5G关键技术之毫米波

第五代移动通信系统 (5th generation mobile networks,简称5G)离正式商用(2020年)越来越接近,这些日子华为、三星等各大厂商也纷纷发布了自己的解决方案,可谓“八仙过海,各显神通”。说句实在话,无数RF工程师就指着5G这一波能一改当前射频业界的颓势了。我们在近几期的矽说会向大家介绍一些5G的基本知识以及和芯片设计关系比较大的技术。



5G的一个关键指标是传输速率:按照通信行业的预期,5G应当实现比4G快十倍以上的传输速率,即5G的传输速率可实现1Gb/s。这就意味着用5G传输一部1GB大小的高清电影仅仅需要10秒!从此以后手机不用连WiFi就能看在线高清视频了(当然前提是你有足够的流量)。另外如此高的传输速度也会带来一些其他的应用,比如云端游戏(游戏在云端服务器执行,直把执行画面传回手机,这样手机配置不高也能玩大型游戏),虚拟现实(同理把运算放到云端,手机端只负责输出画面)等等。


5G如何实现如此高的传输速率呢?


无线传输增加传输速率大体上有两种方法,其一是增加频谱利用率,其二是增加频谱带宽。在无线传输中,数据以码元(symbol)的形式传送。在码元传送速率(码率)不变的情况下,信号占用的无线带宽不变,而每个码元传送的信息数据量是由调制方式决定的。


调制方式是指如何用信号传递信息。在古代,人们用烽火台传递信息,有情况的时候点燃烽火,每有情况的时候熄灭烽火。从现代通讯理论来说,就是我们调制了烽火。由于普通的烽火一共只有两种状态(点燃和熄灭),因此烽火台一次只能传递1比特的信息(0=熄灭=没有敌人,1=点燃=有敌人)。烽火台能不能改善一下来一次传递更多信息呢?我们可以通过引入更多状态来实现这一点。例如,改进的烽火台里面我们可以控制烽火的火势,将火势分为熄灭、小火、中火和大火四种状态,这样我们就可以一次传递两比特的信息(00=熄灭=没有敌人,01=小火=有敌人且离我们很远,10=中火=有敌人且离我们不远,11=大火=有敌人且已经兵临城下)。然而,天下没有免费的午餐,引入更多状态的同时也会增加信息传递出错的可能。例如如果天气不好的时候可能会把中火看成小火,这样信息的传递就出错了。相对地,如果只有两种状态(熄灭和点燃),则出错的几率比较小。


无线通讯中的调制也是这个道理,通过操纵无线电波的幅度和相位可以产生载波的不同状态。当调制方式由简单变到复杂时,载波状态数量增加,一个码元所代表的信息量(比特数)也增加。在最简单的QPSK调制中,传送任何一个码元时载波的幅度不变,而相位可能是0,90,180或270度中的一个(所有码元相对应的载波幅度和相位画在直角坐标系里就是调制方式的星座图)。因此,根据信息论,一个QPSK调制的码元可以传送2bit的数据。当使用复杂的调制方式时,每个码元可能出现的位置变多,因此每个码元所携带的信息也增多。相对于最左边的基础QPSK调制,使用QAM16和QAM64调制每个码元所携带的信息分别是4 bit和6 bit,因此可以把频谱利用率分别提高2倍和3倍 (QAM256的图我就不放了,容易引发密集恐惧症)。但另一方面每个码元状态之间的间距也变小,因此容易受到噪声干扰使得码元偏离原本应该在的位置从而造成解码出错。所以复杂调制对信道的要求比较高,在信道噪声很大的情况下使用复杂调制会导致数据传输误码率很高,而且解码所需要的电路也会非常复杂,导致功耗很大。



由简单的QPSK(左)到复杂的QAM64(右)调制的状态图


相对于提高频谱利用率,增加频谱带宽的方法显得更简单直接。在频谱利用率不变的情况下,可用带宽翻倍则可以实现的数据传输速率也翻倍。但问题是,现在常用的5GHz以下的频段已经非常拥挤,到哪里去找新的频谱资源呢?各大厂商不约而同想到的方法就是使用毫米波技术。


毫米波是什么,毫米波的特点


毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波,其频率大约在30GHz~300GHz之间。根据通信原理,无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右,因此载波频率越高,可实现的信号带宽也越大。在毫米波频段中,28GHz频段和60GHz频段是最有希望使用在5G的两个频段。28GHz频段的可用频谱带宽可达1GHz,而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则到了2GHz(整个9GHz的可用频谱分成了四个信道)。相比而言,4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下,而可用频谱带宽只有100MHz。因此,如果使用毫米波频段,频谱带宽轻轻松松就翻了10倍,传输速率也可得到巨大提升。换句话说,使用毫米波频段我们可以轻轻松松用手机5G在线看蓝光品质的电影,只要你不怕流量用完!



各个频段可用频谱带宽比较


毫米波频段的另一个特性是在空气中衰减较大,且绕射能力较弱。换句话说,用毫米波实现信号穿墙基本是不可能。但是,毫米波在空气中传输衰减大也可以被我们所利用,所谓”It's not a bug,it's a feature!”:你手机使用的毫米波信号衰减确实比较大,但是同样地其他终端发射出的毫米波信号(对你而言是干扰信号)的衰减也很大,所以毫米波系统在设计的时候不用特别考虑如何处理干扰信号,只要不同的终端之间不要靠得太近就可以。选择60GHz更是把这一点利用到了极致,因为60GHz正好是氧气的共振频率,因此60GHz的电磁波信号在空气中衰减非常快,从而可以完全避免不同终端之间的干扰。


当然,毫米波在空气中衰减非常大这一特点也注定了毫米波技术不太适合使用在室外手机终端和基站距离很远的场合。各大厂商对5G频段使用的规划是在户外开阔地带使用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率,而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据传输。



