如何實現比4G快十倍？毫米波技術是5G的關鍵
雷鋒網(搜索“雷鋒網”公眾號關注)按：本文作者李一雷，UCLA博士生，高通（射頻組）實習工程師，矽説（微信號：silicon_talks）主筆。
第五代移動通信系統 （5th generation mobile networks，簡稱5G）離正式商用（2020年）越來越接近，這些日子華為、三星等各大廠商也紛紛發佈了自己的解決方案，可謂“八仙過海，各顯神通”。
5G的一個關鍵指標是傳輸速率：按照通信行業的預期，5G應當實現比4G快十倍以上的傳輸速率，即5G的傳輸速率可實現1Gb/s。這就意味着用5G傳輸一部1GB大小的高清電影僅僅需要10秒！另外如此高的傳輸速度也會帶來一些其他的應用，比如雲端遊戲（遊戲在雲端服務器執行，直把執行畫面傳回手機，這樣手機配置不高也能玩大型遊戲），虛擬現實（同理把運算放到雲端，手機端只負責輸出畫面）等等。
5G如何實現如此高的傳輸速率呢？
無線傳輸增加傳輸速率大體上有兩種方法，其一是增加頻譜利用率，其二是增加頻譜帶寬。在無線傳輸中，數據以碼元(symbol)的形式傳送。在碼元傳送速率（碼率）不變的情況下，信號佔用的無線帶寬不變，而每個碼元傳送的信息數據量是由調製方式決定的。
調製方式是指如何用信號傳遞信息。
然而，不能兩全其美的是，引入更多狀態的同時也會增加信息傳遞出錯的可能。如果天氣不好的時候可能會把中火看成小火，這樣信息的傳遞就出錯了。相對地，如果只有兩種狀態（熄滅和點燃），則出錯的機率比較小。
無線通訊中的調製也是這個道理，通過操縱無線電波的幅度和相位可以產生載波的不同狀態。當調製方式由簡單變到複雜時，載波狀態數量增加，一個碼元所代表的信息量（比特數）也增加。
但另一方面每個碼元狀態之間的間距也變小，因此容易受到噪聲干擾使得碼元偏離原本應該在的位置從而造成解碼出錯。所以複雜調製對信道的要求比較高，在信道噪聲很大的情況下使用複雜調製會導致數據傳輸誤碼率很高，而且解碼所需要的電路也會非常複雜，導致功耗很大。
由簡單（左）到複雜（右）調製的狀態圖
相對於提高頻譜利用率，增加頻譜帶寬的方法顯得更簡單直接。在頻譜利用率不變的情況下，可用帶寬翻倍則可以實現的數據傳輸速率也翻倍。但問題是，現在常用的5GHz以下的頻段已經非常擁擠，到哪裏去找新的頻譜資源呢？各大廠商不約而同想到的方法就是使用毫米波技術。
毫米波是什麼？毫米波的特點？
毫米波是指波長在毫米數量級的電磁波，其頻率大約在30GHz~300GHz之間。
根據通信原理，無線通信的最大信號帶寬大約是載波頻率的5%左右，因此載波頻率越高，可實現的信號帶寬也越大。在毫米波頻段中，28GHz頻段和60GHz頻段是最有希望使用在5G的兩個頻段。28GHz頻段的可用頻譜帶寬可達1GHz，而60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則到了2GHz（整個9GHz的可用頻譜分成了四個信道）。
相比而言，4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下，而可用頻譜帶寬只有100MHz。因此，如果使用毫米波頻段，頻譜帶寬輕輕鬆鬆就翻了10倍，傳輸速率也可得到巨大提升。5G時代，我們可以使用毫米波頻段輕輕鬆鬆用手機5G在線看藍光品質的電影，只要你不怕流量用完！
各個頻段可用頻譜帶寬比較
毫米波頻段的另一個特性是在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱。換句話説，用毫米波實現信號穿牆基本是不可能。但是，毫米波在空氣中傳輸衰減大也可以被我們所利用，所謂”It's not a bug，it's a feature！”：你手機使用的毫米波信號衰減確實比較大，但是同樣地其他終端發射出的毫米波信號（對你而言是干擾信號）的衰減也很大，所以毫米波系統在設計的時候不用特別考慮如何處理干擾信號，只要不同的終端之間不要靠得太近就可以。選擇60GHz更是把這一點利用到了極致，因為60GHz正好是氧氣的共振頻率，因此60GHz的電磁波信號在空氣中衰減非常快，從而可以完全避免不同終端之間的干擾。
