東南大學洪偉教授：5G及其演進中的毫米波技術

眾所周知，第五代移動通信（5G）分低頻段（Sub-6GHz）和高頻段（毫米波）。我國低頻段5G在2019年已開始商用，毫米波5G的頻譜尚未正式發布，但已批準了24.75～27.5GHz和37～42.5GHz作為實驗頻段。基于大規模MIMO的5G毫米波技術趨于成熟，預計在2022年左右開始商用。

由于帶寬達400MHz甚至更寬，因而高采樣率ADC/DAC、海量數據的實時處理和大量射頻通道與天線的高密度集成，是基于大規模MIMO技術的5G毫米波的瓶頸。為此，目前商業化5G毫米波的有源天線單元（AAU）都采用了相控子陣的混合多波束方案。該方案大大減少了射頻收發信機數量，從而部分克服了上述瓶頸問題，但這是以犧牲陣列增益和通信容量為代價的。

理論上講，基于全數字多波束的大規模MIMO技術將是未來移動通信追求的目標，但上述瓶頸問題是目前很難逾越的障礙。為此，我們提出了非對稱毫米波大規模MIMO系統架構，以期在逼近系統最佳性能的同時，克服上述瓶頸問題。

本文將針對5G毫米波面臨的問題及向6G演進過程中可能的技術路線展開討論，以期對5G/6G毫米波技術的研究者有所啟發。

5G毫米波商用系統架構通常由核心網（CN）、基帶單元（BBU）和有源天線單元（AAU）組成，如圖1 所示。其基本架構是一個核心網支持多個基帶單元，每個基帶單元又將支持多個有源天線單元。具體來說，CN位于網絡數據交換的中央，主要負責提供數據傳輸、移動管理和會話管理等核心功能；BBU主要負責基帶數字信號處理，例如編碼、復用、調制等；AAU主要負責實現基帶數字信號和射頻信號之間的轉換，完成發射和接收過程。AAU主要包括AAU基帶部分（波束管理等）、上下變頻模塊，以及模擬波束成形器。AAU的基帶部分主要完成物理層的部分數字信號處理（如波束管理）、完成對不同波束覆蓋的控制，以及用數字模擬轉換器（DAC）和模擬數字轉換器（ADC）完成信號在模擬域和數字域的轉換。由于5G毫米波系統的大帶寬需求，這將對基帶信號處理，以及ADC/DAC的能力提出新的要求。上下變頻模塊負責實現基帶I/Q信號（或中頻信號）和毫米波射頻信號之間的轉換。上變頻模塊主要用于發射鏈路，包括上變頻器、濾波器、功率放大器等器件，負責將發射信號從基帶I/Q（或中頻）搬移到需要的毫米波發射頻率。同樣，下變頻模塊主要用于接收鏈路，包括低噪聲放大器、濾波器、混頻器等器件，將毫米波接收信號搬移到基帶I/Q（或中頻）。模擬波束形成網絡（相控子陣）主要負責將射頻信號能量合理地分配到天線陣列饋電端口，構成特定的幅度和相位分布，進而形成特定波束。主流的AAU一般支持4個或更多的數據流，每個子陣支持1個數據流，如圖1所示。每個子陣的波束成形電路由功率分配/合成模塊、多通道收發移相和幅度控制芯片、天線陣列等構成。以4路數據流發射鏈路為例，每個數據流信號通過上變頻模塊到達射頻頻率，通過功率分配網絡，例如，1分16路，將信號等幅分配到多通道芯片輸入口。以4通道芯片為例，每塊芯片的發射鏈路包含功率放大器、移相器、開關等，能夠完成1到4的信號轉換，并準確控制每路信號的幅度和相位，再將輸出信號饋進天線單元，從而實現預期波束。

圖1：商用化5G毫米波系統架構

5G毫米波商用的混合多波束架構的優點是以較低的復雜度和成本完成多波束覆蓋。如圖1所示，系統僅采用4個ADC/DAC通道和上下變頻通道，即可實現4個波束的獨立控制。然而，同樣由于通道數的不足，可支持的數據流有限，系統對于波束數量的擴展有著顯著的局限性，造成系統容量不足。同時，由于4個波束以子陣方式獨立控制，該架構沒有實現對天線全口徑的有效利用，因而會損失6dB（4子陣）甚至更多的陣列波束增益。另一種比較有效的混合多波束架構是同時利用基帶數字部分的波束形成和相控子陣的模擬波束形成，實現對天線陣列全口徑的利用，產生更高的陣列波束增益。然而，由于相控子陣的波束寬度受限，會存在多波束掃描范圍變窄的問題，覆蓋范圍有限。這種架構可通過波束切換，實現覆蓋范圍的擴大，但以犧牲時延和增加波束管理復雜度為代價，最終也會導致系統容量降低。

