借助适应性波束成形技术 5G系统克服微波传播挑战

作者: Thomas Cameron ADI半导体通讯事业群技术长

第五代行动通讯的频谱将可能于高频段运作,但讯号在高频段时,会受到大气衰减、阻隔和反射等影响,因此目前业界已积极研发波束成形技术、多重输入多重输出技术等,以及新的射频组件等,以减少高频讯号衰减的挑战。

随着5G的崛起,作为一名射频工程师,这真是一个令人感到兴奋的时刻。5G是下一代的无线通信系统,对工程界而言,当踏上这条通往5G的路时,也带来无数机会和挑战。5G同时代表着行动技术的演化和革命,它可达成由无线生态系统中各成员至今所刊出文件中所设定的各种高层次目标。

5G被广泛地视为是新一代的无线技术,可以将蜂巢式技术拓展到全新的使用情境、案例和垂直市场。虽然5G一般被视为是一种可提供包括高画质(HD)和超高画质(UltraHD)视频串流等超宽带服务的技术,但它也可将蜂巢式技术带进机器的世界。它可对自动驾驶车辆的发展贡献一已之力,且也可被用来连接到数以百万计的工业传感器和大量的穿戴式消费性设备等等。

朝5G进化的途径包括传统蜂巢频带中4G增强功能的增加,以及将频率向上延伸到3∼6GHz范围中的新兴频带。大规模多重输入多输出(Massive MIMO)技术拥有产业的动力,并将从最初基于长程演进计划(LTE)的系统为起点,逐步展开演化,以采用为改善传输量、延迟和电池效率而设计的新波形。

妥善控制频谱 为实现5G通讯系统关键
频谱被认为是手机产业的命脉,但在传统蜂巢频带(6GHz以下)中的频谱是无法支持未来几年呈指数般增长的需求。因此,6GHz以上的频带目前正在研究之中,要测试频率分配在6GHz以上进行无线存取部署的可行性。虽然6GHz以下的可用共同全球频谱是以数百MHz为其数量级,但在20GHz以上的潜在频谱数量则是数十个GHz。此一频谱的控制被视为是要实现这种真正互联世界5G愿景的关键。

因此,5G的一个区段可能会在很高的频率(如毫米波)上运作,且也可能会采用新的、且不会与LTE向后兼容的空中接口技术。在主要产业参与者之间所讨论的频带包括较高的频带,如10GHz、28GHz、32GHz、43GHz、46∼50GHz、56∼76GHz和81∼86GHz。

不过,这些频带目前仍处于建议阶段,而且在无线电系统定义和标准审议的工作之前,仍有许多关于通道建模的工作有待完成。国际电信联盟(ITU)最近发表一份5G标准化的计划,并设下将在2020年发布第一代IMT-2020年规格的目标。

有鉴于5G仍处于起步的阶段,在第一套商业系统部署之前,仍有许多关于通道建模、无线电架构定义和最后的芯片组发展等工作须完成。然而,虽然有些趋势和要求已取得一致意见,但也有待解决的问题,它们都将带领最终5G系统的发展。

适应性波束成形技术 克服5G传播挑战
以下将讨论在微波和毫米波频率上的5G存取系统。在微波频率实现无线电存取的主要障碍之一是要克服那些不利于传播(Propagation)的特性。在这些频率上的无线电传播将深受大气衰减、雨、阻隔(建筑、人、叶子)和反射等因素的影响。

微波的点对点连结已部署多年,但这些一般是视线系统(Line of Sight System)。由于它们是固定的,使得连结易于管理,而这样的系统已在近几年开始部署,以支持采用高阶调变方案的高传输量(Throughput)。此项技术将会持续发展下去,并将会利用微波链路技术,进入5G存取的领域。

在发展周期的早期,大家认为需要适应性波束成形技术(Adaptive Beamforming)来克服存取系统的传播挑战。不像点对点系统,波束成形须要适应使用者和环境,以便将负载传送给用户。业界普遍认为,混合式的多重输入多重输出系统会在微波和低毫米波频带使用,而在V频带和E频带(其中有充足的带宽),系统可能只会采用波束成形来达成所需的传输量目标。

图1是混合波束成形发射器的高阶方块图。相反方向的运作则可想为是接收器。

图1 混合波束成形发射器的高阶方块图

图1 混合波束成形发射器的高阶方块图

多重输入多重输出编码是在数字的部分执行,伴随着典型的数字无线电处理。可能会有许多的多重输入多重输出路径会在来自馈入天线系统的数字部分处理;而这些数据串流会馈入天线系统。对每一数据串流而言,数字模拟转换器(DAC)会在基频或中频频率将讯号转换成模拟讯号,视所选的架构而定。该讯号在被向上转换(Upconverted)后,会被分成组成射频路径(Constituent RF Path),以馈入个别的天线。在每一射频路径,该讯号会经过处理,以设置增益和相位来形成天线的引出射柱(Beam Out)。

