5G毫米波關鍵技術研究和發展建議

張忠皓　李福昌　高帥　延凱悅　馬靜艷

【摘? 要】毫米波技術是5G系統滿足大帶寬需求的重要手段。從產業發展需求角度介紹毫米波標準化和產業鏈現狀，系統地分析5G毫米波大規模天線、波束管理、傳播特性等關鍵技術，結合毫米波關鍵技術的分析，給出了5G毫米波應用主要場景和5G毫米波技術發展建議。

【關鍵詞】毫米波;大規模天線;波束管理

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.004? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）09-0018-06

引用格式：張忠皓，李福昌，高帥，等. 5G毫米波關鍵技術研究和發展建議[J]. 移動通信， 2019，43（9）： 18-23.

Research on Key Technologies and Development Suggestions of 5G Millimeter-wave

Mobile Communication System

ZHANG Zhonghao， LI Fuchang， GAO Shuai， YAN Kaiyue， MA Jingyan

（China Unicom Network technology research institute， Beijing 100048， China）

[Abstract]

Millimeter wave technology is an important means for 5G system to meet the demand of large bandwidth. The millimeter-wave standardization and the current Status of industrial chains are introduced from the perspective of industrial development requirements. The key technologies such as 5G millimeter-wave large-scale antenna， beam management and propagation characteristics are systematically analyzed. Based on the analysis of millimeter-wave key technologies， the main 5G millimeter-wave application scenarios and the development suggestions of 5G millimeter-wave technologies are presented.

[Key words]millimeter-wave; large-scale antenna; beam management

1? ?引言

按照ITU-R WP5D M.2083報告定義的系統需求，5G將支持至少100 Mbit/s～1 Gbit/s的邊緣用戶體驗速率，10 Gbit/s～20 Gbit/s的系統峰值速率。但是，6 GHz以下頻率資源匱乏，很難找到連續的大帶寬滿足5G系統需求，毫米波開始成為移動通信發展的重要研究方向[1-6]，第三代合作伙伴計劃（3GPP）已經將毫米波作為3GPP 5G移動通信系統的必要組成部分[7-8]，國內IMT-2020已經成立毫米波工作組并已經開展毫米波相關研究和行業標準的制定工作。

毫米波一般是指波長1 ms至10 ms、頻率30 GHz至300 GHz的電磁波。相較于低頻段，毫米波頻段有豐富的帶寬資源，可以構建高達800 MHz的超大帶寬通信系統，通信速率高達10 Gbit/s，可以滿足ITU對于5G通信系統的要求。雖然運營商和行業已經開始從系統應用角度考慮5G毫米波部署和應用問題[9-11]，但是5G毫米波移動通信系統的落地應用還有很多問題有待解決和進一步完善[12]，如高頻器件性能[13]、電磁兼容問題[14]、波束賦形和波束管理算法[15-17]、鏈路特性等方面[18-19]。

目前國內6 GHz以下5G系統已經從試驗網向商用轉變，5G毫米波也需要適時開始進行網絡部署規劃，國內毫米波行業需要加快毫米波相關標準、射頻器件、整機方面的研發進度，推動毫米波產業鏈成熟，為未來部署做好準備。

本文首先從5G毫米波產業發展現狀著手，對毫米波大規模天線、波束賦形、波束管理和大帶寬通信等關鍵技術進行分析。其次，在對當前毫米波技術進行摸底測試基礎上，從網絡部署角度提出5G毫米波部署場景和毫米波技術發展建議。

2? ?5G毫米波發展現狀

2.1? 5G毫米波標準化情況

在3GPP中，毫米波頻段的射頻標準討論和制定工作由3GPP RAN4牽頭開展，研究分為兩個階段：第一階段研究40 GHz以下的頻率，以滿足較為緊急的商業需求，于2018年12月完成;第二階段從2018年開始，到2019年12月完成，該階段專注于最高100 GHz的頻率，以全面實現IMT-2020的愿景。