毫米波必须配合微型基站(或接入点)使用


毫米波相比于传统6GHz以下频段还有一个特点就是天线的物理尺寸可以比较小。这是因为天线的物理尺寸正比于波段的波长,而毫米波波段的波长远小于传统6GHz以下频段,相应的天线尺寸也比较小。因此我们可以方便地在移动设备上配备毫米波的天线阵列,从而实现各种MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量)技术,包括波束成型(有关波束成型,我们会在下一篇文章里面详细介绍)。


毫米波收发机芯片如何实现



NICT研发的毫米波收发机架构图


商用的毫米波收发机芯片会使用CMOS工艺,这一方面为了能够和数字模块集成,另一方面为了节省成本。毫米波收发机芯片的结构和传统频段收发机很相似,但是毫米波收发机有着独特的设计挑战。


其一是如何控制功耗。毫米波收发机要求CMOS器件能工作在毫米波频段,所以要求CMOS器件对信号的灵敏度很高。


我们可以参照日常生活中的水龙头来说明这个问题。大家一定都经常有开关水龙头的经验,很多水龙头在关着时,需要拧很多下才会出来一点点水,然后随着水流越来越大,只要多拧一点点水流就会变大很多。在这里,手拧龙头的动作就是激励信号,而对应的水流变化就是输出响应。CMOS器件本质上和水龙头很像,都是通过控制端(即CMOS的栅极)调整输出流量(对水龙头是水流,对CMOS则是输出电流)。因此,如果需要CMOS器件对微弱的毫米波信号能快速响应,必须把它的直流电流调到很大(相当于把水龙头设置在水流很大的状态)。这样一来,CMOS电路就需要很大的功耗才能处理毫米波信号。说得专业一点,CMOS器件的工作原理是栅端电压控制源端到漏端的载流子,从而控制源漏端的电流。当加在栅端的信号发生变化的时候,源漏端的电流也会发生相应变化,因此就起到了信号放大的作用。然而,如果源端的载流子还来不及走到漏端时栅端的信号就发生了改变,那么栅端的信号就无法得到有效放大。通常把CMOS器件能工作的最高频率称为截止频率。那么如何提高截止频率呢?在器件工艺不变的前提下,改进截止频率的方法就是增加载流子速度,让它们能赶在栅端信号变化之前就到达漏端。这就意味着我们可以通过加强沟道电场,即提高栅-源电压来改善截止频率。然而,提高栅-漏电压也意味着CMOS器件的直流电流也变大。由于毫米波频段已经和CMOS器件的截止频率在同一个数量级上(~100 GHz),毫米波收发机芯片必须仔细设计才能把功耗控制在移动设备可以接受的范围内。请点击此处输入图片描述MOSFET和水龙头本质上都是控制端操纵流量大小


另一个毫米波芯片必须考虑的问题是传输线效应。


相信大家还记得高中物理里面的受力分析,(下图左)分析一根静止绳子的受力情况(静力分析)是很简单的,绳子的弹力即等于人对绳子的拉力,而且每一点都相同,这样的问题在高中物理考试里面属于送分题。但如果不是静止地拉绳子,而是用手挥动绳子呢(下图右)?这时在绳子上产生了一列机械波,每一点的受力情况都不相同,而且受力的变化不仅取决于手挥动绳子手的施力还取决于绳子的材质(决定了波长)。这时候分析受力就比较困难,属于高中物理竞赛级别的题目。请点击此处输入图片描述毫米波电路设计也会遇到类似的挑战。我们可以把电路中的导线类比成绳子,而把电路中的信号源类比为对绳施力的人。当信号变化的频率很慢的时候,就近似地等于静力分析,此时导线上每一点的信号都近似地等于信号源的信号。当信号变化很快时,由于信号的波长接近或小于导线的长度,我们必须仔细考虑导线上每一点的情况,而且导线的性质(特征阻抗)会极大地影响信号的传播。这种效应在电磁学中被称为“传输线效应”,在设计毫米波芯片时必须仔细考虑传输线效应才能确保芯片正常工作。传输线效应引入了许多传统电路设计中不用考虑的问题。例如,传输线有自己的特征阻抗,如果电路的输入阻抗和传输线的特征阻抗差别很大就会造成信号反射,使得信号无法有效地从一个模块传递到另一个模块。为了避免这种情况,必须在电路输入端做阻抗匹配来消除信号反射。另外,为了分析传输线效应,电路仿真时连线必须使用传输线模型。一方面,连线的传输线模型提取很费时间(一根简单的连线使用电磁仿真工具HFSS提取s-参数传输线模型往往需要一天以上的时间),另一方面传输线模型和晶体管电路联合仿真也很耗时而且需要有经验的人去调整仿真器参数才能保证结果正确。这就使得毫米波芯片的设计流程困难重重,需要大量的人力物力投入。


不过,尽管设计充满挑战,毫米波芯片大规模商用化目前已现曙光。Broadcom已经推出了60GHz的收发机芯片(BCM20138),该产品主要针对60GHz频段的WiFi标准(802.11.ad),也可以看作是为5G毫米波芯片解决方案投石问路。Qualcomm也于两年前不甘落后收购了专注于毫米波技术的Wilocity。同时,三星,华为海思等重量级选手也在加紧研发毫米波芯片。相信在近期我们就会看到毫米波射频芯片市场变得热闹非凡。



Wilocity推出的60GHz芯片


结语


毫米波技术可以通过提升频谱带宽来实现超高速无线数据传播,从而成为5G通讯技术中的关键之一。毫米波芯片设计必须克服功耗和电磁设计两大难关,当这两个问题解决后大规模商用只是时间问题。


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