mmWave Will Be the Critical 5G Link

Joe Madden, Mobile Experts, Campbell, Calif.

在过去的30年中，移动网络已成为人们生活中的关键部分，移动服务的使用需求开始达到令人难以置信的水平。今年，全球移动网络每月数据流量将高达30艾字节。而且这一需求将继续以每年约50％的速度增长。美国约有15％的成年人全天使用LTE，因此他们关闭了Wi-Fi（说管理Wi-Fi热点很烦人）。依赖于“不限量套餐”的年轻人每月消耗50 GB的移动视频流量。有迹象表明数据需求将继续快速增长。

Mobile Experts跟踪了全球多个移动运营商对移动数据的需求，他们以每平方千米每兆赫兹频谱的吉比特每秒流量（GkM）为单位衡量和跟踪忙区在忙时的流量水平。为了理解先进网络如何处理某些城市的极端需求，通过不同的运营商之间的GkM比较，可以评估是否需要小小区（small cell）、大规模MIMO或毫米波以满足需求（如图1所示）。

图1：移动数据流量密度的基准数据（Gbps/km²/MHz或GkM）。

GkM流量密度多年来一直在稳步上升，并且在东京和首尔的地铁站等地方最为明显，成千上万的人站这里观看视频。随着新的应用和视频内容在移动平台上的推出，流量密度的统计增长非常平稳。

观察发现，移动运营商普遍采用小小区覆盖流量密度大于0.02 GkM的区域。换句话说，宏网络饱和流量超过0.02 GkM，小小区成为增加容量的更经济的方式。最近，网络的流量密度超过了0.1 GkM，因此需要大规模MIMO才能继续增加容量。

目前，一些迹象表明，在0.15到0.2 GkM范围内的流量密度水平将使OFDM网络饱和。将会有一些方法来突破这一障碍，但在1至3 GHz频段内需要大量极低功率的射频节点才能满足流量密度超过0.2 GkM的需求，这将非常昂贵。

向移动网络添加5G频谱实际上可以降低流量密度。例如，韩国领先的网络之一在最近推出3.5 GHz频段中的100 MHz频谱时出现了GkM下降。如图2所示，在28 GHz频段新增的800 MHz频谱将使关键热点的流量密度降低到更易于管理的水平。

图2：增加5G频谱后流量密度的改变

因此，在许多方面，运营商可被视为使用5G频谱来管理其流量密度。当高密度使增加容量变得昂贵时，添加更多频谱是最佳选择。

用毫米波增加容量

在5 GHz以下的许可频段用完之后，移动运营商开始将毫米波频谱视为获得大带宽的机会。美国是一个很好的例子，在C波段没有宽的频谱块，因此移动运营商在28和39 GHz毫米波频段上投入了大量资金。

事实上，在美国主要城市区域的大型移动网络的6 GHz以下容量已经耗尽。在超级碗（美国橄榄球超级杯大赛）等特殊活动期间，移动网络的流量密度在0.12 GkM以上。Mobile Experts对美国网络的四个部分（城市密集区、城区、郊区和乡村）的移动数据需求进行了建模，估计包括宏基站、小小区、CBRS、LAA以及6 GHz以下大规模MIMO的移动网络的容量。如图3所示，即使拥有充分利用的具有最大容量的异构网络，密集城市区的需求将在2023年超过容量。请注意，图3中显示的数字代表了美国所有密集城市站点的总需求和容量，因此像时代广场等极端高密度位置的需求将高于2021年至2022年期间的容量。根据流量密度基准的趋势，到2022年，纽约市密集的城市节点的峰值时间的流量密度应达到0.1 GkM或更高的水平。

图3：美国密集城市移动网络的需求与容量

毫米波如何派上用场

许多经验丰富的RF工程师对在移动环境中使用毫米波无线链路的合理性持怀疑观点。毕竟，毫米波链路依赖于窄波束以实现合理的链路预算。RF信道中的任何杂波都会破坏窄波束。

