毫米波技术在5G及其演进中的作用是什么

　　众所周知，第五代移动通信（5G）分低频段（Sub6GHz）和高频段（毫米波）。我国低频段5G在2019年已开始商用，毫米波5G的频谱尚未正式发布，但已批准了24．75～27．5GHz和37～42．5GHz作为实验频段。基于大规模MIMO的5G毫米波技术趋于成熟，预计在2022年左右开始商用。
　　近几年，国内外关于6G愿景及核心技术的论文、报告及报道越来越多，众说纷纭，但逐渐形成了一些共识。在网络架构上，6G将是一个由大量中低轨卫星与地面后5G（B5G）融合的网络，从而使得人类第一次实现对整个地球表面及其近空间的全覆盖。地球表面29%是陆地，71%是海洋，1G～5G移动通信网络对29%的陆地还没有实现全覆盖。因此，6G将是人类移动通信历史上的一次革命。在核心技术上，一些提法也逐渐获得认可，比如泛在、全息、人工智能等等。宽带传输技术是支撑通信网络的基础。对于6G，要实现空天地海的一体化高速通信网，宽带传输技术将是核心。对于地面5G网络，已开始利用毫米波频段的频谱资源实现宽带高速传输。对于6G，毫米波频段将是星间链路、卫星向下覆盖的用户链路、卫星到地面站的馈电链路的首选。例如，SpaceX的Starlink主要采用了Ka和Q波段，O3B中轨卫星网采用Ku和Ka频段。可以肯定，毫米波技术将是6G网络最重要的支撑技术之一。有报道称太赫兹将是6G的核心技术，这一观点值得商榷。实际上，受限于半导体工艺特性，在太赫兹频段（通常将300～10000GHz，也有将100～10000GHz频段称作太赫兹），发射功率、接收机噪声系数、制造难度、成本等都是应用太赫兹需要突破的瓶颈。
　　由于带宽达400MHz甚至更宽，高采样率ADC/DAC、海量数据的实时处理和大量射频通道与天线的高密度集成为基于大规模MIMO技术的5G毫米波的瓶颈。为此，目前商业化5G毫米波的有源天线单元（AAU）都采用了相控子阵的混合多波束方案。该方案大大减少了射频收发信机数量，从而部分克服了上述瓶颈问题，但是以牺牲阵列增益和通信容量为代价的。
　　理论上讲，基于全数字多波束的大规模MIMO技术将是未来移动通信追求的目标，但上述瓶颈问题是目前很难逾越的障碍。为此，我们提出了非对称毫米波大规模MIMO系统架构，以期在逼近系统最佳性能的同时，克服上述瓶颈问题。
　　本文将针对5G毫米波面临的问题及向6G演进过程中可能的技术路线展开讨论，以期对5G/6G毫米波技术的研究者有所启发。

　　5G 毫米波
　　5G 毫米波商用系统架构通常由核心网（CN）、基带单元（BBU）和有源天线单元（AAU）组成，如图1 所示。其基本架构是一个核心网支持多个基带单元，每个基带单元又将支持多个有源天线单元。具体来说，CN 位于网络数据交换的中央，主要负责提供数据传输、移动管理和会话管理等核心功能;BBU主要负责基带数字信号处理，例如编码、复用、调制等;AAU 主要负责实现基带数字信号和射频信号之间的转换，完成发射和接收过程。AAU 主要包括AAU 基带部分（波束管理等）、上下变频模块，以及模拟波束成形器。AAU 的基带部分主要完成物理层的部分数字信号处理，如波束管理，完成对不同波束覆盖的控制，以及用数字模拟转换器（DAC）和模拟数字转换器（ADC）完成信号在模拟域和数字域的转换。由于 5G 毫米波系统的大带宽需求，这将对基带信号处理，以及 ADC/DAC 的能力提出新的要求。上下变频模块负责实现基带 I/Q 信号（或中频信号）和毫米波射频信号之间的转换。上变频模块主要用于发射链路，包括上变频器、滤波器、功率放大器等器件，负责将发射信号从基带 I/Q（或中频）搬移到需要的毫米波发射频率。同样，下变频模块主要用于接收链路，包括低噪声放大器、滤波器、混频器等器件，将毫米波接收信号搬移到基带I/Q（或中频）。模拟波束形成网络（相控子阵）主要负责将射频信号能量合理地分配到天线阵列馈电端口，构成特定的幅度和相位分布，进而形成特定波束。主流的 AAU 一般支持 4 个或更多的数据流，每个子阵支持 1 个数据流，如图 1 所示。每个子阵的波束成形电路由功率分配/合成模块、多通道收发移相和幅度控制芯片、天线阵列等构成。以 4 路数据流发射链路为例，每个数据流信号通过上变频模块到达射频频率，通过功率分配网络，例如，1 分 16路，将信号等幅分配到多通道芯片输入口。以 4 通道芯片为例，每块芯片的发射链路包含功率放大器、移相器、开关等，能够完成 1 到 4 的信号转换，并准确控制每路信号的幅度和相位，再将输出信号馈进天线单元，从而实现预期波束。
