作者：洪偉 余超等 第五代移動通信（5G）低頻段（Sub-6GHz）已開始商用，5G毫米波技術(shù)也逐漸成熟，預(yù)計將于2022年開始商用。第六代移動通信（6G）的研究也已啟動，而且關(guān)于6G的愿景以及核心技術(shù)的論文也開始增多。本文主要討論毫米波技術(shù)在5G及未來6G中的應(yīng)用及核心作用。 引言 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(fā)布，但已批準(zhǔn)了24.75～27.5GHz和37～42.5GHz作為實驗頻段?；诖笠?guī)模MIMO的5G毫米波技術(shù)趨于成熟，預(yù)計在2022年左右開始商用。 近幾年，國內(nèi)外關(guān)于6G愿景及核心技術(shù)的論文、報告及報道越來越多，眾說紛紜，但逐漸形成了一些共識。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，6G將是一個由大量中低軌衛(wèi)星與地面后5G（B5G）融合的網(wǎng)絡(luò)，從而使得人類第一次實現(xiàn)對整個地球表面及其近空間的全覆蓋。地球表面29%是陸地，71%是海洋，1G～5G移動通信網(wǎng)絡(luò)對29%的陸地還沒有實現(xiàn)全覆蓋。因此，6G將是人類移動通信歷史上的一次革命。在核心技術(shù)上，一些提法也逐漸獲得認(rèn)可，比如泛在、全息、人工智能等等。寬帶傳輸技術(shù)是支撐通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。對于6G，要實現(xiàn)空天地海的一體化高速通信網(wǎng)，寬帶傳輸技術(shù)將是核心。對于地面5G網(wǎng)絡(luò)，已開始利用毫米波頻段的頻譜資源實現(xiàn)寬帶高速傳輸。對于6G，毫米波頻段將是星間鏈路、衛(wèi)星向下覆蓋的用戶鏈路、衛(wèi)星到地面站的饋電鏈路的首選。例如，SpaceX的Starlink主要采用了Ka和Q波段，O3B中軌衛(wèi)星網(wǎng)采用Ku和Ka頻段?？梢钥隙ǎ撩撞夹g(shù)將是6G網(wǎng)絡(luò)最重要的支撐技術(shù)之一。有報道稱太赫茲將是6G的核心技術(shù)，這一觀點值得商榷。實際上，受限于半導(dǎo)體工藝特性，在太赫茲頻段（通常將300～10000GHz，也有將100～10000GHz頻段稱作太赫茲），發(fā)射功率、接收機噪聲系數(shù)、制造難度、成本等都是應(yīng)用太赫茲需要突破的瓶頸。 由于帶寬達400MHz甚至更寬，因而高采樣率ADC/DAC、海量數(shù)據(jù)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(guī)模MIMO技術(shù)的5G毫米波的瓶頸。為此，目前商業(yè)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(fā)信機數(shù)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(shù)字多波束的大規(guī)模MIMO技術(shù)將是未來移動通信追求的目標(biāo)，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(guī)模MIMO系統(tǒng)架構(gòu)，以期在逼近系統(tǒng)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(shù)路線展開討論，以期對5G/6G毫米波技術(shù)的研究者有所啟發(fā)。 5G毫米波 5G毫米波商用系統(tǒng)架構(gòu)通常由核心網(wǎng)（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(gòu)是一個核心網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的中央，主要負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)傳輸、移動管理和會話管理等核心功能；BBU主要負(fù)責(zé)基帶數(shù)字信號處理，例如編碼、復(fù)用、調(diào)制等；AAU主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)基帶數(shù)字信號和射頻信號之間的轉(zhuǎn)換，完成發(fā)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?jǐn)?shù)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(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）完成信號在模擬域和數(shù)字域的轉(zhuǎn)換。由于5G毫米波系統(tǒng)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(fù)責(zé)實現(xiàn)基帶I/Q信號（或中頻信號）和毫米波射頻信號之間的轉(zhuǎn)換。上變頻模塊主要用于發(fā)射鏈路，包括上變頻器、濾波器、功率放大器等器件，負(fù)責(zé)將發(fā)射信號從基帶I/Q（或中頻）搬移到需要的毫米波發(fā)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(wǎng)絡(luò)（相控子陣）主要負(fù)責(zé)將射頻信號能量合理地分配到天線陣列饋電端口，構(gòu)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(shù)據(jù)流，每個子陣支持1個數(shù)據(jù)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(fā)移相和幅度控制芯片、天線陣列等構(gòu)成。