毫米波发展状况详解

中国电信创新中心|蒋峥

随着5G时代的日益临近，毫米波的商业应用成为各国运营商的关注热点。为使毫米波频率实现全球统一的标准化，国际电信联盟（ITU）发布了从24GHz到86GHz的全球可用频率建议列表。

在ITU发布建议后不久，美国联邦通信委员会（FCC）于2015年10月发布了规则制定建议通知（NPRM），并建议采用28GHz、37GHz以及39GHz用于获得频谱牌照运营商的5G网络建设；采用64GHz～71GHz频段用于5G网络的非牌照用途。虽然ITU、3GPP以及其他标准化组织决定将2020年作为规定5G标准的最后时限，但各国的通信运营商都在加快步伐以尽早地提供5G服务。

运营商毫米波商业进展

在北美，美国AT&T和Verizon等运营商都积极投身于发展高频5G技术，其中AT&T通过收购Fiber Tower获得了39GHz附近的频段资源；而Verizon在美国国家仪器（NI）公司的支持下，于2017年3月展示了全球首款实时28GHz Verizon 5G无线原型系统，其峰值数据传输速率可达5Gbit/s，扩展为8组MIMO后可超过20Gbit/s，并有计划在2018年下半年开展试商用。2018年1月美国T-Mobile、Nokia和Intel也在华盛顿测试28GHz高频系统。美国运营商主要将高频通信用于向用户提供固定无线宽带接入业务。在2018年2月加拿大Telus和华为在温哥华测试28GHz系统同样是提供固定无线宽带接入业务。

在亚洲，日本运营商NTT docomo在2017年第三届东京湾全球5G峰会期间联合华为首次完成基于3GPP 5G新空口的39GHz高频技术测试，实现了三方实时4K高清视频会议。韩国电信（KT）已于2018年2月在平昌冬奥会上实现28GHz的5G网络应用，采用的是北美运营商的V5G系统。近期，韩国政府宣布计划于2018年6月颁发5G频谱，届时3.5GHz和28GHz频段的频谱将被拍卖。

在欧盟，欧盟委员会在2 016年9月份公布5G行动计划，建议以24GHz以上频段作为欧洲5 G潜在频段，24.25GHz～27.5GHz频段作为欧洲5G先行频段，并建议欧盟各成员国保证24.25GHz～27.5GHz频段的一部分在2020年前可用于满足5G市场需求。2017年7月英国运营商Arqiva和三星测试了28GHz系统性能。

在中国，工业和信息化部已于2017年7月批复24.75GHz～27.5GHz和37GHz～42.5GHz用于5G技术研发测试。

综上所述，在世界范围内很多国家的运营商都在进行毫米波频段的5G系统研究以及验证工作，但从商用角度，还是美国运营商针对固定无线宽带接入场景提供服务更为清晰，而用于移动宽带接入场景的业务还都处于研究阶段，缺少预商用计划。

毫米波产业发展状况及面临的挑战

随着5G研究的不断推进，国际上已积极开展了高频段通信用芯片研究及系统验证，频段主要集中在28GHz、V波段(60GHz)及E波段(70GHz)。

美国SiBEAM公司采用CMOS工艺实现了60GHz 16路单片集成相控阵系统，其通信速率可达4Gbit/s；比利时鲁汶IMEC微电子中心于2012年发布60GHz全集成收发系统，该系统采用40nm CMOS工艺，其通信速率可达7Gbit/s；美国博通公司（Broadcom Corporation）采用16路相控阵实现了60GHz收发系统，该系统采用16QAM调制，其通信速率为3.6Gbit/s。

除此之外，IBM与爱立信于2017年2月发布了工作在28GHz的相控阵列天线模块；Intel于2017年11月发布了XMM 8060 5G多模基带芯片，该芯片同时支持6GHz以下频段和28GHz毫米波频段；诺基亚与日本NTT docomo采用商用E波段射频收发机芯片，在73.5GHz开展了毫米波高频段通信系统验证，其可支持带宽为1GHz。对比看来，我国在高性能高频器件（包括设计、封装及测试等方面）、原型系统验证等方面还存在较大差距，需要进一步开展创新性研究与开发工作。

总体来说，毫米波频段通信面临的挑战主要受限于高频器件，相关的高频核心器件主要包括功率放大器、低噪声放大器、锁相环电路、滤波器、高速高精度数模及模数转换器、阵列天线等。为满足更高阶调制方式及多用户通信等需求，高频功率放大器、低噪声放大器需要进一步提升输出功率、功率效率、及线性度等性能；锁相环系统需要进一步改善其相位噪声及调谐范围等性能；滤波器需要提升其带宽、插入损耗等性能；数模及模数转换器件要求满足至少1GHz的信道带宽的采样需求，提高精度并降低功耗；新型的高频阵列天线需要满足高增益波束和大范围空间扫描等方面需求。此外，作为5G高频段通信系统走向实用化的关键步骤，低成本、高可靠性的封装及测试等技术也至关重要。

总而言之，为实现5G毫米波通信，需采用先进的射频前端系统架构，在满足智能化、可配置等前提下，综合考虑性能及复杂度等问题，进一步提高射频芯片的射频性能及其一致性。此外，为实现系统尺寸小型化，业界需提高高频器件功率效率，以满足系统散热要求。