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        5G毫米波頻譜:哪些頻率會被采用?

         隨著世界標準化機構著手定義下一代無線網絡,5G的愿景正在迫使研究人員改變他們的思考方式。增加4G網絡的頻譜效率并不足以提供三個高級5G用例所的數據速率、延遲和容量(圖1),這三個用例由3GPP定義,期望未來能夠提供無處不在的瞬間移動寬帶數據。增強型移動寬帶(eMBB)用例由IMT-2020定義,該用例設想了一個超過10Gbps的峰值數據速率,是4G網絡的100倍。經實踐證明,數據速率與可用頻譜直接相關,而根據香農定理,容量是帶寬(即頻譜)和信道噪聲的函數。低于6GHz的頻譜已經分配殆盡,而6GHz以上的頻譜,特別是毫米波頻率已經成為一個非常有前景的替代方案來實現eMBB用例。但是,哪些毫米波頻率會被采用呢?

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        頻譜選項

             國際電信聯盟(ITU)3GPP在關于5G標準兩個研究階段的計劃上已經達成了一致。第一階段主要研究低于40GHz的頻率,致力于在20189月之前解決一些更緊迫的商業需求;第二階段從2018年開始,到201912月,致力于解決IMT-2020提出的關鍵績效指標。第二階段的焦點是高達100GHz的頻率。

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        為了在毫米波頻率標準化上達成全球一致,ITU在去年11月舉行的世界無線電通信大會(WRC-15)上公布了一個擬定的24GHz~86GHz范圍內的全球可行頻率列表,如表1所示。國際電聯發布該提案不久,美國聯邦通信委員會(FCC)20151021日發布了一條規則制定建議通知(NPRM),推薦了28GHz、37GHz、39GHz64-71GHz頻段的新靈活服務規則(如圖2所示)。


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        盡管ITU、3GPP等標準機構將2020年定為對5G標準進行定義的最后期限,但移動運營商正在加快5G服務的時間進度。在美國,VerizonATT計劃在2017年對5G的早期版本進行測試。韓國打算在2018年的冬奧會上進行5G試驗,而日本則想要在2020年的東京奧運會上展示5G技術。經過各方組織的努力和推動,目前最有可能用于5G的候選頻率包括:28GHz、39GHz73GHz。

        這三個頻段的提出有以下幾個原因。首先,60GHz的頻率由于氧吸收的原因會產生大約20dB/km的衰減,與60GHz不同的是,這些頻率的氧吸收率低得多。這使其有可能適用于長距離通信。這些頻率在多徑環境下也能可靠運行,可用于非視距(NLoS)通信。通過將波束賦形和波束跟蹤與高度定向天線結合,毫米波可以提供可靠且非常安全的鏈路。紐約大學工程學院的Ted Rappaport博士和他的學生已經開始了28GHz、39GHz73GHz信道特性和潛在性能的研究。他們已經發表了多篇關于傳播測量的論文以及這些頻率的可能服務中斷研究。這些頻率的數據和研究結合全球頻譜的可用性,使這三個頻率成為毫米波原型驗證的起點。

             服務供應商都渴望獲得這些大量未分配的毫米波頻譜,他們是決定5G使用哪些頻率的關鍵力量。在日本,NTTDoCoMo與諾基亞、三星、愛立信、華為和富士通合作,對28GHz以及其它頻率進行現場測試。20152月,三星進行了信道測量,并證明了28GHz是蜂窩通信的一個可行頻率。這些測量驗證了城市環境中的預期路徑衰減:非視距鏈路的路徑衰減指數是3.53。三星表示,該數據表明毫米波通信鏈路可以支持超過200米的距離。其研究還包括相控陣天線方面的工作。三星已經開始對可能適合手機相控陣列的設計進行特性分析。 

             20159月,Verizon公司宣布將在2016年與三星等重要合作伙伴開展現場試驗。201511月,高通使用128根天線在28GHz頻率下進行實驗,演示密集城市環境下的毫米波技術。它展示了定向波束賦形在非視距通信中的應用。隨著FCC宣布28GHz可用于移動通信,預計美國將進行更深入的實驗和現場試驗。Verizon公司還與XO Communications簽訂了28GHz頻譜租賃協議,可在2018年年底前購買該頻譜。

             但是請注意,28GHz頻帶并不包含在國際電聯的全球可行頻率列表中。它是否將成為5G毫米波應用的長期頻率選擇仍有待確定。無論全球標準如何制定,美國、韓國、日本的頻譜可用性,以及美國服務提供商對早期現場試驗的承諾有可能將28GHz引入到美國移動技術中。在標準機構最終確定5G標準之前,韓國希望在2018年冬奧會上展示5G技術的愿望也將會推動28GHz應用到消費產品中。事實上,該頻率并沒有因為不在國際移動通信(IMT)頻譜名單上而被忽視,反而引起了FCC的注意。

             2016714日,全體委員一致投票贊成開放近11GHz高頻頻譜用于靈活、移動和固定無線寬帶的規則,其中包括3.85GHz需許可的頻譜和7GHz免許可頻譜。這些規則還在28GHz (27.5-28.35GHz)、37GHz (37-38.6GHz)39GHz (38.6-40GHz)頻段,以及一個新的免許可頻段64-71GHz推出一項新的超高微波靈活應用(Upper MicrowaveFlexible Use)服務。