5G毫米波移动网络中的切换已经在首尔的测试系统中以及在赛道上以200公里/时的速度进行了演示，因此5G框架结构有助于在极端多普勒频移条件下进行切换。

但是，移动运营商最初不会将5G毫米波链路用作独立（SA）无线电信道。相反，1到2 GHz的LTE载波将被用作主链路，控制信令发生在更可靠的低频带上。然后，毫米波链路将在下载或上载大量数据时发挥作用。通过这种方式，毫米波无线电将作为载波聚合层来增加吞吐量，在可用时提高速度，但对于切换链路的连续性不是必不可少的。在某些时候，运营商可能决定使用5G毫米波作为SA移动网络，但是现在没有一个运营商主动计划独立运行5G毫米波。

RF实施 - 基础设施

与6 GHz以下LTE基站相比，毫米波基站看起来有显著不同。从根本上讲，毫米波无线电在24至40 GHz频段内具有较低的功率放大器效率，因此输出功率水平将远低于低频移动无线电。主要受在塔顶的射频单元的被动冷却的散热水平限制。考虑到小体积的外壳中约250 W的热量限制，能传导的射频功率将非常低，在任何配置下都低于10 W.

因此，系统工程师已经转向使用至少64个天线的大规模MIMO架构，以便使用更高的天线增益。最初的产品每个波束使用64到256个天线单元，以实现25到30 dBi的天线增益。这样，低传导功率可以实现60 dBm范围内的线性EIRP。每个波束还承载了多个流。大规模MIMO基站配置有双极化天线阵列，因此每个波束可以使用2×2 MIMO进行操作。

通过构造具有多个面板的阵列，可以使射频单元支持多个波束。从加工角度来看，OEM正在考虑使用具有一定单元数量的面板（例如每个面板为64到256个单元）。然后，可以按比例放大和缩小产品以支持不同级别的容量。目前，该领域的一个示例使用四个256个单元的面板，共计1024个天线单元，支持四个波束，每个波束支持2×2 MIMO。

注意，波束和流的配置并不基于硬件。如果在天线单元中配置可以单独控制的模拟移相器和可变增益放大器，OEM就可以选择在软件中更改配置。目前，在几乎所有原型中都使用这种“混合波束成形”方法，因为宽带的全数字波束成形处理难度大，成本昂贵。

目前，在许多基站中使用SOI和SiGe半导体技术以实现高集成度和低成本。GaN还具有在高EIRP水平下降低功耗的巨大潜力，利用GaN器件固有的高线性度和功率，可以使用更少的天线单元实现60 dBm或更高的EIRP。

基于PA效率数据和巴塞罗那MWC 2019现场演示的散热器尺寸/效率，可以估算获得多个毫米波阵列的直流功耗，如图4所示。看起来GaN在28GHz的线性功率放大器的原始效率方面具有显著优势。然而，到目前为止，所有主流的OEM都选择使用SOI或SiGe，以利用更高的集成度、更大的晶圆以及由此产生的更低成本。

图4：GaN、SOI和SiGe阵列的功耗比较。

在接下来的五年中，预计将对窄波束（长距离）和宽波束（为了更好的移动性）之间的平衡将进行重大调整。在密集的城市网络中的最佳折衷方案目前尚不清楚，并且可能会出现特定配置以将火车/公共汽车/移动车辆等和行人用户区分开来。特别是，大型基于SOI的阵列有望支持覆盖密集城市区域的应用，这些区域行人速度是典型的，需要垂直和水平方向的扫描。其他具有更高移动性和较少垂直转向的应用程序可能会转向GaN设备。

RF前端的物理集成也很重要。在24至40 GHz频段内需要非常紧密的集成以保持低插入损耗，因此LTCC或3D玻璃结构将用于嵌入有源芯片和无源器件（如图5所示）。

图5：毫米波前端的物理封装/集成图解（来源：pSemi）。

在射频单元（RU）中，一种方便的安排是将RFIC用于四个天线单元。从简单的几何角度来看，一个用于波束成形的RFIC（相位和幅度调整）可以放置在四个天线单元之间，使用短走线和过孔来传输毫米波信号（如图6所示）

图6：典型的面板有4个部分，共计64个RFIC、256个双极化天线（来源：FCC备案）。

一个悬而未决的问题是在毫米波前端是否使用滤波器。目前，在前端没有使用带通滤波器，在现场试验期间，频谱足够干净，可以依靠贴片天线和分布式天线馈源的自然滚降来提供带外抑制。在未来，频谱拍卖和多运营商部署会产生干扰。实际上，对于高EIRP和非常窄的波束，当它突然出现时干扰会非常强烈。最近的分析表明，滤波器将在未来三年内引入封装。