虽然方块图是简单的,但系统的挑战和权衡取舍却十分复杂。在本文中只会讨论到几个问题,但请将注意力集中于架构和无线电方面的挑战。要从头将此一系统实现出来,十分重要的是,在整个系统的设计过程中,必须要多加思考电源、尺寸大小和成本等因素。

虽然这种无线电系统现在可用半导体厂商的分离式组件如砷化镓(GaAs)设计制造出来,以应用在原型的5G系统中,但须要带来同样等级的高整合性,以适应如在蜂巢式无线电所实现的微波空间。高整合度和高性能便是业界所要解决的棘手问题。

但单是整合并非业界目前所面临到问题的解决方案。它必须是有智慧的整合。想到整合,首先要考虑到架构和分区(Partition),以充分利用整合的效益。在此一情况下,还须考虑到机械和热设计,因为电路布局和基板(Substrate)是相互关联的。

首先,要先将有利于整合的架构界定清楚。以蜂巢式基地台中高度整合收发芯片为例子;如果考虑这个例子,许多系统会采用零中频(Zero IF, ZIF)架构,以便省掉讯号路径中的滤波组件,或将用量减到最少。特别是在微波频率下,工程师一定要尽量减少射频滤波器的损耗,因为要产生射频功率的费用是很昂贵的。虽然ZIF可减少滤波器的问题(当然交换条件是LO抑制),但便将问题从物理结构转移到讯号处理和算法。在这里,可以借用摩尔定律,但被动的微波结构并未遵循与摩尔定律相同的尺度动态(Scaling Dynamics)。为了要达成目标,充分利用同时优化模拟和数字的能力,是有必要的。市面上有很多应用在蜂巢式频率的算法和电路技术,这可能为微波空间带来一些效益。

提高讯号链整合度 硅锗制程功不可没
其次是,考虑半导体技术的要求。如上所述,先进的微波系统通常是以GaAs组件来实现。多年以来,GaAs一直是微波产业唯一的支柱,但在很多讯号路径的功能上,硅锗(SiGe)制程已克服许多砷化镓的高频运作障碍。高性能的微波硅锗双互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程实现这些包括很多讯号链以及辅助控制功能的波束成形系统所需的高整合度。

GaAs功率放大器(PA)也许是需要的,视每一天线所需的输出功率而定。然而,即使GaAs在微波频率时也是效率差的,因为在线性区时,它们一般都会被偏压(Biased)。前所未有地,在5G时代,对微波PA线性化探索的时机已经成熟。

CMOS怎么样?它也是竞争者吗?众所周知,CMOS适合大批量的缩放,而这也在60GHz的WiGig系统中获得证实。考虑到目前仍然处于发展的早期阶段及使用案例的不确定性,关于如果或何时CMOS将成为5G无线电的技术选择这一点,仍然很难说。在通道建模和使用方式方面,仍有很多工作须率先完成,才能决定无线电的规格,以及微波CMOS适合放在未来系统中的何处。

共同设计射频IC/机械结构 藉以避免损失
5G系统中的最后考虑是机械设计和射频集成电路(IC)分区之间的互依性(Interdependency)。鉴于尽量减少损失所面临的挑战,在IC设计时便须多加考虑天线与基底,以优化分区。低于50GHz时,天线将是基底的一部分,路由和一些被动结构预料将会嵌入在基底中。目前在基底整合波导(SIW)领域正有诸多研究正在进行,这让此整合式结构看起来很有前途。在此结构中,要将很多的射频电路黏着在多层层板(Laminate)的一侧,再路由到前正面的天线,这是可能的。射频IC将以裸晶的形式或表面黏着封装的形式黏着在该层板上。在记载针对其他应用所开发的这一类结构的业界文献中,可找到一些好例子。

50GHz以上,天线单元和间距变得够小,因此便有可能将天线结构整合在封装之中或之上。而且这也是正在如火如荼进行的研究领域,它将推动5G系统进一步发展。

在任一情况下,射频IC及机械结构必须共同设计,以确保路由时的对称性及尽量减少损失。此一工作没有强大的3D建模工具是不可能完成的,因为这些设计须广泛模拟。

虽然针对5G为微波产业所带来的挑战,这只是一简要的观点,但在未来几年,无限的商机将带来推陈出新的射频创新。如前文所述,借着在整条讯号链上都采用最佳的技术,严密的系统工程方法将可产生出最适宜的解决方案。从制程和材料发展到设计技术和建模,到高频率测试和制造,所有这些要如同一整个产业般来完成许多尚未完成的工作。在到达5G目标的路上,所有学科都有其要扮演的角色。

举例来说,亚德诺(ADI)以其位到微波之能力,为5G微波的发展工作带来贡献。该公司的技术组合和持续进展的射频技术,再结合在无线电系统工程领域的悠久历史,让该公司可为其客户探索在微波和毫米波频率领域的新解决方案,以应用在新兴的5G系统中。

如文章开始所述,作为一名无线产业中的射频工程师,这是一个令人感到兴奋的时刻。5G才刚起步,而为了要在2020年实现商用5G无线电网络的目标,前方仍有工作等待射频工程师去完成。

文章来源:新电子