以4路數(shù)據(jù)流發(fā)射鏈路為例，每個數(shù)據(jù)流信號通過上變頻模塊到達射頻頻率，通過功率分配網(wǎng)絡(luò)，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(fā)射鏈路包含功率放大器、移相器、開關(guān)等，能夠完成1到4的信號轉(zhuǎn)換，并準(zhǔn)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(xiàn)預(yù)期波束。 圖1：商用化5G毫米波系統(tǒng)架構(gòu) 5G毫米波商用的混合多波束架構(gòu)的優(yōu)點是以較低的復(fù)雜度和成本完成多波束覆蓋。如圖1所示，系統(tǒng)僅采用4個ADC/DAC通道和上下變頻通道，即可實現(xiàn)4個波束的獨立控制。然而，同樣由于通道數(shù)的不足，可支持的數(shù)據(jù)流有限，系統(tǒng)對于波束數(shù)量的擴展有著顯著的局限性，造成系統(tǒng)容量不足。同時，由于4個波束以子陣方式獨立控制，該架構(gòu)沒有實現(xiàn)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(gòu)是同時利用基帶數(shù)字部分的波束形成和相控子陣的模擬波束形成，實現(xiàn)對天線陣列全口徑的利用，產(chǎn)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(gòu)可通過波束切換，實現(xiàn)覆蓋范圍的擴大，但以犧牲時延和增加波束管理復(fù)雜度為代價，最終也會導(dǎo)致系統(tǒng)容量降低。 為了同時獲得系統(tǒng)容量和陣列增益，AAU的另外一種實現(xiàn)形式是全數(shù)字多波束陣列，如圖2所示。全數(shù)字多波束陣列架構(gòu)將每個天線單元直接對應(yīng)一個射頻收發(fā)通道，每個收發(fā)通道包括射頻收發(fā)前端（FEM）、上下變頻通道以及ADC/DAC等，波束形成全部在基帶數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)。全數(shù)字多波束陣列架構(gòu)的優(yōu)點是采用基帶數(shù)字電路能夠精確實現(xiàn)所需的幅度相位控制，并且波束數(shù)量容易擴展，進而增加通信容量。同時這種架構(gòu)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(shè)計的復(fù)雜度。同時，由于5G毫米波系統(tǒng)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(dǎo)致海量數(shù)據(jù)的實時數(shù)字信號處理問題，大幅增加運行成本和功耗。 圖2：基于全數(shù)字架構(gòu)的AAU 綜上所述，毫米波多波束陣列架構(gòu)性能比較如表1所示。毫米波全數(shù)字多波束陣列架構(gòu)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(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜度和成本較高，亟需開發(fā)新的技術(shù)。 表1：毫米波多波束陣列技術(shù)比較 6G中的毫米波技術(shù) 毫米波技術(shù)除了在5G中得到充分利用外，其在第6代移動通信系統(tǒng)（6G）中也將發(fā)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(biāo)可以看出端倪，如圖3所示。全球的無線通信網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)接入。此外，由于人類探索的觸角不斷向海洋、天空、太空等區(qū)域延伸，這些區(qū)域?qū)尤霟o線通信網(wǎng)絡(luò)有強烈需求。因此，中低軌衛(wèi)星網(wǎng)，即空聯(lián)網(wǎng)（IoS：Internet of Space），將會作為6G的重要組成部分，與地面B5G系統(tǒng)融合，實現(xiàn)空天地海一體化通信網(wǎng)絡(luò)的泛在鏈接。 ???3：6G空聯(lián)網(wǎng)示意圖 由于未來應(yīng)用的多元化，連接的智能化，以及信息處理的深度化，6G系統(tǒng)將會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，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(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，亟需尋找適合6G系統(tǒng)的頻譜資源。目前，低頻段（sub-6GHz以內(nèi)）的頻率已被充分開發(fā)，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(shù)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???簡單的探討。太赫茲頻段擁有豐富的未被開發(fā)的頻譜資源，能夠?qū)崿F(xiàn)較小的器件尺寸，實現(xiàn)超大規(guī)模陣列，有很多相關(guān)研究。然而，目前階段主要受限于半導(dǎo)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(shù)指標(biāo)差等。此外，由于其成本高、加工工藝復(fù)雜，這些因素都將制約太赫茲頻段在6G時代的進一步應(yīng)用。相比太赫茲頻段，毫米波頻段經(jīng)過了5G時代的充分發(fā)展，器件能力得到大幅提高，產(chǎn)業(yè)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(tǒng)大部分的應(yīng)用需求，可以認(rèn)為將是支撐6G的黃金頻段。 與5G系統(tǒng)不同，6G空聯(lián)網(wǎng)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?？