5G頻段具有多樣性，一般稱之為低頻（6 GHz以下）和高頻（24.25 GHz—52.6 GHz），第一階段頻譜分配定義了52.6 GHz以下的毫米波頻譜，如表1所示：

在3GPP中，上述毫米波頻段和3.5 GHz的NR系統是同步標準化，目前已經形成2018.12.30的R15版本。R16版本正在討論中，并在2019年6月固化。

在R16版本同樣進行52.6 GHz以上頻段的研究，主要探索NR如何采用更高的頻段，且提供高達2 GHz的帶寬（超過R15 800 MHz帶寬的兩倍），并確定更高頻段的潛在用例和部署場景。在接下來的5至8個月內，3GPP無線電接入網絡（RAN）全體會議將確定目標頻段范圍、用例和部署方案。

ITU工作組方面，ITU-R將24.25 GHz—27.5 GHz、31.8 GHz—33.4 GHz納入研究范圍，高頻段成為WRC-19 1.13議題的核心工作。國內方面IMT2020成立高頻討論組，制定毫米波關鍵技術要求、毫米波外場性能測試方法等行業標準，目前已經形成2019.06.21版本。

2.2? 5G毫米波產業鏈發展情況

總體上看，毫米波產業鏈還處于初級階段，距離成熟商用還有一段距離。

網絡部署方面，美日韓在毫米波商用和預商用進展較快。美國運營商已在多個城市進行毫米波商用部署，主要聚焦在將28 GHz/39 GHz用于FWA場景。韓國運營商完成國內28 GHz毫米波頻譜的分配，日本運營商開始對28 GHz毫米波進行外場試驗。現有毫米波網絡部署主要集中在FWA場景，未開展對毫米波在園區專網、車聯網、熱點覆蓋等方面的場景部署。

主設備方面，廠家設備頻段以北美和日韓頻段為主，設備可以支持基本功能，但是部分功能如波束管理、移動性等有待進一步完善。毫米波基帶部分與5G低頻段設備具有相同成熟度，但是射頻相關的功能和性能、測試方法尚未完全標準化。

測試方面，5G高頻設備采用OTA方法進行射頻測試，國內毫米波段OTA測試技術和測試方法得到一定發展，但測試方案的可行性、可靠性、準確性、成本和效率等依舊面臨很多問題和挑戰。

芯片和終端的進度總體上落后于設備。英特爾（Intel）于2017年11月發布了XMM 8060 5G多模基帶芯片，該芯片同時支持6 GHz以下頻段和28 GHz毫米波頻段。高通已經能夠提供商用的毫米波終端芯片X50和X55，天線模組QTM525。高通公司目前已具備測試終端MTP8510-5G，頻點為N257A或者N261（28 GHz頻段）。在商用終端方面，OPPO/VIVO/ZTE預計2019年底將推出X55芯片樣機終端，商用終端預計2020年出現。

高頻核心器件是毫米波頻段通信面臨的一個重要挑戰，低成本、高可靠性的封裝及測試等技術也至關重要。我國在高性能高頻器件、原型系統驗證等方面與全球領先企業仍存在較大差距[20]，需要進一步開展創新性研究與開發工作。

3? ?5G毫米波關鍵技術研究

3.1? 大規模天線和波束賦形

大規模天線技術（Massive MIMO）和波束賦形技術是毫米波系統的關鍵技術之一，Massive MIMO可以形成更窄波束，波束賦形則可以降低干擾提升信噪比。在實際場景部署中，可借助多通道和多天線的收發增強對基站上下行覆蓋進行增強，針對高低層建筑以及線狀路面提供差異化的覆蓋方案，如圖1所示：

