2020年，業(yè)界實(shí)現了首個(gè)毫米波（mmWave）技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò )部署。實(shí)際測試發(fā)現，毫米波可實(shí)現大于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(luò )上的下載速度比4G LTE網(wǎng)絡(luò )上的下載速度快20倍。測試還發(fā)現，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信號的范圍更短，無(wú)法穿透障礙。但是，mmWave的好處遠遠超過(guò)了這些缺點(diǎn)。mmWave正在全球范圍內大規模部署。真正的問(wèn)題是，在5G設備設計方面，我們如何最大程度地減少mmWave的這些障礙？

 

雜散諧波和互調干擾

 

功率放大器和混頻器中的非線(xiàn)性會(huì )產(chǎn)生不必要的信號，這些信號會(huì )出現在分配的通道之外，從而干擾其他通道。我們將這些互調干擾稱(chēng)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(cháng)短，很難從mmWave信號中消除寄生諧波。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)射規則。從操作的角度來(lái)看，干擾附近的天線(xiàn)信號束可能會(huì )導致其他無(wú)線(xiàn)通信設備發(fā)生故障。

 

與無(wú)線(xiàn)通信中的其他噪聲信號一樣，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。

波束成形的性能驗證

 

mmWave的優(yōu)勢不僅來(lái)自更廣泛的頻譜可用性，還來(lái)自更智能的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)系統的復雜性要求可靠的性能驗證過(guò)程。工程師需要考慮所有現實(shí)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(xiàn)的性能。由于基站可能使用復雜的相控陣數字，模擬或混合波束成形技術(shù)，因此根據應用，連接的5G設備可能會(huì )使用不同類(lèi)型的天線(xiàn)。因此，驗證連接過(guò)程以找到基站與5G設備之間的最佳傳輸通道至關(guān)重要，盡管這很困難。對于毫米波的超短波長(cháng)，基站必須執行計算密集型的基帶預編碼過(guò)程，以選擇最佳預編碼調制以應用于每個(gè)用戶(hù)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(luò )中提供優(yōu)質(zhì)的用戶(hù)體驗。

 

此外，我們仍然具有預編碼算法，基站的RF相控陣多輸入多輸出（MIMO）系統架構以及需要驗證的多個(gè)手機天線(xiàn)放置和輻射方向圖。如果對5G mmWave的這些方面中的任何一個(gè)進(jìn)行了錯誤的測量，則整個(gè)設計將失敗。此外，由于毫米波的波長(cháng)短，設置驗證也非常具有挑戰性。設備的輕微錯位可能會(huì )顯著(zhù)影響結果。

 

圖2顯示了常見(jiàn)的mmWave設備實(shí)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(xiàn)（此照片中未顯示）。紅線(xiàn)代表信號路徑。假設測試在100 GHz以下。這意味著(zhù)信號的波長(cháng)約為3毫米，任何3毫米左右的未對準都會(huì )對測試結果的準確性產(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 )導致錯誤的測量結果。

 

圖2.此實(shí)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(cháng)時(shí)間來(lái)設置mmWave驗證測試并校準所有測試設備。實(shí)際鎖相環(huán)測量可能需要六個(gè)小時(shí)來(lái)設置和校準硬件。完成驗證測試可能需要更長(cháng)的時(shí)間。

 

通訊協(xié)議一攬子問(wèn)題

 

回想一下，mmWave信號具有很高的路徑損耗，這意味著(zhù)它們無(wú)法傳播得很遠，也無(wú)法很好地穿透障礙物，例如墻壁或樹(shù)木。為了提供高數據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.相控陣芯片組構成了基站中的某些組件。

 

原型故障排除的復雜性

 

這個(gè)挑戰聽(tīng)起來(lái)可能不像以前的挑戰那樣具有技術(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(jìn)入驗證階段之前，您已經(jīng)需要考慮許多技術(shù)設計挑戰。此外，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)和應用程序復雜性的增長(cháng)，需要不同的技能來(lái)進(jìn)行設備設計和驗證。如今，許多公司經(jīng)常指定獨立的部門(mén)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，如圖4所示。因此，在設計團隊和測試團隊之間交換想法，數據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(shí)間。

 

例如，測試工程師可以執行天線(xiàn)測量，RF參數測試和功能/協(xié)議測試。并非由測試設置引起的性能問(wèn)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(wèn)題。

 

仿真

 

通過(guò)仿真，工程師可以應對mmWave帶來(lái)的挑戰。隨著(zhù)mmWave設備變得越來(lái)越流行，我們對仿真的依賴(lài)將越來(lái)越大。仿真可能無(wú)法解決上述所有挑戰，但可以肯定地簡(jiǎn)化了設計過(guò)程。

 

從雜散諧波和互調干擾開(kāi)始，設計人員可以使用仿真工具來(lái)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(guān)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端到端系統許多不同方面的驗證，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的相控陣天線(xiàn)來(lái)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(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，設計人員可以使用仿真工具來(lái)仿真其設計的主要組成部分，然后對整個(gè)系統進(jìn)行適當的線(xiàn)性度和噪聲系數以及增益仿真。系統級建模和仿真使設計人員可以針對多個(gè)變量測試其設計，而無(wú)需實(shí)際設置測試設備。

 

仿真還可以幫助簡(jiǎn)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)現差異并預測結果。如果模擬和測試環(huán)境構建在一個(gè)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(jìn)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據速率，同時(shí)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(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(lái)了巨大挑戰，但它的廣泛部署是不可避免的。設備制造商和網(wǎng)絡(luò )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(shí)，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(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。