5G毫米波终端关键技术分析

王磊，于倩

（1.中国电信股份有限公司研究院，广东 广州 510630；2.西南民族大学，四川 成都 610093）

0 引言

5G 当下已开始规模商用，其下一阶段的关键技术也开始引起关注。毫米波频段因其大带宽等多种优势，能够实现业务体验革命性提升并助力千行百业数字转型。截至2020年底，全球已有22 家运营商部署了基于毫米波的5G 移动网络。GSMA 预测，预计到2034 年，在中国使用毫米波频段带来的经济受益将产生约1 040 亿美元的效应[1]。

1 5G毫米波终端需求

应用于5G 毫米波环境下的移动终端，会受到毫米波段电磁波传播特性的影响，面临相对于中低频段更加复杂和信道环境。同时由于毫米波的频段资源丰富但覆盖受限，支持毫米波的终端通常会同时工作于2～3 个频段（低于1 GHz、1—6 GHz 和高于6 GHz）以便最大发挥网络功能。此外，终端相较于工作在中低频的终端需要承担更多大流量的应用场景，这些都构成了影响终端实现的关键技术要素。

1.1 信道环境

毫米波在传播过程中的路径损耗较大，根据3GPP TR 38.901 中0—100 GHz 无线电波在城市区域内直射路径损耗模型可知，自由空间损耗和载波频率正相关。其中26 GHz 载波比3.5 GHz 载波路损高约17.42 dB，理论传播距离只有3.5 GHz 载波的约六分之一，并会同时受到恶劣天气如雨、雾等影响[2]。

5G 毫米波穿透损耗测试结果如表1 所示：

表1 5G毫米波穿透损耗测试结果

毫米波的高衰减信道特性使得终端需采用天线阵列以支持波束赋形技术，从而提升终端EIRP（等效全向辐射功率）以提升上行覆盖能力。同时终端还需要支持波束搜索、跟踪和切换等波束管理技术来提升信号受遮挡情况下对新波束的动态捕捉和切换。由此引申出的移动性管理和波束管理问题，需要毫米波系统支持3GPP 规定的灵活小区切换方案和快速波束恢复机制，以及终端实现两个波束同时接收的Multi-TRP 等特性加以解决。

1.2 网络架构

终端能力首先需满足网络架构的要求，为了更稳定支持用户流量，业界普遍认为未来毫米波应用将采用高低频混合组网方式，通过结合DC/CA 技术，由低频段承载控制面信息和部分用户面数据，高频提供超高速率用户面数据[3]。随着国内运营商网络逐步转向SA 架构，可预计毫米波终端能力将向NR-CA/DC 演进。如图1 所示，5G 毫米波网络与Sub-6 GHz、4G LTE 网络有机结合，提供极致用户体验。

图1 5G毫米波网络与Sub-6 GHz、4G LTE网络有机结合提供极致用户体验

其次，毫米波频段最高支持800 MHz 的单载波带宽，目前的分析显示单载波带宽的增大能够带来一定的上行覆盖增益，并相较于CA 能够带来一定的容量增益。现阶段建议毫米波终端应支持200 MHz 的单载波带宽和最高400 MHz 的载波聚合带宽。在这里需要指出的是，在3GPP 标准中，5G 毫米波和Sub-6 GHz 拥有几乎相同的空口协议，因此5G 毫米波和Sub-6 GHz 网络可进行紧密集成，从而使高低频的载波聚合容易实现[4]。

此外，终端的基本上行能力和覆盖在5G 中低频段已得到满足，为进一步满足应用对上行差异化的带宽需求，考虑毫米波的区域部署特性，毫米波终端应支持网络调度下的灵活帧结构，以满足业务灵活调配上行带宽的需求。

1.3 应用场景

从毫米波的传播特性和覆盖能力考虑，通过多轮的产业研讨和试验验证，业界已经基本明确5G 毫米波适合部署在相对空旷无遮挡或少遮挡的空旷环境[5]。

（1）行业专网：5G 毫米波系统与MEC、网络切片等技术相结合，满足行业客户低时延、大带宽、安全隔离的需求，为用户提供高速率+高保障+本地化的应用解决方案。

（2）业务分流：与5G 中低频率混合组网，吸纳中低频流量，向体育场馆、展示区域等热点区域提供业务分流，为用户提供灵活的流量配置方案。如即将在2022 年冬奥会向观众提供数字化观赛体验的智慧观赛、智慧场馆等业务。

