2020年，業(yè)界實現(xiàn)了首個毫米波（mmWave）技術的5G網(wǎng)絡部署。實際測試發(fā)現(xiàn)，毫米波可實現(xiàn)大于1 Gbps的下行鏈路速度和高達3 Gbps的峰值速度。好消息是5G mmWave網(wǎng)絡上的下載速度比4G LTE網(wǎng)絡上的下載速度快20倍。測試還發(fā)現(xiàn)，5G mmWave可以覆蓋整個足球場館范圍，僅一個頻帶就能提供比LTE網(wǎng)絡高十倍的吞吐能力。

 

mmWave的缺點是：與LTE和5G低頻帶和中頻帶頻率相比，mmWave信號的范圍更短，無法穿透障礙。但是，mmWave的好處遠遠超過了這些缺點。mmWave正在全球范圍內(nèi)大規(guī)模部署。真正的問題是，在5G設備設計方面，我們?nèi)绾巫畲蟪潭鹊販p少mmWave的這些障礙？

 

雜散諧波和互調(diào)干擾

 

功率放大器和混頻器中的非線性會產(chǎn)生不必要的信號，這些信號會出現(xiàn)在分配的通道之外，從而干擾其他通道。我們將這些互調(diào)干擾稱為寄生諧波。在圖1中，感興趣的頻帶（基本頻率）之外的所有頻率都變成了不需要的寄生諧波。

 

由于波長短，很難從mmWave信號中消除寄生諧波。忽略此問題可能會違反有效各向同性輻射功率（EIRP）的FCC發(fā)射規(guī)則。從操作的角度來看，干擾附近的天線信號束可能會導致其他無線通信設備發(fā)生故障。

 

與無線通信中的其他噪聲信號一樣，您無法消除寄生諧波。很難確定諧波的來源及其所引起的干擾。即使確定了來源，也可能很難減少其影響。

波束成形的性能驗證

 

mmWave的優(yōu)勢不僅來自更廣泛的頻譜可用性，還來自更智能的無線電資源管理方法，例如波束成形。同時支持多個連接的相控陣天線系統(tǒng)的復雜性要求可靠的性能驗證過程。工程師需要考慮所有現(xiàn)實情況，并在部署之前驗證設計是否正常工作。

 

如何在適當信道模型的情況下，準確驗證波束形成信號和天線的性能。由于基站可能使用復雜的相控陣數(shù)字，模擬或混合波束成形技術，因此根據(jù)應用，連接的5G設備可能會使用不同類型的天線。因此，驗證連接過程以找到基站與5G設備之間的最佳傳輸通道至關重要，盡管這很困難。對于毫米波的超短波長，基站必須執(zhí)行計算密集型的基帶預編碼過程，以選擇最佳預編碼調(diào)制以應用于每個用戶的信號流。

 

為了獲得最佳性能，工程師還需要驗證4G和5G兼容性。5G基礎設施和設備都必須支持雙模4G和5G操作，以在混合部署網(wǎng)絡中提供優(yōu)質的用戶體驗。

 

此外，我們?nèi)匀痪哂蓄A編碼算法，基站的RF相控陣多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)架構以及需要驗證的多個手機天線放置和輻射方向圖。如果對5G mmWave的這些方面中的任何一個進行了錯誤的測量，則整個設計將失敗。此外，由于毫米波的波長短，設置驗證也非常具有挑戰(zhàn)性。設備的輕微錯位可能會顯著影響結果。

 

圖2顯示了常見的mmWave設備實驗室測試環(huán)境。被測設備位于中間的盒子中，該盒子將向反射器輻射信號（右側的彎曲物體），然后到達接收天線（此照片中未顯示）。紅線代表信號路徑。假設測試在100 GHz以下。這意味著信號的波長約為3毫米，任何3毫米左右的未對準都會對測試結果的準確性產(chǎn)生重大影響。實際上，反射器上的一個不明顯的凹痕，或者反射器的曲率變化了一小部分，都可能會導致錯誤的測量結果。

 

圖2.此實驗室環(huán)境使工程師可以測試mmWave設備設計。

 

因此，通常需要很長時間來設置mmWave驗證測試并校準所有測試設備。實際鎖相環(huán)測量可能需要六個小時來設置和校準硬件。完成驗證測試可能需要更長的時間。

 

通訊協(xié)議一攬子問題

 

回想一下，mmWave信號具有很高的路徑損耗，這意味著它們無法傳播得很遠，也無法很好地穿透障礙物，例如墻壁或樹木。為了提供高數(shù)據(jù)速率并支持更多流量，5G基站消耗大量能量。

 

