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第五代挪动通讯体系 (5th generation mobile networks,简称5G)现在已开端渐渐开端商用,各重点地市局部地域5G基站已渐渐试点商用,华为,高通均推出本人的5G芯片,复兴也声称下半年会推出本人的7nm工艺5G芯片,各大厂家的5G终端和CPE已投入市场,差别于2G/3G/4G,5G期间为了疾速推进摆设,行业界说了两种组网方法。此中,NSA是一种过渡方案,依托4G基站和中心网事情,而SA的中心网是一个全新网络架构,能充实发扬5G的才能,但投资更大,网络建立必要工夫更久。中国挪动董事长杨杰在GTI创新峰会上提及5G开展时指出,“来岁1月1日开端,5G终端必需具有SA(独立组网)形式。”


5G网络速率能到达几多?

依据Verizon的测试模子,5G的下载速率方面可以到达1.3Gbps以上;实践利用中,一个3GB左右巨细的视频文件,5G网络下仅必要33秒就完成,每秒的速率到达726Mbps,而4G的LTE Cat.12网络下载速率仅62.2Mbps,花失了6分钟25秒的工夫;


在高通的实测中,与LTE终审察比,欣赏下载的速率由4G用户的均值56Mbps提拔到了5G用户的均值凌驾490Mbps,到达了快要900%的增益,响应速率提速了近7倍;欣赏下载的耽误均值由116毫秒降落至17毫秒,下载速率也失掉了大幅提拔,凌驾90%的用户在5G网络中可以到达100Mbps的下载速率,相比在LTE的毗连中,下载速率为8Mbps;[1]




5G怎样完成云云高的传输速率呢?

任何对通讯数据传输速率的提拔都绕不开香农信道容量公式:




j9数字站在5G也会接纳异样的方法来进步数据传输速率: 提拔频带宽度和提拔信噪比。详细步伐便是:


1. 接纳毫米波(提拔频带宽度)

2. 更先辈的波束赋形(提拔信噪比)

3. 超大范围天线,全双工无线(提拔频带宽度和信噪比,空域)。


绝对于进步信噪比,增长频谱带宽的办法显得更复杂间接。在频谱使用率稳定的状况下,可用带宽翻倍则可以完成的数据传输速率也翻倍。但题目是,如今常用的6GHz以下的频段曾经十分拥堵,到那边去找新的频谱资源呢?各大厂商不谋而合[bú móu ér hé]想到的办法便是利用毫米波技能。


毫米波是什么?有何好处?

毫米波(mmWave)通常意义上指EHF频段,即频率范畴是30GHz——300GHz的电磁波。由于30GHz电磁波的波长是10毫米,300GHz电磁波的波长是1毫米。24.25GHz电磁波的波长是12.37毫米,可以叫它毫米波,也可以叫它厘米波。但实践上,毫米波只是个商定俗成的称号,即一个工程观点,并非一个学术界说,没有哪个构造对其有过严厉的界说。有人以为,频率范畴在20GHz(波长15毫米)——300GHz之间的电磁波都可以算毫米波。


先看看无线电信号的频谱怎样分别:

 




5G NR


3GPP已指定5G NR 支持的频段列表,5G NR频谱范畴可达100GHz,指定了两大频率范畴:


 

5G NR

频率范畴称号

对应的频率范畴

FR1

450MHz-6GHz

FR2

24.25GHz-52.6GHz

 


Frequency range 1 (FR1):便是j9数字站通常讲的6GHz以下频段


l 频率范畴:450MHz - 6.0GHz

l 最大信道带宽100MHz


Frequency range 2 (FR2):便是毫米波频段


l 频率范畴:24.25GHz - 52.6GHz

l 最大信道带宽400MHz


依据通讯原理,无线通讯的最大信号带严惩约是载波频率的5%左右,因而载波频率越高,可完成的信号带宽也越大。在毫米波频段中,28GHz频段的可用频谱带宽可达1GHz,而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则到了2GHz(整个9GHz的可用频谱分红了四个信道)。相比而言,4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下,而可用频谱带宽只要100MHz。因而,假如利用毫米波频段,频谱带宽悄悄松松就翻了10倍,传输速率也可失掉宏大提拔。




毫米波传输为什么要建微基站?

