2020年，業(yè)界實(shí)現(xiàn)了首個(gè)毫米波（mmWave）技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)部署。實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，毫米波可實(shí)現(xiàn)大于1 Gbps的下行鏈路速度和高達(dá)3 Gbps的峰值速度。好消息是5G mmWave網(wǎng)絡(luò)上的下載速度比4G LTE網(wǎng)絡(luò)上的下載速度快20倍。測(cè)試還發(fā)現(xiàn)，5G mmWave可以覆蓋整個(gè)足球場(chǎng)館范圍，僅一個(gè)頻帶就能提供比LTE網(wǎng)絡(luò)高十倍的吞吐能力。

 

mmWave的缺點(diǎn)是：與LTE和5G低頻帶和中頻帶頻率相比，mmWave信號(hào)的范圍更短，無(wú)法穿透障礙。但是，mmWave的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了這些缺點(diǎn)。mmWave正在全球范圍內(nèi)大規(guī)模部署。真正的問(wèn)題是，在5G設(shè)備設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生不必要的信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)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(zhǎng)短，很難從mmWave信號(hào)中消除寄生諧波。忽略此問(wèn)題可能會(huì)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(lái)看，干擾附近的天線信號(hào)束可能會(huì)導(dǎo)致其他無(wú)線通信設(shè)備發(fā)生故障。

 

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

波束成形的性能驗(yàn)證

 

mmWave的優(yōu)勢(shì)不僅來(lái)自更廣泛的頻譜可用性，還來(lái)自更智能的無(wú)線電資源管理方法，例如波束成形。同時(shí)支持多個(gè)連接的相控陣天線系統(tǒng)的復(fù)雜性要求可靠的性能驗(yàn)證過(guò)程。工程師需要考慮所有現(xiàn)實(shí)情況，并在部署之前驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正常工作。

 

如何在適當(dāng)信道模型的情況下，準(zhǔn)確驗(yàn)證波束形成信號(hào)和天線的性能。由于基站可能使用復(fù)雜的相控陣數(shù)字，模擬或混合波束成形技術(shù)，因此根據(jù)應(yīng)用，連接的5G設(shè)備可能會(huì)使用不同類型的天線。因此，驗(yàn)證連接過(guò)程以找到基站與5G設(shè)備之間的最佳傳輸通道至關(guān)重要，盡管這很困難。對(duì)于毫米波的超短波長(zhǎng)，基站必須執(zhí)行計(jì)算密集型的基帶預(yù)編碼過(guò)程，以選擇最佳預(yù)編碼調(diào)制以應(yīng)用于每個(gè)用戶的信號(hào)流。

 

為了獲得最佳性能，工程師還需要驗(yàn)證4G和5G兼容性。5G基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備都必須支持雙模4G和5G操作，以在混合部署網(wǎng)絡(luò)中提供優(yōu)質(zhì)的用戶體驗(yàn)。

 

此外，我們?nèi)匀痪哂蓄A(yù)編碼算法，基站的RF相控陣多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)架構(gòu)以及需要驗(yàn)證的多個(gè)手機(jī)天線放置和輻射方向圖。如果對(duì)5G mmWave的這些方面中的任何一個(gè)進(jìn)行了錯(cuò)誤的測(cè)量，則整個(gè)設(shè)計(jì)將失敗。此外，由于毫米波的波長(zhǎng)短，設(shè)置驗(yàn)證也非常具有挑戰(zhàn)性。設(shè)備的輕微錯(cuò)位可能會(huì)顯著影響結(jié)果。

 

圖2顯示了常見(jiàn)的mmWave設(shè)備實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境。被測(cè)設(shè)備位于中間的盒子中，該盒子將向反射器輻射信號(hào)（右側(cè)的彎曲物體），然后到達(dá)接收天線（此照片中未顯示）。紅線代表信號(hào)路徑。假設(shè)測(cè)試在100 GHz以下。這意味著信號(hào)的波長(zhǎng)約為3毫米，任何3毫米左右的未對(duì)準(zhǔn)都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生重大影響。實(shí)際上，反射器上的一個(gè)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(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。

 

圖2.此實(shí)驗(yàn)室環(huán)境使工程師可以測(cè)試mmWave設(shè)備設(shè)計(jì)。

 

因此，通常需要很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)設(shè)置mmWave驗(yàn)證測(cè)試并校準(zhǔn)所有測(cè)試設(shè)備。實(shí)際鎖相環(huán)測(cè)量可能需要六個(gè)小時(shí)來(lái)設(shè)置和校準(zhǔn)硬件。完成驗(yàn)證測(cè)試可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

 

通訊協(xié)議一攬子問(wèn)題

 

回想一下，mmWave信號(hào)具有很高的路徑損耗，這意味著它們無(wú)法傳播得很遠(yuǎn)，也無(wú)法很好地穿透障礙物，例如墻壁或樹(shù)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(tīng)起來(lái)相對(duì)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(biāo)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(jì)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(yīng)達(dá)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(shè)計(jì)人員應(yīng)利用低成本和傳統(tǒng)的制造技術(shù)，而無(wú)需使用特殊的包裝工藝和材料。