為了同時獲得系統容量和陣列增益，AAU的另外一種實現形式是全數字多波束陣列，如圖2所示。全數字多波束陣列架構將每個天線單元直接對應一個射頻收發通道，每個收發通道包括射頻收發前端（FEM）、上下變頻通道以及ADC/DAC等，波束形成全部在基帶數字域實現。全數字多波束陣列架構的優點是采用基帶數字電路能夠精確實現所需的幅度相位控制，并且波束數量容易擴展，進而增加通信容量。同時這種架構形成的每個波束都能夠獲得天線陣列的全口徑增益。然而，其缺點也較為顯著。由于每個天線單元都需要接一個射頻通道，大量射頻天線一體化的高密度集成大大增加了硬件設計的復雜度。同時，由于5G毫米波系統的大帶寬需求，對射頻通道的帶寬、ADC/DAC的采樣率以及基帶處理速率的要求都會增高，導致海量數據的實時數字信號處理問題，大幅增加運行成本和功耗。

圖2：基于全數字架構的AAU

綜上所述，毫米波多波束陣列架構性能比較如表1所示。毫米波全數字多波束陣列架構是最佳性能的代表，能夠得到最高的通信容量和波束增益，但其架構實現復雜度和成本較高，亟需開發新的技術。

毫米波技術除了在5G中得到充分利用外，其在第6代移動通信系統（6G）中也將發揮重要作用。盡管目前6G愿景還沒有完全明確，但其基本的目標可以看出端倪，如圖3所示。全球的無線通信網絡目前僅對地球表面的人類主要居住地進行了覆蓋，仍然有大面積的陸地，如沙漠、湖泊、山川、森林等，沒有得到有效的網絡接入。此外，由于人類探索的觸角不斷向海洋、天空、太空等區域延伸，這些區域將對接入無線通信網絡有強烈需求。因此，中低軌衛星網，即空聯網（IoS：Internet of Space），將會作為6G的重要組成部分，與地面B5G系統融合，實現空天地海一體化通信網絡的泛在鏈接。

圖3：6G空聯網示意圖

由于未來應用的多元化，連接的智能化，以及信息處理的深度化，6G系統將會產生海量數據，需要更高速率的傳輸支撐。有報道稱，6G有望能夠進入太比特（Tbps）時代，即達到1000x Gbps的傳輸速率。為實現這一宏偉目標，亟需尋找適合6G系統的頻譜資源。目前，低頻段（sub-6GHz以內）的頻率已被充分開發，同時很難獲得較大的頻譜帶寬，來支持Tbps傳輸速率，所以需要到更高的頻段尋求頻譜資源。眾所周知，頻率越高，波長越短，射頻器件的尺寸越小，但其性能通常越差，例如，功率放大器的輸出功率，低噪聲放大器的噪聲系數等。那到底哪個頻段更適合6G的需求呢？這里對6G可能采用的頻譜資源作簡單的探討。太赫茲頻段擁有豐富的未被開發的頻譜資源，能夠實現較小的器件尺寸，實現超大規模陣列，有很多相關研究。然而，目前階段主要受限于半導體工藝特性，太赫茲器件能力仍不足，例如輸出功率不足、噪聲系數指標差等。此外，由于其成本高、加工工藝復雜，這些因素都將制約太赫茲頻段在6G時代的進一步應用。相比太赫茲頻段，毫米波頻段經過了5G時代的充分發展，器件能力得到大幅提高，產業鏈完整且豐富，同時毫米波頻段的陣列尺寸也相對適中，能夠滿足6G系統大部分的應用需求，可以認為將是支撐6G的黃金頻段。