毫米波的“限定”:


毫米波中有些频率的“地段”分外差。这里,影响“地段”的要素是氛围,以是确切地说应该是这些频率的“天段”分外差。无线电波在传达时,大气会选择性地吸取某些频率(波长)的电磁波,形成这些电磁波的传达消耗分外严峻。吸取电磁波的次要是两种大气身分:氧气和水蒸气。水蒸气惹起的共振会吸取22GHz和183 GHz左近的电磁波,而氧气的共振吸取影响的是60GHz和120 GHz左近的电磁波。以是j9数字站可以看到,不论哪个构造分派毫米波资源,都市避开这4个频率左近的频段。



毫米波在氛围、雨水情况随频率的衰减曲线


毫米波的传达间隔有限,物理定律报告j9数字站,在发射功率稳定的状况下,波长越短,传达间隔越短。在许多场景下,这个限定会招致毫米波的传达间隔超不外10米。依据抱负化的自在空间传达消耗公式,传达消耗L=92.4+20log(f)+20log(R),此中f是单元为GHz的频率,R是单元为公里的间隔,而L的单元是dB。一个70GHz的毫米波传达10米远之后,消耗就到达了89.3dB。而在非抱负的传达条件下,传达消耗还要大得多。毫米波体系的开辟者必需经过进步发射功率、进步天线增益、进步吸收敏捷度等办法来赔偿这么大的传达消耗。


毫米波在氛围中衰减大,绕射才能弱,那便是不容易穿过修建物大概停滞物,而且可以被叶子和雨水吸取。这也是为什么5G网络将会接纳微基站的方法来增强传统的基站。



毫米波微基站表示图


毫米波技能的双刃剑

任何事物都有两面性。传达间隔过小偶然候反而成了毫米波体系的上风。好比,它可以增加毫米波信号之间的搅扰。毫米波体系利用的高增益天线同时具有较好的偏向性,这也进一步消弭了搅扰。如许的窄波束天线既进步了功率,又扩展了掩盖范畴,同时加强了宁静性,低落了信号被截听的概率。


别的,“高频率”这个限定要素会增加天线的尺寸,这又是一个不测的惊喜。假定j9数字站利用的天线尺寸绝对无线波长是牢固的,好比1/2波长大概1/4波长,那么载波频率进步意味着天线变得越来越小。好比说,一个900M GSM天线的长度是几十厘米左右,而毫米波天线大概只要几毫米。这便是说,在异样的空间里,j9数字站可以塞入越来越多的高频段天线。基于这个现实,j9数字站就可以经过增长天线数目来赔偿高频途径消耗,而又不会增长天线阵列的尺寸。这让在5G毫米波体系中利用massive MIMO技能成为大概。


毫米波收发机芯片怎样完成


 

 

NICT研发的毫米波收发机架构图


商用的毫米波收发机芯片会利用CMOS工艺(CMOS=complementary metal-oxide-semiconductor,指用半导体-氧化层-金属堆叠构成半导体器件的工艺,是最常用的集成电路制造工艺),这一方面为了可以和数字模块集成,另一方面为了节流本钱。


毫米波收发机芯片的布局和传统频段收发机很类似,但毫米波收发机有着共同的设计应战。


其一是怎样控制功耗毫米波收发秘密求CMOS器件能事情在毫米波频段,以是要求CMOS器件对信号的敏捷度很高。j9数字站可以参照一样平常生存中的水龙头来阐明这个题目。各人肯定都常常有开关水龙头的履历,许多水龙头在关着时,必要拧许多下才会出来一点点水,然后随着水流越来越大,只需多拧一点点水流就会变大许多。在这里,手拧龙头的举措便是鼓励信号,而对应的水流变革便是输入呼应。CMOS器件实质上和水龙头很像,都是经过控制端(即CMOS的栅极)调解输入流量(对水龙头是水流,对CMOS则是输入电流)。因而,假如必要CMOS器件对薄弱的毫米波信号能疾速呼应,必需把它的直流电流调到很大(相称于把水龙头设置在水流很大的形态)。如许一来,CMOS电路就必要很大的功耗才干处置毫米波信号。[2]