（3）回程（Backhaul）链路：5G 组网中，通过毫米波向宏蜂窝基站与小区基站间提供回程链路，为运营商迅速部署和开通5G 服务提供解决方案。

2 5G毫米波终端实现影响因素

5G 系统Sub-6 GHz 和毫米波频段在协议层的设计保持了基本一致，使得毫米波终端实现的关键因素集中在终端因新增高频通信功能所带来的基带芯片、射频器件、高频天线和设计等方面的实现挑战。

2.1 芯片和器件

2018 年市场已出现第一代毫米波芯片，主要支持欧美广泛使用的n260 和n261 频段。2019 年出现的第二代毫米波芯片已能够支持毫米波全频段。目前高通的第三代5 纳米制成工艺的5G 基带芯片X60 已可支持NR 毫米波与Sub-6 GHz 的双连接和载波聚合，并同时支持毫米波频段100 MHz 单载波带宽和最大800 MHz 下行聚合带宽和400 MHz 上行聚合带宽。毫米波基带芯片是我国5G产业链上的薄弱环节，急需突破以满足产业要求。

终端射频前端主要器件也需满足毫米波频段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和改善输出功率、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噪及调谐范围等性能；滤波器需要提升其带宽、插入损耗等性能；AD/DA 转换器至少需满足1 GHz 的信道带宽的采样需求，并提升精度和降低功耗；新型的高频阵列天线需满足高增益波束和大范围空间扫描等方面需求。

与Sub-6 GHz 终端射频前端多采用分立器件不同，毫米波终端射频前端一般采用集成器件提高集成度并降低高频损耗。器件集成度的进一步提升对材料工艺方案、天线及终端整机设计提出了更高要求。

2.2 工艺方案

5G 毫米波终端射频器件频率、集成度等特性，反映到芯片器件的工艺上呈现不同的需求。目前制造支持低频段的射频前端器件的材料主要为CMOS 为主的硅基工艺，在毫米波频段为提升器件的高频物理特性，一般采用化合物工艺，如砷化镓GaAs、氮化镓GaN、磷化铟InP 等。化合物工艺比硅基工艺具有更低的噪声系数、晶体管截止频率和更强功率。图2 展示了毫米波通信终端在芯片、器件和工艺领域涉及的主要组成。

图2 5G毫米波终端各部分芯片器件对工艺的需求

基带芯片：主要是高速数字信号处理，通常与GPU、CPU 集成为SoC，一般工作在中频，通常由先进制成的Si-CMOS 工艺设计。

硅基毫米波芯片：主要包括AD/DA、混频和信号放大和波束赋形等模块。得益于近年来消费电子对高集成度系统的需求，促进了具有低成本优势的硅基工艺不断进步，芯片商可根据毫米波系统架构设计制造低功耗多通道的收发系统芯片。

功率芯片：主要包括功率放大器、低噪声放大器和开关等，是毫米波系统射频前端与低频段射频前端差异最大的核心器件，其性能直接影响系统通信质量。终端厂商既可以选择成本较低但实现复杂度高的硅基芯片，也可以采用性能优异但成本较高的化合物芯片。

阵列天线：由于毫米波射频前端与阵列天线间的互联端面对高频极度敏感，业界通常是将前端等有源器件如PA 等直接集成在阵列天线背面形成一体化封装，封装集成天线（AiP,Antenna in Package）技术得到了迅猛发展[6]。

工艺制成技术中，应用最广泛的的硅基CMOS 工艺已经进入7 nm 以下制成的节点，但技术主要集中在欧美与中国台湾地区企业，国内如中芯国际等企业的制成还相对落后。与之形成差异的是，国内在化合物半导体方面具有一定的产业基础，与国外技术相差并不大[7]。