 

圖3.相控陣芯片組構(gòu)成了基站中的某些組件。

 

原型故障排除的復(fù)雜性

 

這個(gè)挑戰(zhàn)聽(tīng)起來(lái)可能不像以前的挑戰(zhàn)那樣具有技術(shù)性，但是在實(shí)踐中它同樣普遍，其影響可能比任何技術(shù)挑戰(zhàn)都更糟。

 

圖4. mmWave開(kāi)發(fā)工作流程中的空白可能會(huì)阻礙測(cè)試工程師和設(shè)計(jì)工程師之間的溝通。

 

如前所述，mmWave設(shè)備設(shè)計(jì)要求工程師測(cè)量和驗(yàn)證盡可能多的RF設(shè)備特性，在原型設(shè)備進(jìn)入驗(yàn)證階段之前，您已經(jīng)需要考慮許多技術(shù)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。此外，隨著無(wú)線技術(shù)和應(yīng)用程序復(fù)雜性的增長(zhǎng)，需要不同的技能來(lái)進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。如今，許多公司經(jīng)常指定獨(dú)立的部門從事設(shè)計(jì)和測(cè)試。在某些情況下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和測(cè)試團(tuán)隊(duì)甚至位于不同的國(guó)家/地區(qū)，如圖4所示。因此，在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和測(cè)試團(tuán)隊(duì)之間交換想法，數(shù)據(jù)和知識(shí)可能不是一件容易的事。由于知識(shí)，功能甚至地理上的差距，可能需要額外的時(shí)間。

 

例如，測(cè)試工程師可以執(zhí)行天線測(cè)量，RF參數(shù)測(cè)試和功能/協(xié)議測(cè)試。并非由測(cè)試設(shè)置引起的性能問(wèn)題可能很難解決。設(shè)計(jì)工程師和測(cè)試工程師必須合作解決任何設(shè)計(jì)問(wèn)題。

 

仿真

 

通過(guò)仿真，工程師可以應(yīng)對(duì)mmWave帶來(lái)的挑戰(zhàn)。隨著mmWave設(shè)備變得越來(lái)越流行，我們對(duì)仿真的依賴將越來(lái)越大。仿真可能無(wú)法解決上述所有挑戰(zhàn)，但可以肯定地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程。

 

從雜散諧波和互調(diào)干擾開(kāi)始，設(shè)計(jì)人員可以使用仿真工具來(lái)預(yù)測(cè)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(hào)路徑。設(shè)計(jì)人員還可以模擬寄生諧波的特性，以評(píng)估其影響。

 

關(guān)于波束成形的性能驗(yàn)證，仿真工具可以解決信號(hào)可視化和5G端到端系統(tǒng)許多不同方面的驗(yàn)證，從而大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。例如，仿真工具可以使用適當(dāng)?shù)南嗫仃囂炀€來(lái)仿真5G鏈路級(jí)驗(yàn)證，以驗(yàn)證波束成形設(shè)計(jì)的性能。5G仿真工具可用于優(yōu)化時(shí)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(shè)計(jì)人員可以使用仿真工具來(lái)仿真其設(shè)計(jì)的主要組成部分，然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木€性度和噪聲系數(shù)以及增益仿真。系統(tǒng)級(jí)建模和仿真使設(shè)計(jì)人員可以針對(duì)多個(gè)變量測(cè)試其設(shè)計(jì)，而無(wú)需實(shí)際設(shè)置測(cè)試設(shè)備。

 

仿真還可以幫助簡(jiǎn)化原型設(shè)計(jì)。工程師可以直接在空中模擬他們的設(shè)計(jì)，以發(fā)現(xiàn)差異并預(yù)測(cè)結(jié)果。如果模擬和測(cè)試環(huán)境構(gòu)建在一個(gè)通用平臺(tái)上，那么測(cè)試工程師就可以更輕松地判斷模擬是否與測(cè)試結(jié)果相符。如果設(shè)計(jì)工程師和測(cè)試工程師不在同一物理位置，則可以更輕松地進(jìn)行遠(yuǎn)程故障排除。

 

結(jié)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(shí)提供更大的通信量。 mmWave的這些優(yōu)勢(shì)釋放了5G的真正潛力。在5G時(shí)代，mmWave將發(fā)揮作用 一個(gè)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(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，但它的廣泛部署是不可避免的。設(shè)備制造商和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商可以在設(shè)計(jì)工作流程中采用更多的仿真解決方案，從而加快mmWave設(shè)計(jì)周期。 同時(shí)，他們還需要提高仿真精度，并連接設(shè)計(jì)仿真和原型測(cè)試工作流程。仿真為mmWave市場(chǎng)就緒產(chǎn)品提供了最短的時(shí)間，而無(wú)需大量投資或犧牲性能。