生產(chǎn)更具成本效益和能源效率的基站聽起來相對容易，但并不是這樣。5G mmWave基站比4G基站支持更廣泛的頻譜。另外，與4G基站相比，5G mmWave基站必須支持更多的功能。作為工程師，我們的目標是在不犧牲任何性能的情況下，使5G mmWave基站盡可能緊湊和經(jīng)濟高效。為了更好地了解所涉及的尺寸，圖3是相控陣芯片組尺寸。

 

圖3中的部分僅代表5G基站的一小部分。最終，功能齊全的5G mmWave基站應達到100 Gb / s的空中傳輸速率，并具有數(shù)公里 覆蓋范圍。在降低部署成本方面，設計人員應利用低成本和傳統(tǒng)的制造技術，而無需使用特殊的包裝工藝和材料。

 

圖3.相控陣芯片組構成了基站中的某些組件。

 

原型故障排除的復雜性

 

這個挑戰(zhàn)聽起來可能不像以前的挑戰(zhàn)那樣具有技術性，但是在實踐中它同樣普遍，其影響可能比任何技術挑戰(zhàn)都更糟。

 

圖4. mmWave開發(fā)工作流程中的空白可能會阻礙測試工程師和設計工程師之間的溝通。

 

如前所述，mmWave設備設計要求工程師測量和驗證盡可能多的RF設備特性，在原型設備進入驗證階段之前，您已經(jīng)需要考慮許多技術設計挑戰(zhàn)。此外，隨著無線技術和應用程序復雜性的增長，需要不同的技能來進行設備設計和驗證。如今，許多公司經(jīng)常指定獨立的部門從事設計和測試。在某些情況下，設計團隊和測試團隊甚至位于不同的國家/地區(qū)，如圖4所示。因此，在設計團隊和測試團隊之間交換想法，數(shù)據(jù)和知識可能不是一件容易的事。由于知識，功能甚至地理上的差距，可能需要額外的時間。

 

例如，測試工程師可以執(zhí)行天線測量，RF參數(shù)測試和功能/協(xié)議測試。并非由測試設置引起的性能問題可能很難解決。設計工程師和測試工程師必須合作解決任何設計問題。

 

仿真

 

通過仿真，工程師可以應對mmWave帶來的挑戰(zhàn)。隨著mmWave設備變得越來越流行，我們對仿真的依賴將越來越大。仿真可能無法解決上述所有挑戰(zhàn)，但可以肯定地簡化了設計過程。

 

從雜散諧波和互調(diào)干擾開始，設計人員可以使用仿真工具來預測頻率和方向。仿真還可以幫助確定空間輻射雜散諧波的根本原因，包括產(chǎn)生雜散諧波的組件以及RF鏈中使用的信號路徑。設計人員還可以模擬寄生諧波的特性，以評估其影響。

 

關于波束成形的性能驗證，仿真工具可以解決信號可視化和5G端到端系統(tǒng)許多不同方面的驗證，從而大大縮短開發(fā)時間。例如，仿真工具可以使用適當?shù)南嗫仃囂炀€來仿真5G鏈路級驗證，以驗證波束成形設計的性能。5G仿真工具可用于優(yōu)化時間，頻率和空間資源。

 

為了提高基站的成本效率和占用空間，設計人員可以使用仿真工具來仿真其設計的主要組成部分，然后對整個系統(tǒng)進行適當?shù)木€性度和噪聲系數(shù)以及增益仿真。系統(tǒng)級建模和仿真使設計人員可以針對多個變量測試其設計，而無需實際設置測試設備。

 

仿真還可以幫助簡化原型設計。工程師可以直接在空中模擬他們的設計，以發(fā)現(xiàn)差異并預測結果。如果模擬和測試環(huán)境構建在一個通用平臺上，那么測試工程師就可以更輕松地判斷模擬是否與測試結果相符。如果設計工程師和測試工程師不在同一物理位置，則可以更輕松地進行遠程故障排除。

 

結論

 

更高頻率的毫米波頻譜可以以低延遲提供更快的數(shù)據(jù)速率，同時提供更大的通信量。 mmWave的這些優(yōu)勢釋放了5G的真正潛力。在5G時代，mmWave將發(fā)揮作用 一個非常重要的角色。它將在城市，室內(nèi)辦公，交通樞紐和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中大量使用。

 

盡管mmWave給設計帶來了巨大挑戰(zhàn)，但它的廣泛部署是不可避免的。設備制造商和網(wǎng)絡設備制造商可以在設計工作流程中采用更多的仿真解決方案，從而加快mmWave設計周期。 同時，他們還需要提高仿真精度，并連接設計仿真和原型測試工作流程。仿真為mmWave市場就緒產(chǎn)品提供了最短的時間，而無需大量投資或犧牲性能。