　　
　　图 1 商用化 5G 毫米波系统架构
　　5G 毫米波商用的混合多波束架构的优点是以较低的复杂度和成本完成多波束覆盖。如图 1 所示，系统仅采用 4 个 ADC/DAC 通道和上下变频通道，即可实现 4 个波束的独立控制。然而，同样由于通道数的不足，可支持的数据流有限，系统对于波束数量的扩展有着显著的局限性，造成系统容量不足。同时，由于 4 个波束以子阵方式独立控制，该架构没有实现对天线全口径的有效利用，因而会损失 6 dB（4 子阵）甚至更多的阵列波束增益。另一种比较有效的混合多波束架构是同时利用基带数字部分的波束形成和相控子阵的模拟波束形成，实现对天线阵列全口径的利用，产生更高的阵列波束增益。然而，由于相控子阵的波束宽度受限，会存在多波束扫描范围变窄的问题，覆盖范围有限。这种架构可通过波束切换，实现覆盖范围的扩大，但以牺牲时延和增加波束管理复杂度为代价，最终也会导致系统容量降低。
　　为了同时获得系统容量和阵列增益，AAU 的另外一种实现形式是全数字多波束阵列 ，如图 2 所示。全数字多波束阵列架构通过将每个天线单元直接对应一个射频收发通道，每个收发通道包括射频收发前端（FEM），上下变频通道，以及 ADC/DAC等，波束形成全部在基带数字域实现。全数字多波束阵列架构的优点是采用基带数字电路能够精确实现所需的幅度相位控制，以及波束数量容易扩展，进而增加通信容量。同时这种架构形成的每个波束都能够获得天线阵列的全口径增益。然而，其缺点也较为显著。由于每个天线单元都需要接一个射频通道，大量射频天线一体化的高密度集成大大增加了硬件设计的复杂度。同时，由于 5G 毫米波系统的大带宽需求，对射频通道的带宽，ADC/DAC 的采样率，以及基带处理速率的要求都会增高，导致海量数据的实时数字信号处理问题，大幅增加运行成本和功耗。
　　
　　图 2 基于全数字架构的 AAU
　　综上所述，毫米波多波束阵列架构性能比较如表 1 所示。毫米波全数字多波束阵列架构是最佳性能的代表，能够得到最高的通信容量和波束增益，但其架构实现复杂度和成本较高，亟需开发新的技术。
　　表 1 毫米波多波束阵列技术比较
　　

　　6G 中的毫米波技术
　　毫米波技术除了在 5G 中得到充分利用外，其在第 6 代移动通信系统（6G）中也将发挥重要作用。尽管目前 6G 愿景还没有完全明确，但其基本的目标可以看出端倪，如图 3 所示。全球的无线通信网络目前仅对地球表面的人类主要居住地进行了覆盖，仍然有大面积的陆地，如沙漠、湖泊、山川、森林等，没有得到有效的网络接入。此外，由于人类探索的触角不断向海洋、天空、太空等区域延伸，这些区域将对接入无线通信网络有强烈需求。因此，中低轨卫星网，即空联网（IoS： Internet of Space），将会作为 6G 的重要组成部分，与地面 B5G 系统融合，实现空天地海一体化通信网络的泛在链接。
　　
　　图 3 6G 空联网示意图
　　由于未来应用的多元化，连接的智能化，以及信息处理的深度化，6G 系统将会产生海量数据，需要更高速率的传输支撑。有报道称，6G 有望能够进入太比特（Tbps）时代，即达到 1000x Gbps 的传输速率。为实现这一宏伟目标，亟需寻找适合 6G 系统的频谱资源。目前，低频段（sub-6GHz 以内）的频率已被充分开发，同时很难获得较大的频谱带宽，来支持 Tbps 传输速率，所以，将会向更高的频段寻求频谱资源。众所周知，频率越高，波长越短，射频器件的尺寸越小，但其性能通常越差，例如，功率放大器的输出功率，低噪声放大器的噪声系数等。那到底哪个频段更适合 6G 的需求呢？ 这里对 6G 可能采用的频谱资源作简单的探讨。太赫兹频段拥有丰富的未被开发的频谱资源，能够实现较小的器件尺寸，实现超大规模阵列，有很多相关研究。然而，目前阶段主要受限于半导体工艺特性，太赫兹器件能力仍不足，例如输出功率不足，噪声系数指标差等。此外，由于其成本高，加工工艺复杂，这些因素都将制约太赫兹频段在 6G 时代的进一步应用。相比太赫兹频段，毫米波频段经过了 5G 时代的充分发展，器件能力得到大幅提高，产业链完整且丰富，同时毫米波频段的阵列尺寸也相对适中，能够满足6G 系统大部分的应用需求，可以认为将是支撑 6G的黄金频段。