當然，毫米波在空氣中衰減非常大這一特點也註定了毫米波技術不太適合使用在室外手機終端和基站距離很遠的場合。各大廠商對5G頻段使用的規劃是在户外開闊地帶使用較傳統的6GHz以下頻段以保證信號覆蓋率，而在室內則使用微型基站加上毫米波技術實現超高速數據傳輸。
毫米波必須配合微型基站（或接入點）使用
毫米波相比於傳統6GHz以下頻段還有一個特點就是天線的物理尺寸可以比較小。這是因為天線的物理尺寸正比于波段的波長，而毫米波波段的波長遠小於傳統6GHz以下頻段，相應的天線尺寸也比較小。因此我們可以方便地在移動設備上配備毫米波的天線陣列，從而實現各種MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量）技術，包括波束成型（有關波束成型，我們會在下一篇文章裏面詳細介紹）。
毫米波收發機芯片如何實現
NICT研發的毫米波收發機架構圖
商用的毫米波收發機芯片會使用CMOS（CMOS=complementary metal-oxide-semiconductor，指用半導體-氧化層-金屬堆疊形成半導體器件的工藝，是最常用的集成電路製造工藝）工藝，這一方面為了能夠和數字模塊集成，另一方面為了節省成本。
毫米波收發機芯片的結構和傳統頻段收發機很相似，但是毫米波收發機有着獨特的設計挑戰。
其一是如何控制功耗。毫米波收發機要求CMOS器件能工作在毫米波頻段，所以要求CMOS器件對信號的靈敏度很高。我們可以參照日常生活中的水龍頭來説明這個問題。
另一個毫米波芯片必須考慮的問題是傳輸線效應。
毫米波電路設計也會遇到類似的挑戰。我們可以把電路中的導線類比成繩子，而把電路中的信號源類比為對繩施力的人。當信號變化的頻率很慢的時候，就近似地等於靜力分析，此時導線上每一點的信號都近似地等於信號源的信號。當信號變化很快時，由於信號的波長接近或小於導線的長度，我們必須仔細考慮導線上每一點的情況，而且導線的性質（特徵阻抗）會極大地影響信號的傳播。
這種效應在電磁學中被稱為“傳輸線效應”，在設計毫米波芯片時必須仔細考慮傳輸線效應才能確保芯片正常工作。
不過，儘管設計充滿挑戰，毫米波芯片大規模商用化目前已現曙光。Broadcom已經推出了60GHz的收發機芯片（BCM20138），該產品主要針對60GHz頻段的WiFi標準(802.11.ad)，也可以看作是為5G毫米波芯片解決方案投石問路。Qualcomm也於兩年前不甘落後收購了專注於毫米波技術的Wilocity。同時，三星，華為海思等重量級選手也在加緊研發毫米波芯片。相信在近期我們就會看到毫米波射頻芯片市場變得熱鬧非凡。
Wilocity推出的60GHz芯片
結語
毫米波技術可以通過提升頻譜帶寬來實現超高速無線數據傳播，從而成為5G通訊技術中的關鍵之一。毫米波芯片設計必須克服功耗和電磁設計兩大難關，當這兩個問題解決後大規模商用只是時間問題。
資料來源：雷鋒網
作者/編輯：矽説
第五代移動通信系統 （5th generation mobile networks，簡稱5G）離正式商用（2020年）越來越接近，這些日子華為、三星等各大廠商也紛紛發佈了自己的解決方案，可謂“八仙過海，各顯神通”。
5G的一個關鍵指標是傳輸速率：按照通信行業的預期，5G應當實現比4G快十倍以上的傳輸速率，即5G的傳輸速率可實現1Gb/s。這就意味着用5G傳輸一部1GB大小的高清電影僅僅需要10秒！另外如此高的傳輸速度也會帶來一些其他的應用，比如雲端遊戲（遊戲在雲端服務器執行，直把執行畫面傳回手機，這樣手機配置不高也能玩大型遊戲），虛擬現實（同理把運算放到雲端，手機端只負責輸出畫面）等等。