章?lián)網(wǎng)中低軌衛(wèi)星的運行速度較快、數(shù)量較多，造成波束掃描范圍大和波束連接數(shù)量多的挑戰(zhàn)，需要進行快速的動態(tài)多波束跟蹤，因此基于全數(shù)字多波束陣列架構(gòu)的毫米波大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)將會是其中一個重要發(fā)展方向。然而，由于目前毫米波陣列架構(gòu)的高增益波束特性和太空的廣袤，對快速與指定衛(wèi)星進行波束對準(zhǔn)，建立無線通信鏈路提出了巨大的挑戰(zhàn)，亟需提出新的技術(shù)進行克服。 非對稱毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng) 通過上文的分析，毫米波全數(shù)字大規(guī)模MIMO系統(tǒng)將是B5G乃至6G系統(tǒng)的最佳選擇，但其缺點，如復(fù)雜度高、成本高、功耗大等，將會制約其在未來系統(tǒng)中的應(yīng)用。為有效降低毫米波全數(shù)字多波束陣列的復(fù)雜度、成本、功耗，并能支撐動態(tài)快速多波束跟蹤，我們提出了非對稱毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的概念，以期在逼近系統(tǒng)最佳性能的同時，克服上述瓶頸問題。 目前采用的毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)混合多波束陣列或全數(shù)字多波束陣列是將多波束發(fā)射和接收陣列進行對稱設(shè)計，即，發(fā)射通道和接收通道數(shù)量相同，如圖4（a）所示?；緜?cè)采用基于對稱設(shè)計的毫米波混合/全數(shù)字多波束接收和發(fā)射架構(gòu)，產(chǎn)生增益相同的發(fā)射和接收多波束。同樣，終端側(cè)設(shè)計與基站側(cè)較為類似，區(qū)別是陣列規(guī)模較小。舉例來說，基站側(cè)和終端側(cè)分別是對稱的64發(fā)64收和4發(fā)4收的全數(shù)字多波束陣列。 （a）對稱毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)架構(gòu) （b）非對稱毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)架構(gòu)圖4：對稱和非對稱毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)架構(gòu) 非對稱毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)基本原理是將全數(shù)字多波束發(fā)射和接收陣列進行非對稱設(shè)計，即發(fā)射陣列和接收陣列規(guī)模不同，具體形式如圖4（b）所示?；緜?cè)采用較大規(guī)模的全數(shù)字多波束發(fā)射陣列和較小規(guī)模的全數(shù)字多波束接收陣列，進而產(chǎn)生較窄的發(fā)射多波束和較寬的接收多波束；終端側(cè)仍然可以保持傳統(tǒng)的對稱形式，也可采用非對稱形式。舉例來說，基站側(cè)由對稱的64發(fā)64收（64T64R）變成非對稱的64T16R，而終端側(cè)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(tǒng)64陣元4子陣（4×4子陣）4數(shù)據(jù)流混合多波束系統(tǒng)相比，64T16R全數(shù)字多波束非對稱陣由于全口徑工作發(fā)射波束增益高6dB，若終端側(cè)保持不變，則下行鏈路增益高6dB，若終端側(cè)接收陣單元數(shù)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(cè)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(shù)和射頻通道數(shù)是16而非64。因此，非對稱毫米波全數(shù)字大規(guī)模MIMO陣列在幾乎保持了對稱全數(shù)字大規(guī)模MIMO陣列優(yōu)點的同時，大幅度降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度、成本和功耗。 通過以上分析，本文提出的非對稱系統(tǒng)和傳統(tǒng)對稱混合多波束系統(tǒng)在鏈路增益上是有優(yōu)勢的，但非對稱系統(tǒng)具有以下特點: 發(fā)射和接收陣列波束不對稱。非對稱系統(tǒng)充分利用全口徑，實現(xiàn)發(fā)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(tǒng)仍采用全數(shù)字多波束陣列架構(gòu)，其波束掃描范圍與對稱全數(shù)字多波束系統(tǒng)一致，具有較大的波束掃描范圍。 波束對準(zhǔn)和管理較為容易。由于非對稱系統(tǒng)接收陣列的規(guī)模降低，接收波束較寬，這將會大大降低DOA計算和波束對準(zhǔn)難度以及波束管理的復(fù)雜度，尤其適合應(yīng)用在6G空聯(lián)網(wǎng)的場景。 系統(tǒng)容量高。非對稱大規(guī)模MIMO陣列系統(tǒng)的波束數(shù)量遠多于目前商用混合多波束陣列的波束數(shù)量，因而可以支持更多的數(shù)據(jù)流，增加系統(tǒng)容量。 硬件設(shè)計復(fù)雜度降低。在基站側(cè)，接收通道規(guī)模大幅度降低，例如，通道數(shù)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(xiàn)難度。 然而，毫米波非對稱大規(guī)模MIMO系統(tǒng)帶來優(yōu)勢的同時，也將迎來相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)。例如，由于采用了非對稱的發(fā)射和接收陣列，導(dǎo)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(guān)于非對稱毫米波大規(guī)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(tǒng)架構(gòu)的確立起到推動作用。 總結(jié)