　　与 5G 系统不同，6G 空联网的一大主要特点是对运动物体的快速无线连接提出了更高的要求。空联网中低轨卫星的运行速度较快和数量较多，造成波束扫描范围大和波束连接数量多的挑战，需要进行快速的动态多波束跟踪，因此基于全数字多波束阵列架构的毫米波大规模 MIMO 系统将会是其中一个重要发展方向。然而，由于目前毫米波阵列架构的高增益波束特性和太空的广袤，对快速与指定卫星进行波束对准，建立无线通信链路提出了巨大的挑战，亟需提出新的技术进行克服。

　　非对称毫米波大规模 MIMO 系统
　　通过上文的分析，毫米波全数字大规模 MIMO系统将是 B5G 乃至 6G 系统的最佳选择，但其缺点，如复杂度高、成本高、功耗大等，将会制约其在未来系统中的应用。为有效降低毫米波全数字多波束阵列的复杂度、成本、功耗，并能支撑动态快速多波束跟踪，我们提出了非对称毫米波大规模 MIMO 系统的概念，以期在逼近系统最佳性能的同时，克服上述瓶颈问题。
　　目前采用的毫米波大规模 MIMO 系统混合多波束阵列或全数字多波束阵列是将多波束发射和接收阵列进行对称设计，即，发射通道和接收通道数量相同，如图 4（a）所示。基站侧采用基于对称设计的毫米波混合/全数字多波束接收和发射架构，产生增益相同的发射和接收多波束。同样，终端侧设计与基站侧较为类似，区别是阵列规模较小。举例来说，基站侧和终端侧分别是对称的 64 发 64 收和 4 发 4 收的全数字多波束阵列。
　　
　　（a）对称毫米波大规模 MIMO 系统架构
　　
　　（b）非对称毫米波大规模 MIMO 系统架构
　　图 4 对称和非对称毫米波大规模 MIMO 系统架构
　　非对称毫米波大规模 MIMO 系统基本原理是将全数字多波束发射和接收阵列进行非对称设计，即发射阵列和接收阵列规模不同，具体形式如图 4（b）所示。基站侧采用较大规模的全数字多波束发射阵列和较小规模的全数字多波束接收阵列，进而产生较窄的发射多波束和较宽的接收多波束;终端侧仍然可以保持传统的对称形式，也可采用非对称形式。举例来说，基站侧由对称的 64 发 64 收（64T64Ｒ）变成非对称的 64T16Ｒ，而终端侧保持不变或由对称的4T4Ｒ 阵列变成非对称的 4T2Ｒ 或 4T1Ｒ 阵列，与传统 64 阵元 4 子阵（4×4 子阵）4 数据流混合多波束系统相比，64T16Ｒ 全数字多波束非对称阵由于全口径工作发射波束增益高 6 dB，若终端侧保持不变，则下行链路增益高 6 dB，若终端侧接收阵单元数从4 缩减到 1，则下行链路增益不变。对于上行链路，若终端侧保持不变，则上行链路增益也不变，但这时非对称阵的接收阵元数和射频通道数是 16 而非64。因此，非对称毫米波全数字大规模 MIMO 阵列在几乎保持了对称全数字大规模 MIMO 阵列优点的同时，大幅度降低了系统的复杂度、成本和功耗。
　　通过以上分析，本文提出的非对称系统和传统对称混合多波束系统在链路增益上是有优势的，但非对称系统具有以下特点：
　　（1）发射和接收阵列波束不对称。非对称系统充分利用全口径，实现发射阵列高增益窄波束，接收阵列低增益宽波束，保持链路增益一致或更高。
　　（2）波束扫描范围大。由于非对称系统仍采用全数字多波束阵列架构，其波束扫描范围与对称全数字多波束系统一致，具有较大的波束扫描范围。
　　（3）波束对准和管理较为容易。由于非对称系统接收阵列的规模降低，接收波束较宽，这将会大大降低 DOA 计算和波束对准难度以及波束管理的复杂度，尤其适合应用在 6G 空联网的场景。
　　（4）系统容量高。非对称大规模 MIMO 阵列系统的波束数量远多于目前商用混合多波束阵列的波束数量，因而可以支持更多的数据流，增加系统容量。
　　（5）硬件设计复杂度降低。在基站侧，接收通道规模大幅度降低，例如，通道数从 64 减少为 16。这将大幅降低硬件成本，尤其是针对宽带信号的高精度 ADC 芯片和射频通道，同时，这会大幅降低基带信号的处理量和处理算法的实现难度。
　　然而，毫米波非对称大规模 MIMO 系统带来优势的同时，也将迎来相应关键技术的挑战，例如，由于采用了非对称的发射和接收阵列，导致上下行信道非互易，这就需要研究非互易信道特性和信道模型。
　　目前，关于非对称毫米波大规模 MIMO 阵列的研究尚处在起步阶段，但这是一个有益的尝试和探索，期望对 B5G 和 6G 新型系统架构的确立起到推动作用。