2.3 高频天线

毫米波终端设计通常需要将毫米波和中频频段涉及系统分离以提高系统稳定性。高频天线的设计需要同时满足天线峰值增益、空间覆盖、双极化辐射、多频带覆盖和尺寸体积等多项需求，从而使天线与芯片的一体化封装集成成为必然[8]。目前AiP 技术发展较为成熟，如高通从2018 年开始就以每年一款的速度连续推出三款5G 毫米波AiP 天线模组。

5G 毫米波终端天线模块的设计，需要保证终端不论方向和手持位置，都能得到不同天线模块的有效覆盖，在发送和接收期间均能够保持足够的链路裕量。解决这个问题的主要方法通常是在5G 毫米波终端内的不同位置放置多天线模块，从而提高5G 毫米波通信的鲁棒性。如终端使用过程中个别毫米波天线模块在通信时被人体遮挡，通过激活终端上的另一个天线模块即可快速发现并切换到另一条新的传输路径上，从而保证无线链接的稳定。

5G 毫米波终端天线的覆盖范围如图3 所示。

图3 5G毫米波终端天线的覆盖范围

上述分析中涉及的芯片器件、工艺和天线等细分领域，国内整体上落后于美国，特别是高频器件方面的产业化水平明显落后。国家工信部、科技部等部委已出台了产业政策并通过重大项目进行资源倾斜，国内产、学、研多方机构也纷纷发力，努力提升国产器件和芯片的技术能力与产业水平。

2.4 终端设计

终端的视觉观感和握持手感对终端的用户体验相当重要，亦成为影响毫米波终端设计的影响因素。因美学、手感和结构强度等因素，当前主流终端已广泛采用金属外壳，由于天线置于终端覆盖材料之下，若毫米波天线被金属外壳覆盖，则会对天线性能造成巨幅劣化，从而迫使终端厂商采用外壳开槽等手段加以避让。

与此同时，终端为了使握持手感更薄和圆润，通常会在最常握持的机身两长边的侧立面进行收弧设计，终端毫米波AiP 天线如何与终端做到外观共型，也是影响终端设计的关键因素之一。

此外，终端屏占比增加、电池容量增大、摄像头数量增加会导致留给终端天线布局空间越来越小。5G 毫米波终端须同时支持2G/3G/4G/5G 多个制式并支持定位、Wi-Fi 和蓝牙等通信功能，天线数量更多，使得毫米波天线需与LTE 以及5G 中低频天线共存甚至空间共享，同样是构成影响终端设计的重要挑战。

3 5G毫米波终端测试方案

与6 GHz 以下频段终端所采用的传导测试不同，由于毫米波终端大规模天线造成的天线数量众多、终端采用前端天线有源和无源器件一体化的设计以及高频信号高路损及耦合插损，已无法使用传统的传导测试方法对毫米波终端进行测试。OTA（Over The Air，空间范围）测试将成为毫米波终端测试的主流方案。OTA 测试可直接测试被测设备的整体辐射性能和接收性能，能够对设备的整机性能进行黑盒和白盒测试，可更真实地反映设备的实际使用性能。而且随着5G 毫米波商用进程的推进，毫米波终端在预研和产线需要进行的测试同样需要关注[9]。

3.1 标准进展

3GPP 首先在Rel-15 完成了5G 毫米波终端测试方法的研究，该研究针对5G 毫米波终端的射频性能、解调性能以及无线资源管理性能的测试验证制定了详细的解决方案，测量的方法包括了直接远场、紧缩场、近场转换远场。

为了评估毫米波MIMO 性能，3GPP 在Rel-16 对5G毫米波MIMO OTA 测试方法开展了研究工作，针对静态测试环境，完成了场景定义、信道建模、测试方法的标准制定工作[10]。但是仍然有如下问题与挑战：无法支持需要较高下行信号功率或者较低上行信号功率的测试例；无法支持如FR2+FR2Inter-bandCA 等先进技术的测试；单极化接收机的测试设备无法准确测量上行调制相关的指标；静态的测试环境使得波束管理算法没有得到很好的验证；不支持极端测试条件的测试；测试时间过长等。3GPP 将在Rel-17 对上述问题与挑战继续进行研究，以进一步完善5G 毫米波终端测试解决方案。