與5G系統不同，6G空聯網的一大主要特點是對運動物體的快速無線連接提出了更高的要求。空聯網中低軌衛星的運行速度較快、數量較多，造成波束掃描范圍大和波束連接數量多的挑戰，需要進行快速的動態多波束跟蹤，因此基于全數字多波束陣列架構的毫米波大規模MIMO 系統將會是其中一個重要發展方向。然而，由于目前毫米波陣列架構的高增益波束特性和太空的廣袤，對快速與指定衛星進行波束對準，建立無線通信鏈路提出了巨大的挑戰，亟需提出新的技術進行克服。

通過上文的分析，毫米波全數字大規模MIMO系統將是B5G乃至6G系統的最佳選擇，但其缺點，如復雜度高、成本高、功耗大等，將會制約其在未來系統中的應用。為有效降低毫米波全數字多波束陣列的復雜度、成本、功耗，并能支撐動態快速多波束跟蹤，我們提出了非對稱毫米波大規模MIMO系統的概念，以期在逼近系統最佳性能的同時，克服上述瓶頸問題。

（a）對稱毫米波大規模MIMO系統架構

非對稱毫米波大規模MIMO系統基本原理是將全數字多波束發射和接收陣列進行非對稱設計，即發射陣列和接收陣列規模不同，具體形式如圖4（b）所示。基站側采用較大規模的全數字多波束發射陣列和較小規模的全數字多波束接收陣列，進而產生較窄的發射多波束和較寬的接收多波束；終端側仍然可以保持傳統的對稱形式，也可采用非對稱形式。舉例來說，基站側由對稱的64發64收（64T64R）變成非對稱的64T16R，而終端側保持不變或由對稱的4T4R陣列變成非對稱的4T2R或4T1R陣列。與傳統64陣元4子陣（4×4子陣）4數據流混合多波束系統相比，64T16R全數字多波束非對稱陣由于全口徑工作發射波束增益高6dB，若終端側保持不變，則下行鏈路增益高6dB，若終端側接收陣單元數從4縮減到1，則下行鏈路增益不變。對于上行鏈路，若終端側保持不變，則上行鏈路增益也不變，但這時非對稱陣的接收陣元數和射頻通道數是16而非64。因此，非對稱毫米波全數字大規模MIMO陣列在幾乎保持了對稱全數字大規模MIMO陣列優點的同時，大幅度降低了系統的復雜度、成本和功耗。

通過以上分析，本文提出的非對稱系統和傳統對稱混合多波束系統在鏈路增益上是有優勢的，但非對稱系統具有以下特點:

• 發射和接收陣列波束不對稱。非對稱系統充分利用全口徑，實現發射陣列高增益窄波束，接收陣列低增益寬波束，保持鏈路增益一致或更高。

• 波束掃描范圍大。由于非對稱系統仍采用全數字多波束陣列架構，其波束掃描范圍與對稱全數字多波束系統一致，具有較大的波束掃描范圍。

• 波束對準和管理較為容易。由于非對稱系統接收陣列的規模降低，接收波束較寬，這將會大大降低DOA計算和波束對準難度以及波束管理的復雜度，尤其適合應用在6G空聯網的場景。

• 系統容量高。非對稱大規模MIMO陣列系統的波束數量遠多于目前商用混合多波束陣列的波束數量，因而可以支持更多的數據流，增加系統容量。

• 硬件設計復雜度降低。在基站側，接收通道規模大幅度降低，例如，通道數從64減少為16。這將大幅降低硬件成本，尤其是針對寬帶信號的高精度ADC芯片和射頻通道，同時，這會大幅降低基帶信號的處理量和處理算法的實現難度。

然而，毫米波非對稱大規模MIMO系統帶來優勢的同時，也將迎來相應關鍵技術的挑戰。例如，由于采用了非對稱的發射和接收陣列，導致上下行信道非互易，這就需要研究非互易信道特性和信道模型。

目前，關于非對稱毫米波大規模MIMO陣列的研究尚處在起步階段，但這是一個有益的嘗試和探索，期望對B5G和6G新型系統架構的確立起到推動作用。

本文對毫米波技術在5G及其演進中的作用進行了簡要概述。首先，分析了目前5G商用毫米波大規模MIMO系統的基本架構和主要問題，同時介紹了高性能的全數字多波束架構；其次，探討了毫米波技術在6G系統中的潛在應用；最后，介紹了我們提出的非對稱毫米波大規模MIMO系統的初步設想，并對其優缺點進行了簡要分析。總之，毫米波技術在未來移動通信系統中將會發揮越來越重要的作用，需持續推進毫米波技術研究，服務于未來社會。