5G如何實現如此高的傳輸速率呢？
無線傳輸增加傳輸速率大體上有兩種方法，其一是增加頻譜利用率，其二是增加頻譜帶寬。在無線傳輸中，數據以碼元(symbol)的形式傳送。在碼元傳送速率（碼率）不變的情況下，信號佔用的無線帶寬不變，而每個碼元傳送的信息數據量是由調製方式決定的。
調製方式是指如何用信號傳遞信息。
引用在古代，人們用烽火台傳遞信息，有情況的時候點燃烽火，每有情況的時候熄滅烽火。從現代通訊理論來説，就是我們調製了烽火。由於普通的烽火一共只有兩種狀態（點燃和熄滅），因此烽火台一次只能傳遞1比特的信息（0=熄滅=沒有敵人，1=點燃=有敵人）。烽火台能不能改善一下來一次傳遞更多信息呢？我們可以通過引入更多狀態來實現這一點。例如，改進的烽火台裏面我們可以控制烽火的火勢，將火勢分為熄滅、小火、中火和大火四種狀態，這樣我們就可以一次傳遞兩比特的信息（00=熄滅=沒有敵人，01=小火=有敵人且離我們很遠，10=中火=有敵人且離我們不遠，11=大火=有敵人且已經兵臨城下）。
然而，不能兩全其美的是，引入更多狀態的同時也會增加信息傳遞出錯的可能。如果天氣不好的時候可能會把中火看成小火，這樣信息的傳遞就出錯了。相對地，如果只有兩種狀態（熄滅和點燃），則出錯的機率比較小。
無線通訊中的調製也是這個道理，通過操縱無線電波的幅度和相位可以產生載波的不同狀態。當調製方式由簡單變到複雜時，載波狀態數量增加，一個碼元所代表的信息量（比特數）也增加。
但另一方面每個碼元狀態之間的間距也變小，因此容易受到噪聲干擾使得碼元偏離原本應該在的位置從而造成解碼出錯。所以複雜調製對信道的要求比較高，在信道噪聲很大的情況下使用複雜調製會導致數據傳輸誤碼率很高，而且解碼所需要的電路也會非常複雜，導致功耗很大。
由簡單（左）到複雜（右）調製的狀態圖
相對於提高頻譜利用率，增加頻譜帶寬的方法顯得更簡單直接。在頻譜利用率不變的情況下，可用帶寬翻倍則可以實現的數據傳輸速率也翻倍。但問題是，現在常用的5GHz以下的頻段已經非常擁擠，到哪裏去找新的頻譜資源呢？各大廠商不約而同想到的方法就是使用毫米波技術。
毫米波是什麼？毫米波的特點？
毫米波是指波長在毫米數量級的電磁波，其頻率大約在30GHz~300GHz之間。
根據通信原理，無線通信的最大信號帶寬大約是載波頻率的5%左右，因此載波頻率越高，可實現的信號帶寬也越大。在毫米波頻段中，28GHz頻段和60GHz頻段是最有希望使用在5G的兩個頻段。28GHz頻段的可用頻譜帶寬可達1GHz，而60GHz頻段每個信道的可用信號帶寬則到了2GHz（整個9GHz的可用頻譜分成了四個信道）。
相比而言，4G-LTE頻段最高頻率的載波在2GHz上下，而可用頻譜帶寬只有100MHz。因此，如果使用毫米波頻段，頻譜帶寬輕輕鬆鬆就翻了10倍，傳輸速率也可得到巨大提升。5G時代，我們可以使用毫米波頻段輕輕鬆鬆用手機5G在線看藍光品質的電影，只要你不怕流量用完！
各個頻段可用頻譜帶寬比較
毫米波頻段的另一個特性是在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱。換句話説，用毫米波實現信號穿牆基本是不可能。但是，毫米波在空氣中傳輸衰減大也可以被我們所利用，所謂”It's not a bug，it's a feature！”：你手機使用的毫米波信號衰減確實比較大，但是同樣地其他終端發射出的毫米波信號（對你而言是干擾信號）的衰減也很大，所以毫米波系統在設計的時候不用特別考慮如何處理干擾信號，只要不同的終端之間不要靠得太近就可以。選擇60GHz更是把這一點利用到了極致，因為60GHz正好是氧氣的共振頻率，因此60GHz的電磁波信號在空氣中衰減非常快，從而可以完全避免不同終端之間的干擾。