3.2 影响因素

为实现毫米波终端的OTA测试，需要考虑以下影响因素：

（1）目前3GPP 定义的5G FR2 的工作频率为24.25—52.5 GHz，并且已经定义了n257、n258、n260、n261 等4 个毫米波频段且均为TDD 的双工方式[11]。

（2）考虑到毫米波传输损耗大的特点，需要采用波束赋形以提高增益。毫米波终端更关注使用有源天线阵列基于波束赋形去改善覆盖的效果。

（3）毫米波终端天线布局的设计分为3 个Category，分别为Category1 单天线孔径，尺度为5 cm；Category2 多个不连续天线孔径，每个天线孔径在5 cm左右；Category3 大天线孔径，每个天线孔径在15 cm 左右。

3.3 测试方法

毫米波终端的测试可分为射频指标测试和性能测试。

（1）射频指标测试

射频指标测试反映了终端是否能够满足标准对终端发射机和接收机射频性能指标。3GPP 对毫米波终端发射机和接收机的射频指标测试进行了定义，其中发射机测试定义了直接远场法、简化直接远场法、间接远场法和近远场转换四种方法，并对发射机和接收机测试指标定义了TRP、EIRP、EIS CDF 等测试项。

相应的终端测试环境也分为远场、近场和紧缩场三种方案。

远场测试：终端的天线特性通常采用原厂测试，远场区域的最小长度R由R=2×D2/λ确定，其中D是天线尺寸，λ为测试波长。此种方案所使用的微波暗室尺寸巨大、成本非常高。

近场测试：采用近-远场数学变换的方法将进场测的数据转换到远场，对测试场地的需求将相应减少，但由于测试系统需要额外借助矢量网络分析仪且测试转换过程复杂，测试成本较高。

紧缩场：属于间接远场法的一种，利用反射面设备将球面波在近距离转换为平面波，近距离实现远场测试性能的方法。由于在建设成本和传输损耗方面的优势，目前行业基本认可将紧缩场作为5G 毫米波OTA 测试的主流方案。

（2）性能测试

性能测试反映了系统在不同信道环境下的性能表现，一般用误码率、吞吐量进行衡量。3GPP 38.901 定义了适用于5G 毫米波的信道模型，目前一般会采用混响室（RC,Reverberation Chamber）、多探头（MPAC,Muti-Probe Anechoic Chamber）和辐射两步法（RTS,Radiated Two Stage）三种方式对终端性能进行测试。

由于OTA 测试需要在微波暗室内测试整机在三维空间各个方向的辐射功率和接收灵敏度，对场地要求严格，测试费用高、测试周期长。同时，毫米波超大带宽所带来的相位噪声和失真升高、信噪比降低以及信号幅度平坦度和相位线性度的变化，给测试系统中的宽带信号源校正、测试仪表校准和系统级不确定度的确定提出了更高的要求。尽管OTA 测试方法和系统都经过了一定时期的发展，但目前无论是毫米波终端的射频指标测试还是性能测试，均存在测试系统价格昂贵、测似系统稳定性不足、测试总时长难以承受等问题。

4 结束语

5G 毫米波通过提供高容量、低时延的无线连接，为远程控制、工业机器人等工业4.0 应用提供了条件。3GPP 将在R17 引入低复杂度、高可靠的5G NR 产品，将毫米波扩展至新终端类型。同时，毫米波频谱将从52.6 GHz 拓展到71 GHz 频段以及免许可频段以支持更多样化的应用场景。标准还将针对中高速移动（如30 km/h）的场景引入新的波束机制以实现控制信道切换，能够更快速满足系统需求，实现更高通信速率。

在6G 研究过程中，毫米波将向卫星通信拓展，作为星间链路、用户链路和馈电链路的首选宽带技术[12]。毫米波应用将以智能化为核心，围绕泛在连接、深度学习和全息通信三个领域探索和发展，并将助力该技术带来巨大的社会经济效益，为中国提供推动经济增长的绝佳机会。