高通毫米波射频前端和天线架构


另一个是高频电路设在云云高的射反复段,电路和天线设计的精细水平,集成性都有较大的应战,电路板无法接纳平凡的FR4板材设计和加工,而是必要接纳FR4+Rogers高端板材压合板举行设计,表层接纳Rogers板,以完成微带电路,微带天线的精准分歧性,只管即便包管天线仿真和实物的分歧性,别的层板材接纳FR4板材,次要走线为低速线和电源等。在天线设计方面,由于外接天线必要颠末同轴线转接,在毫米波的高频形态下一次转接会带来很大的射频消耗和阻抗失配,以是接纳微带天线方案,芯片口间接微带线或立体波导馈电到天线阵列,天线阵列接纳串馈或并联架构,由于在毫米波波段,50欧姆阻抗线宽度与单贴片阵子的半波长长度差别不大,依照平凡的天线设计无法完成,以是接纳四分之一阻抗变更器,将50欧姆阻抗微带线转换成100欧姆或更高的高阻抗线,从而宽度低落,在天线阵列上接纳突变式差别尺寸辐射贴片微带天线组合,以完成波束的集聚性,使天线阵列全体增益增长,同时只管即便包管主瓣的FOV角度掩盖,在天线加工异样在打样、测试优化历程中颠末屡次重复验证和调试;这就使得毫米波芯片和天线的设计流程难重重,必要少量的人力物力投入。


比年毫米波芯片和天线技能有了迅猛的开展,高通公司的QTM052 mmWave天线模块和QPM56xx sub-6 GHz射频模块曾经在客岁推出,共同高通的Snapdragon X50 5G调制解调器利用,协助处置差别的无线电频率。mmWave天线可用于26.5-29.5 GHz、27.5-28.35 GHz或37-40 GHz波段,其小体积、高集成化等特征会使其在5G终端上普遍使用。



高通QTM052 mmWave天线模块、Snapdragon X50 5G调制解调器


为了在麋集的都会地域和拥堵的室内情况中提供高网络吞吐量,QTM052支持高达800MHz的带宽,利用先辈的波束构成、波束转向和波束跟踪技能来改良mmWave信号。该模块包罗5G无线电收发器、电源办理IC、RF前端和相控天线阵,与Snapdragon X50调制解调器共同构成完备的体系。


2月19日,高通官网信息Qualcomm宣布推出第二代5G NR调制解调器——骁龙X55 5G调制解调器。骁龙X55是一款7纳米单芯片,支持5G到2G多模,还支持5G NR毫米波和6 GHz以下频谱频段。此中,全新的射频前端办理方案包罗QTM525 5G毫米波天线模组,可支持厚度不到8毫米的纤薄5G智能手机设计。



Qualcomm QTM525 5G毫米波天线模组


专为骁龙X55预备的QTM525 5G毫米波天线模组,是基于Qualcomm Technologies首款毫米波天线模组的创新效果而打造,可以包管5G手机的厚度低于8毫米;同时,高通还公布了环球首款宣布的5G 100MHz包络追踪办理方案QET6100、集成式5G/4G功率缩小器(PA)和分集模组系列以及QAT3555 5G自顺应天线调谐办理方案,QET6100将包络追踪技能扩展到5G NR下行所需的100MHz带宽和256-QAM调制。


现在高通的方案即是在5G终端产品上完成了一个小型的相控阵雷达体系,经过移相器,天线阵列,RF前端完成波束成型,移相,波束追踪,让波束不停坚持在最佳的传输地位上。这就要求整个射频链路上从调制解调器到收发器、缩小器再到天线的一切器件都能更智能地协同事情。


2月19日,工信部公布《2019年天下无线电办理事情要点》,关于5G财产开展计划,集会明白提出:为加速5G商用步调做好频谱资源利用保证,做好5G基站和谐、允许事情,办事加速5G商用步调大局。适时公布5G体系局部毫米波频段频率利用计划,引导5G体系毫米波财产开展。国际运营商也在正举行毫米波频段的测试,随着工信部公布毫米波频段利用计划,无望推进国际毫米波频段商用。


结语

毫米波技能可以经过提拔频谱带宽来完成超高速无线数据传达,从而成为5G通讯技能中的要害技能之一。现在由于种种缘故原由,国际尚未摆设5G毫米波通讯技能,信赖在不久的将来,5G毫米波技能也将在国际着花后果。

 

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