當然，毫米波在空氣中衰減非常大這一特點也註定了毫米波技術不太適合使用在室外手機終端和基站距離很遠的場合。各大廠商對5G頻段使用的規劃是在户外開闊地帶使用較傳統的6GHz以下頻段以保證信號覆蓋率，而在室內則使用微型基站加上毫米波技術實現超高速數據傳輸。
毫米波必須配合微型基站（或接入點）使用
毫米波相比於傳統6GHz以下頻段還有一個特點就是天線的物理尺寸可以比較小。這是因為天線的物理尺寸正比于波段的波長，而毫米波波段的波長遠小於傳統6GHz以下頻段，相應的天線尺寸也比較小。因此我們可以方便地在移動設備上配備毫米波的天線陣列，從而實現各種MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量）技術，包括波束成型（有關波束成型，我們會在下一篇文章裏面詳細介紹）。
毫米波收發機芯片如何實現
NICT研發的毫米波收發機架構圖
商用的毫米波收發機芯片會使用CMOS（CMOS=complementary metal-oxide-semiconductor，指用半導體-氧化層-金屬堆疊形成半導體器件的工藝，是最常用的集成電路製造工藝）工藝，這一方面為了能夠和數字模塊集成，另一方面為了節省成本。
毫米波收發機芯片的結構和傳統頻段收發機很相似，但是毫米波收發機有着獨特的設計挑戰。
其一是如何控制功耗。毫米波收發機要求CMOS器件能工作在毫米波頻段，所以要求CMOS器件對信號的靈敏度很高。我們可以參照日常生活中的水龍頭來説明這個問題。
引用大家一定都經常有開關水龍頭的經驗，很多水龍頭在關着時，需要擰很多下才會出來一點點水，然後隨着水流越來越大，只要多擰一點點水流就會變大很多。在這裏，手擰龍頭的動作就是激勵信號，而對應的水流變化就是輸出響應。CMOS器件本質上和水龍頭很像，都是通過控制端（即CMOS的柵極）調整輸出流量（對水龍頭是水流，對CMOS則是輸出電流）。
因此，如果需要CMOS器件對微弱的毫米波信號能快速響應，必須把它的直流電流調到很大（相當於把水龍頭設置在水流很大的狀態）。這樣一來，CMOS電路就需要很大的功耗才能處理毫米波信號。
另一個毫米波芯片必須考慮的問題是傳輸線效應。
引用相信大家還記得高中物理裏面的受力分析，（下圖左）分析一根靜止繩子的受力情況（靜力分析）是很簡單的，繩子的彈力即等於人對繩子的拉力，而且每一點都相同，這樣的問題在高中物理考試裏面屬於送分題。但如果不是靜止地拉繩子，而是用手揮動繩子呢（下圖右）?這時在繩子上產生了一列機械波，每一點的受力情況都不相同，而且受力的變化不僅取決於手揮動繩子手的施力還取決於繩子的材質（決定了波長）。這時候分析受力就比較困難，屬於高中物理競賽級別的題目。
毫米波電路設計也會遇到類似的挑戰。我們可以把電路中的導線類比成繩子，而把電路中的信號源類比為對繩施力的人。當信號變化的頻率很慢的時候，就近似地等於靜力分析，此時導線上每一點的信號都近似地等於信號源的信號。當信號變化很快時，由於信號的波長接近或小於導線的長度，我們必須仔細考慮導線上每一點的情況，而且導線的性質（特徵阻抗）會極大地影響信號的傳播。
這種效應在電磁學中被稱為“傳輸線效應”，在設計毫米波芯片時必須仔細考慮傳輸線效應才能確保芯片正常工作。
不過，儘管設計充滿挑戰，毫米波芯片大規模商用化目前已現曙光。Broadcom已經推出了60GHz的收發機芯片（BCM20138），該產品主要針對60GHz頻段的WiFi標準(802.11.ad)，也可以看作是為5G毫米波芯片解決方案投石問路。Qualcomm也於兩年前不甘落後收購了專注於毫米波技術的Wilocity。同時，三星，華為海思等重量級選手也在加緊研發毫米波芯片。相信在近期我們就會看到毫米波射頻芯片市場變得熱鬧非凡。
Wilocity推出的60GHz芯片
結語
毫米波技術可以通過提升頻譜帶寬來實現超高速無線數據傳播，從而成為5G通訊技術中的關鍵之一。毫米波芯片設計必須克服功耗和電磁設計兩大難關，當這兩個問題解決後大規模商用只是時間問題。
資料來源：雷鋒網
作者/編輯：矽説