注意，28 GHz频带并不包含在国际电联的全球可行频率列表中。但这是否将成为5G毫米波应用的长期频率选择仍有待确定。无论全球标准如何制定，美国、韩国、日本的频谱可用性，以及美国服务提供商对早期现场试验的承诺有可能将28 GHz引入到美国移动技术中。 在标准机构最终确定5G标准之前，韩国希望在2018年奥运会上展示5G技术的愿望也将会推动28 GHz应用到消费电子产品中。事实上，该频率并没有因为不在国际移动通信(IMT)频谱名单上而被忽视，而且也引起了FCC的注意。
　　原型验证推动毫米波研究的进展
　　尽管5G广泛采用28 GHz频率可能还需要很长的时间，但就目前来说，该频率显然非常重要。过去几年的移动通信同样专注于73 GHz和E频段频率。 诺基亚使用纽约大学在73 GHz下的信道测量结果，开始其在该频率的研究。在2014年NI公司的年度用户大会NIWeek上，诺基亚使用NI原型硬件来演示第一个在73 GHz下工作的无线demo。该公司将持续改进这个原型，并向公众展示这些最新的成就。在2015年世界移动通信大会(MWC)上，该原型系统使用透镜天线和波束跟踪，实现了超过2 Gbps数据吞吐率。诺基亚在2015年布鲁克林5G峰会上展示了该系统的MIMO版本，其运行速率超过10 Gbps，而且在之后不到一年的时间里，诺基亚又在2016年的MWC展示了一个超过14 Gbps的双向无线链路。诺基亚并不是唯一一家在MWC 2016上展示73 GHz demo的公司，华为也展示了一个与德国电信合作开发的73 GHz工作原型。该demo采用多用户MIMO机制，展示了高频谱利用率以及可为个人用户提供超过20 Gbps吞吐量的潜力。
　　未来几年预期会有更多关于73 GHz的研究。该频率不同于28 GHz和39 GHz的一个特点是可用的连续带宽（大于2 GHz），这是目前提出的最宽的频谱。通过比较，28 GHz提供了850 MHz的带宽，在美国，39 GHz附近的两个频带提供了1.6 GHz和1.4 GHz带宽。如前面所提到的，根据香农定理，更高的带宽意味着更高的数据吞吐量，这使得73 GHz在这一方面比其他频率更有优势。
　　39 GHz频带正在研究当中，但是公众对其的支持和研究并不是非常明显。该频率具有的部分特性使其可能成为一个不那么理想但可行的频率范围来获得广泛应用。FCC提议将39 GHz作为可能的移动频率。 Verizon公司在专注于2017年的28 GHz首次现场试验的同时，已经通过其与XO Communications的业务关系开始研究39 GHz，XO Communications已经拥有39 GHz的实质许可证。但是，公众对28 GHz和73 GHz的支持和研究显然比对其他频率的研究更为明显。
　　为了利用毫米波来实现5G网络，研究人员必须开发新的技术、算法和通信协议，因为毫米波信道的基本性质与当前的蜂窝模型截然不同，并且是相对未知的。在当前如此紧迫的研究计划下，建立毫米波原型极其重要。建立毫米波系统原型可通过某种方式展示某个技术或概念的可行性，这是通过仿真无法实现的。毫米波原型可在各种场景下通过无线方式进行实时通信，这揭开了毫米波信道的本质，从而为创新、技术的采用和普及提供了可能性。
　　挑战
　　毫米波移动接入给工程师带来了诸多挑战，包括现成商用硅芯片、模拟组件以及其他用于开发系统的模块可用性。这阻碍了该技术的商业化。设想一个能够处理数个千兆赫兹信号带宽的基带子系统。而当今大多数的LTE实现通常使用10MHz的信道（最大20 MHz），计算负荷随着带宽的增加而线性增加。换句话说，计算能力必须以100倍甚至更多的倍数增加才能解决5G数据速率需求。 为了执行毫米波系统物理层计算，FPGA是开发实时原型的关键技术。毕竟，推动毫米波技术发展的驱动力是获得大量连续带宽。
　　除了FPGA板卡，毫米波原型系统还需要最先进的DAC和ADC来捕获高达2 GHz的连续带宽。目前市场上的一些射频集成电路包含了可将基带??和毫米波频率相互转换的芯片，但选择非常有限，而且大部分覆盖未经许可的60GHz频带。工程师们可以使用IF和RF级来替代RFIC。开发出基带和IF解决方案后，相比于基带RFIC ，工程师可以选择更多的由供应商提供的毫米波无线电产品，但这样的产品仍然不是很多。开发毫米波无线电产品需要射频和微波设计的专业知识。这与开发FPGA板卡所需的专业知识完全不同，因此开发所有必要的硬件需要一个具备不同专业知识的团队。在开发毫米波基带原型系统时，FPGA必须作为核心组件进行考虑，编程能够处理数千兆赫兹信道的多FPGA系统会增加系统复杂性。
　　通往5G之路，毫米波势在必行
　　为了解决通信研究人员所面临的复杂性和软件挑战，NI毫米波收发仪系统提供了一组可配置的毫米波原型硬件以及一个包含源代码的毫米波物理层。该物理层包含了毫米波系统基带的基本方面，提供了跨多个FPGA的数据移动和处理抽象来简化集成。这些工具可加速从新原型到系统和产品的过渡，这对5G技术的发展至关重要。

　　图3. NI毫米波收发仪系统是全球第一个毫米波频谱软件无线电。

　　尽管5G的未来尚不明朗，毫米波无疑将成为定义5G的关键技术。我们需要24 GHz以上的大量连续带宽才能满足数据吞吐量要求，研究人员已经通过原型来展示毫米波技术可以提供超过14 Gbps的数据速率。目前悬而未决的最大问题是哪个频率将被广泛用于5G网络。

作者：James Kimery，NI RF科研和SDR市场营销总监