在使用波束賦形技術時，全數字波束賦形的方案優勢在于可以通過提高信噪比來實現系統性能的提升，但同時會大大增加射頻鏈路的個數，造成功耗和成本的增加。模擬波束賦形方案則采用了成本低廉、經濟實惠的移相器，但只能進行固定波束切換，在性能上達不到數字波束賦形性能的效果，也無法實現較優的MIMO性能。因此毫米波系統通常采用模擬電路與數字電路相結合的混合波束賦形方案[21]，如圖2所示。

3.2? 波束管理

毫米波通信系統中，波束管理功能即指管理波束賦形后形成的窄波束，主要包括以下幾方面內容：波束掃描、波束測量、波束上報、波束指示和波束失敗恢復[22]。

波束掃描一般分為粗掃描和精準掃描，分別對控制信道和數據信道進行掃描。波束測量過程在空閑接入狀態時和連接態中都起到關鍵作用，主要測量SSB、CSI-RS、SRS等信號。波束失敗與恢復的過程如圖3所示，UE檢測到波束失敗時觸發波束失敗恢復流程，重新發起接入請求，與基站重新建立新波束對，恢復數據傳輸。

中國聯通在毫米波外場測試中，對波束切換功能進行了測試。如圖4所示，在測試波束切換過程中測試終端沿毫米波基站天面法線的切線方向進行移動，移動速度分別為5 km/h（步行）、10 km/h（騎車）和30 km/h（行車）。表2展示了在5 km/h（步行）速度下測試終端在不同接入點的波束測量結果，由測試結果得知，隨著測試終端的移動，控制信道波束和數據信道波束都可以正常切換，且移動過程中數據傳輸保持穩定狀態。

3.3? 傳播特性和穿透損耗

根據3GPP TR38.901中規定的0 GHz～100 GHz無線電波在城市區域內直射路徑的損耗模型[23]可知，自由空間損耗與載波頻率成正相關。假設f1與f2分別代表高低頻載波，則可計算高頻點相對于3.5 GHz頻點的路損差值為20×lg（f1/f2），如圖5所示，其中26 GHz載波比3.5 GHz載波路損高20×lg（26/3.5）≈17.42 dB，即后者是前者理論傳播距離的10^（17.42/22）≈6.19倍。

在毫米波傳播過程中，容易受到降雨、樹叢遮擋以及其他遮擋物對電波的遮擋和吸收等影響，中國聯通在毫米波外場測試中，對不同遮擋物、不同情況的毫米波穿透損耗進行測試，結果如表3所示。

測試中可以看到，毫米波基本不具備傳統混凝土承重墻的能力。本次外場沒有進行雨雪等惡劣天氣對于毫米波的影響測試，根據參考文獻[18]對于毫米波雨衰的分析，降雨對毫米波影響很大，毫米波速率有較大下降。通過理論分析和實際測試，毫米波穿透損耗較6 GHz以下頻段更高。

3.4? 大帶寬通信能力

5G毫米波的峰值速率與帶寬、幀結構、支持的流數、調制階數等因素有關。與5G低頻類似，毫米波系統支持4流和8流的傳輸，以及64QAM和256QAM調制方式。幀結構方面同樣繼承了5G低頻的靈活性，在帶寬方面毫米波系統具有極大的優勢，可支持400 M和800 M的帶寬，具備超大帶寬通信的能力。

在毫米波外場測試中，在近點進行了毫米波小區峰值容量測試。其中，系統支持4流，采用幀結構DDDS，即三個連續的下行slot、一個特殊slot（配比為0：2：12）。表4給出了不同帶寬的上下行峰值吞吐量：

從外場測試結果可以看到，5G毫米波系統在800 MHz帶寬情況下，小區下行峰值速率可以達到9.31 Gbit/s，上行峰值速率可以達到1.91 Gbit/s。

除了對毫米波下行傳輸技術的研究，中國聯通也提出基于5G毫米波的上行增強方案。在保證下行業務高傳輸速率的前提下，采用大上行時隙配比，比如采用DSUUU的幀結構配比方式，上行理論峰值容量將達9 Gbit/s，

