5G毫米波核心是多波束阵列
'5G毫米波, 目标是实现N乘以10个Gbps的传输速率. ' 洪伟说, '美国采用了28GHz, 我们国家还在征求意见. '
5G毫米波中一个重要的技术是窄波束天线的多波束系统, 通过这个系统提高基站侧的通信网络增益, 网络的高增益是实现高传输速率的基础.
MIMO (多入多出天线阵列) 就是一个多波束系统.
洪伟表示, 多波束阵有很多种, 有纯数字多波束, 还有无源多波束, 目前很多大的厂家在做相控多波束. '我认为, 最终不能用这样的结构, 而应用全数字多波束阵. ' 洪伟说, '相控多波束面临复杂性, 成本和功耗都较高的问题, 而且会降低毫米波基站的覆盖范围, 这个多波束结构可以用来做过渡, 但最终肯定要用纯的数字多波束系统. '
目前通过洪伟的实验, 在28GHZ基于64通道的多波束阵, 已经能够支持50Gbps的传输速率, 频谱利用率超过了100%. 洪伟采用的也是混合多波束, 但他的混合方案是在水平方向用纯数字多波束, 在垂直方向用无源多波束. '这有可能会变成多波束阵的替代或者补充方案. ' 洪伟说.
但这一解决方案目前还处于实验室阶段, 推出的是原理样机. '最终商用的产品, 要将实验室中整个系统压缩成一个比较薄的板状, 方便集成和安装, 同时也可以让功耗, 体积, 重量和成本大幅度大降. 在这个过程中, 一要解决多通道毫米波的收发芯片, 二要实现天线的集成化. '
终端上如何实现毫米波
毫米波波终端如何做? 洪伟说, 毫米波与光学器件有些类似, 例如手机上的摄像头, 一定要露出在外面, 毫米波也如此, 如果用手机壳挡起来信号衰减就明显, 除非用低损材料做壳. 毫米波在终端上实现需要一个多通道的毫米波芯片, 将手机的天线在封装时集成在芯片里, 成为一体化模块. '对于手机的设计者来说这就像一个电阻或电容一样的元件, 它同时具有一些特定要求, 如不能用金属框阻挡. '
在手机上, 毫米波应该放在什么位置? 洪伟说, 我们认为最佳的位置应该是在手机的右上角区域, 即使有人把手机横过来看视频, 打游戏, 这个位置一般也不会被手遮挡. '当然其中要解决一些问题, 如天线设计, 宽角度的多波束覆盖等. ' 洪伟说, '这里还有一个关键问题, 就是芯片里面要把多个通道的收发信息全部集成进去. ' 他还建议手机终端企业开放接口定义, 或制订统一的接口标准.
洪伟说, 这种一体化模块的解决方案看上去很难, 但实现多通道的5G毫米波芯片, 没有其他路可选, 这是必经之路, 必须解决的问题.
无论是5G毫米波基站还是终端, 要最终实现小型化, 低成本, 低功耗, 必须突破单芯片集成, 要实现量产还要做好封装环节. 洪伟说, 对于基站来说, 考虑到功率和散热问题, 天线与芯片建议在板级或者系统级集成; 对于终端, 建议封装集成或板级集成.
目前汽车雷达已经为毫米波芯片做了开路工作, 用比较小的芯片实现了多通道, 芯片中三个发射机, 四个接收机, 频段工作在71GHz. '我们以前觉得40GHz以上的毫米波芯片, 封装是不能解决的, 实际上这个汽车雷达芯片已经走通了, 和低频段一样可以大批量规模生产. ' 洪伟说, '如果芯片能够成功解决好多通道和天线封装的问题, 5G毫米波终端就可以实现. '
5G毫米波可用于低空通信
5G毫米波可能的拓展应用空间是低空通信. 洪伟说, 我国在建设空天地海一体化的卫星通信网, 一个办法是把中低轨卫星变成像5G毫米波基站一样, 对地用多波束进行覆盖. 这种办法会带来一些问题, 如基带处理应该放在地面还是卫星, 因为多波束会带来非常大的处理量, 如果放在地面会带来时延; 再如功耗, 体积, 重量是否要进一步降低, 星间的动态跟踪怎么实现等.
5G毫米波基站覆盖距离大约200到300米, 从低空角度看, 这是一个用频待规范的空间. 快速发展的无人机往往飞在这个高度. 对无人机的组网也是5G毫米波可以拓展的应用空间. '如果我们把毫米波多波束的基站放到无人机上, 然后对地覆盖, 多个无人机就可以组网, 可以实现无人机间动态跟踪与毫米波宽带传输. ' 洪伟说, '无人机上可以搭载高倍摄像机, 图像的回传需要大带宽. '
据洪伟介绍, 去年成立的5G毫米波工作组确定了几项研究任务: 一是5G毫米波应用场景, 系统, 架构标准; 二是5G毫米波信道特性, 频谱规划; 三是5G毫米波质量方法, 性能规范; 四是5G毫米波芯片, 器件及工艺; 五是组织毫米波封装技术.
'目前第二个研究任务——5G毫米波信道特性和频谱规划, 已经有初步成果, 并发布了第一版白皮书. ' 洪伟说, '到年底我们希望在包括5G的系统架构, 标准, 测量, 芯片还有封装等方面, 能够陆续有白皮书发布, 以此推动5G毫米波发展. '