             雖然28GHz可能不會在全球范圍內用于移動通信,但美國正在積極地朝這個方向前進。

         

        原型驗證推動毫米波研究的進展

            盡管5G廣泛采用28GHz頻率可能還需要很長的時間,但就目前來說,該頻率顯然非常重要。過去幾年的移動通信主要專注于73GHzE頻段)。諾基亞使用紐約大學在73GHz下的信道測量結果,開始其對該頻率的研究。在2014NI公司的年度用戶大會NIWeek上,諾基亞使用NI原型硬件演示了第一個在73GHz下工作的無線demo。該公司將持續改進這個原型,并向公眾展示這些最新的成就。在2015年世界移動通信大會(MWC)上,該原型系統使用透鏡天線和波束跟蹤,實現了超過2Gbps數據吞吐量。諾基亞在2015年布魯克林5G峰會上展示了該系統的MIMO版本,其運行速率超過10Gbps,而且在之后不到一年的時間里,諾基亞又在2016年的MWC展示了一個超過14Gbps的雙向無線鏈路諾基亞并不是唯一一家在MWC2016上展示73GHz demo的公司,華為也展示了一個與德國電信合作開發的73GHz工作原型。該demo采用多用戶MIMO機制,展示了高頻譜利用率以及可為個人用戶提供超過20Gbps吞吐量的潛力。

             未來幾年預期會有更多關于73GHz的研究。該頻率不同于28GHz39GHz的一個重要特性是可用的連續帶寬很高(大于2GHz),這是目前提出的最寬的頻譜。通過比較,28GHz提供了850MHz的帶寬,在美國,39GHz附近的兩個頻帶提供了1.6GHz1.4GHz帶寬。我們前面說過,更高的帶寬意味著更高的數據吞吐量,這使得73GHz在這一方面比其他頻率更有優勢。

             39GHz頻帶正在研究當中,但尚未得到公眾的大量支持和關注。但是,該頻段具有的部分特性使其可能成為一個折中的選擇來獲得廣泛應用。FCC提議將39GHz作為可能的移動頻率。Verizon公司在專注于2017年的28GHz首次現場試驗的同時,已經通過其與XO Communications的業務關系開始研究39GHz,XOCommunications已經擁有39GHz的實質許可證。但是,公眾對28GHz73GHz的支持和研究顯然比對其它頻率的更為明顯。

            為了利用毫米波來實現5G網絡,研究人員必須開發新的技術、算法和通信協議,因為毫米波信道的基本性質與當前的蜂窩模式截然不同,并且是相對未知的。建立毫米波原型的重要性再怎么強調都不過分,尤其是在時間如此緊迫的情況下。建立毫米波系統原型可通過某種方式展示某個技術或概念的可行性,這是通過仿真無法實現的(如圖3所示)。毫米波原型可在各種場景下通過無線方式進行實時通信,這揭開了毫米波信道的本質,為創新、技術的采用和普及提供了可能性。

         

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        挑戰   

             毫米波用于移動通信給工程師帶來了諸多挑戰,包括商用現成硅芯片的可用性、模擬組件以及其它用于開發系統的元素構建塊。這阻礙了該技術的商業化。設想一個能夠處理多千兆赫茲信號的基帶子系統。當今大多數的LTE方案通常使用10MHz的信道(最大20MHz),并且計算負荷隨著帶寬的增加而線性增加。換句話說,計算能力必須以100倍甚至更多的倍數增加才能解決5G數據速率需求。如果要執行基礎設施的毫米波系統物理層計算,FPGA將是開發實時原型的關鍵技術。畢竟,推動毫米波技術發展的驅動力是大量連續帶寬。

            除了FPGA板卡,毫米波原型系統還需要最先進的DACADC來捕獲高達2GHz的連續帶寬。目前市場上的一些射頻集成電路包含了可將基帶和毫米波頻率相互轉換的芯片,但選擇非常有限,而且大部分覆蓋免許可的60GHz頻帶。工程師們可以使用IFRF級來替代RFIC。開發出基帶和IF解決方案后,工程師可以選擇由供應商提供的毫米波射頻頭,而不需要自己開發RFIC,但這樣的產品仍然不是很多。開發毫米波射頻頭需要射頻和微波設計的專業知識。這與開發FPGA板卡完全不同,因為開發所有必需的硬件需要一個具備不同專業知識的團隊。在開發毫米波基帶原型系統時,FPGA必須作為核心組件進行考慮,而且給能夠處理數千兆赫茲信道的多FPGA系統編程會增加系統復雜性。

         

        毫米波勢在必行

            盡管5G的未來尚不明朗,但毫米波無疑將成為定義5G的關鍵技術。我們需要24GHz以上的大量連續帶寬才能滿足數據吞吐率要求,研究人員已經通過原型來展示毫米波技術可以提供超過14Gbps的數據速率。盡管全球頻譜分配仍然存在許多問題,但美國正毫不猶豫地朝著28、3739GHz方向前進。

         


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