實際速率預計可以達到6 Gbit/s以上、單用戶速率可達3 Gbit/s以上，可以實現提高整個網絡上行容量的目的。

4? ?5G毫米波部署場景分析

從毫米波傳播特性和覆蓋能力考慮，5G毫米波適合部署在相對空曠無遮擋或少遮擋的園區環境。典型的部署場景如下：

（1）5G品牌價值區

從產業鏈成熟和網絡部署進度角度考慮，國內5G毫米波系統商業部署時間點比6 GHz以下頻段5G系統晚2年左右，預計屆時5G 6 GHz以下頻段系統已經完成大部分城市重點區域覆蓋。所以毫米波在部署初期將與6 GHz以下頻段的5G系統結合，形成5G系統高低頻混合組網方式，用于重要品牌價值區域的覆蓋，提升品牌價值，或者用于人流密集場所和熱點區域的吸熱，提供進一步的大容量上傳能力。

（2）大帶寬回傳場景

毫米波可以作為無線回傳鏈路，利用高達800 MHz帶寬、10 Gbit/s的系統峰值速率，解決一些場景無法布放光纖或布放光纖代價過高的固定無線寬帶場景。或者毫米波自回傳組網方案：一方面基站為終端提供服務，一方面通過站間對打實現無線回傳，這種方式可以作為無法布放光纖回傳時的靈活解決方案。

（3）園區專網

5G毫米波系統與MEC、AI技術相結合，可以為覆蓋區域提供“大容量高速率+本地化”的智能解決方案，滿足行業客戶低時延、大帶寬、安全隔離的需求。

5? ?5G毫米波技術發展建議

5.1? 盡快出臺5G毫米波頻譜規劃

在工信部無線電管理局發布的《2019年全國無線電管理工作要點》中，明確提出“適時發布5G系統部分毫米波頻段頻率使用規劃，引導5G系統毫米波產業發展”。5G毫米波頻譜規劃有望在2019年出臺。只有盡快明確國內毫米波頻譜規劃和劃分，產業鏈特別是高頻器件產業才可以有的放矢，5G毫米波產業才能盡快發展成熟。

5.2? 完善技術標準和測試方法

應盡快完善毫米波系統的相關標準，明確毫米波系統射頻OTA測試方法，滿足對方向性指標、全向性指標和共址指標三類指標進行測試的要求。應盡快推進國內毫米波OTA射頻測試，推動解決OTA測試中出現的測試環境、儀表器件和算法設計、測試效率、測試成本等多方面問題。在緊縮場等環境下保證指標測試方案的可行性、可靠性、準確性、低成本和高效率。

在設備能力方面，毫米波系統應支持200 MHz、400 MHz單載波能力，應支持多載波聚合、總帶寬800 MHz的能力。毫米波設備應支持64QAM和256QAM調制方式，支持4流和8流數據傳輸。系統峰值傳輸速率應達到10 Gbit/s以上。5G毫米波頻段系統需要具備較好的波束管理算法，包括控制信道和數據業務信道設計、波束選擇、波束反饋、波束指示以及波束恢復等，保證UE在移動過程中的波束選擇與波束跟蹤，保證UE在遮擋情況下的波束切換與波束恢復能力。

5.3? 推動高頻器件研發和整機測試進度

器件方面，要求支持多種毫米波頻段以及太赫茲頻段，兼顧成本和性能。推動高頻模擬器件與芯片在民用通信的器件材料工藝成熟度發展，匯聚產學研用力量，打造成熟的高頻段射頻器件與芯片產業鏈。

6? ?結論

本文從毫米波產業成熟度入手，分析毫米波關鍵技術和發展現狀。在對毫米波設備進行測試摸底的基礎上，根據毫米波系統特性提出5G毫米波部署場景建議。最后站在毫米波產業發展的角度，提出了加速出臺頻譜規劃、加速標準化和高頻器件發展的建議。

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