RF实施 - CPE

在固定无线中，客户端设备（CPE）是系统的关键部分。5G毫米波网络的初始部署依赖于CPE天线的高增益和高EIRP，以获得必要的容量。目前，CPE射频前端使用类似于网络基础设施的方法构建，其中一组天线单元由波束成形RFIC控制、上/下变频和基带处理支持。典型的CPE使用32个双极化天线单元，支持2×2 MIMO，天线系统增益约为20 dBi。

由于CPE始终连接到主电源，因此PA效率不是严重限制，CPE通常可以实现高增益和高发射功率（线性EIRP在40 dBm范围）。

RF实施 - 手机和其他移动设备

5G毫米波链路面临的最大挑战来自用户的手挡住智能手机上的天线。在28 GHz频段，用户的手很可能将信号衰减至少30到40 dB，从而有效地完全消除了链路。可以有多种策略来避免此问题：

1、每个手机上有多个天线子阵列。所有5G毫米波手机原型在过去一年中都展示了多个子阵列，放置在智能手机的两侧。

2、可折叠手机正在上市，例如三星的Galaxy Fold和华为的Mate X。由于可折叠手机在展开位置比人手大得多，因此天线的放置可能会更加暴露。

3、可以使用移动热点代替毫米波链接直接连接到智能手机。这完全避免了手部问题，但可能在未经许可的频带中引起更大的干扰。重要的是，智能手机的空间和电池尺寸限制在这里不适用，因此可以增加天线的数量以实现更高的EIRP。

由于成本和空间原因，手机上的物理实现受限于几个子阵列、一个RFIC和调制解调器/波束成形处理器。为了使这种排布经济实惠，每个毫米波子阵列都包括一个上/下变换器，用于将毫米波信号下变频到大约4到6 GHz的IF频率（如图7所示）。这使信号能够通过PCB传输到集中式RF收发器。

图7：手机上三个毫米波子阵列的布局

每个毫米波子阵列目前使用四个双极化贴片天线，每个天线都有一个发射/接收开关、低噪声放大器（LNA）和功率放大器（PA），使用RF-SOI紧密集成。每个放大器只能输出大约15 dBm的线性功率，因此可以使用多达8个天线来达到20 dBm以上的EIRP水平。智能手机平台上的三维波束成形具有挑战性，尤其是在金属表面和人手非常接近的杂乱环境中。即使使用了8个天线，到目前为止原型设计表明天线增益仅为5 dBi左右。

出于这个原因，我们期望使用32个或更多天线的热点产品以获得更高的性能，在天线系统中实现20 dBi的增益（阵列为15 dBi，贴片天线本身为5 dBi）。此类产品应能够达到大约35 dBm或更高的线性EIRP。从系统的角度来看，大约35 dBm或更高将是一个重要的水平，因为5G链路需要具有TDD信道反馈的闭环以便保持连续连接。来自客户端设备的较低EIRP意味着链路的较短范围，并且将要求网络运营商部署更大数量的小区站点以覆盖邻近区域。简而言之，对移动运营商来说来自客户端设备的低传输功率将使5G业务无法工作。

商业状况

今年，美国市场正积极进行基站部署，韩国市场也不甘落后。最近的预测表明，到2024年将部署60多万个射频头。

目前，由主要OEM厂商推出的CPE商用固定无线服务已在少数美国城市推出。ODM领域出现了一些性能较差的CPE，但我们预计这些CPE会迅速改善以支持健康增长。在未来几年内，固定无线应用将占数百万用户。

这一代技术的独特之处还在于手机的推出非常迅速，智能手机将在大多数国家推出网络之前上市。第一款5G毫米波手机已经发布（5G Moto MOD），至少还有8款其他毫米波手机将在2019年下半年发布。

总结

与1到2 GHz的LTE射频链路相比，5G毫米波射频链路更复杂、更昂贵且更不可靠。但毫米波频段对满足不断增长的需求是必要的，因此该行业目前正在投入资金用于部署基站和开发客户端设备。采用CPE的初始固定无线应用的性能令人惊讶地稳定。向移动5G的迁移将是棘手的，需要在波束宽度、链路预算、移动性和成本之间权衡。但有一个明确的结论：5G毫米波将成为未来移动网络的重要组成部分。