在 5G 戰(zhàn)火紛飛之際，無論是基礎(chǔ)運營商、芯片商還是手機廠商，均以排兵布陣準備良久，只為等待“萬箭齊發(fā)”的最佳時機。且同時，為了加快商用的步伐，本月初，工業(yè)和信息化部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電頒發(fā)了 4 張 5G 商用牌照。
不過，5G 的發(fā)展并沒有想象中那么快，工信和信息化部信息通信發(fā)展司司長聞庫也曾表示，“5G 全面商用還需耐心等待。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)從無到有需要過長，建得好不是 5G 的目的，用的好才是 5G 真正的目的。”
此前，我國提出的是 2017 年展開 5G 網(wǎng)絡(luò)第二階段測試，2018 年大規(guī)模試驗組網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上于 2019 年啟動 5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，最快 2020 年正式推出商用服務(wù)。如今看來，我國的各項建設(shè)均在有條不紊的進行中。但在此建設(shè)過程中，我們也發(fā)現(xiàn)，相比 4G，5G 所需建設(shè)的基站數(shù)量遠超乎我們想象。在這一點上，據(jù)悉，作為世界上第一個開通 5G 商用的國家，韓國將于今年內(nèi)共建設(shè) 23 萬座 5G 基站；德國計劃在 2021 年建設(shè) 40000 個 5G 基站；橫縱對比，國內(nèi) 5G 基站的基本數(shù)量已到達 581.4 萬，遠超過 4G 基站數(shù)量。
對此，我們不禁發(fā)問，以大容量、低延時、高帶寬為特性的 5G，為何需要建立如此龐大數(shù)量的基站？這其中的緣由又是為何？接下來，我們將從愛立信5G 專家、3GPP 5G NR 標準推動及制定者精心撰寫的《5G NR標準：下一代無線通信技術(shù)》一書中探尋到 5G 關(guān)鍵技術(shù)毫米波的相關(guān)奧秘。
毫米波射頻技術(shù)
毫米波通信引入了更大的帶寬，而更大的帶寬就會對數(shù)字域和模擬域之間的轉(zhuǎn)換發(fā)起更高的挑戰(zhàn)。業(yè)內(nèi)廣泛使用基于信號噪聲失真比（Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio，SNDR）的Schreier品質(zhì)因數(shù)（Schreier Figure-of-Merit，Schreier FoM）作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的度量，參見：
這里， SNDR的單位是dB，功耗P的單位是W，以及奈奎斯特抽樣頻率fs的單位是Hz。圖19-1研究結(jié)果展示了大量商業(yè)ADC的Schreier品質(zhì)因數(shù)和對應(yīng)奈奎斯特抽樣頻率（對絕大多數(shù)ADC就是2倍的帶寬）的關(guān)系。圖中的虛線標明了FoM的包絡(luò)，在100MHz的抽樣頻率以下基本上恒定在180dB。對于恒定的品質(zhì)因數(shù)，SNDR每增加3dB或者帶寬增加一倍，都會導(dǎo)致功耗翻倍。對100MHz以上的抽樣頻率，會有一個額外的10dB/decade的損失，意味著帶寬增加一倍，功耗是原先的4倍。
圖19-1 ADC的Schreier品質(zhì)因數(shù)
盡管隨著集成電路技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，未來的高頻ADC品質(zhì)因數(shù)包絡(luò)會緩慢地推高。但是帶寬在GHz范圍的ADC依然無法避免功率效率低下的問題。NR毫米波引入的大帶寬以及天線陣列配置都會引入很大的ADC功耗。因此對基站和終端都需要考慮如何降低SNDR的要求。
在同樣的精度和速度要求下DAC相比ADC較為簡單。而且ADC一般會引入循環(huán)處理而DAC不會。因此DAC在研究領(lǐng)域的關(guān)注度較低。盡管DAC結(jié)構(gòu)和ADC有很大不同，DAC也可以用品質(zhì)因數(shù)來描述。類似于ADC的情況，大帶寬和對發(fā)射機的不必要的苛刻的SNDR要求，會導(dǎo)致更高的DAC功耗。
本振和相位噪聲
本振（Local Oscillator，LO）是現(xiàn)代通信系統(tǒng)一個必不可少的組成部分。一個描述本振性能的參數(shù)是相位噪聲。簡單地說，相位噪聲就是本振產(chǎn)生信號在頻域上的穩(wěn)定程度的衡量。相位噪聲的定義是在一個給定頻率偏移Δf處的dBc/Hz值，描述的是本振產(chǎn)生信號和期望頻率之間偏差Δf的可能性。
本振的相位噪聲會顯著影響系統(tǒng)性能。如圖19-2所示，以單載波為例，在加入了加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN）建模的熱噪聲之后，比較了有相位噪聲和沒有相位噪聲兩種情況下的16QAM星座圖。對一個給定的符號錯誤率門限，相位噪聲會限制最高的調(diào)制階數(shù)，如圖19-2所示。換句話說，不同的調(diào)制階數(shù)會對本振的相位噪聲提出不同的要求。
圖19-2 有相位噪聲（右）和無相位噪聲（左）的單載波16QAM信號
自由振蕩器和鎖相環(huán)的相位噪聲特性
生成頻率最常用的電路是壓控振蕩器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）。圖19-3通過一個模型來建模自由振蕩的VCO對不同頻率偏移的特性。
圖19-3 一個典型的自由振蕩VCO 相位噪聲特性[57]：相位噪聲dBc/Hz（Y 軸）和頻率偏移Hz（X 軸，對數(shù)）
這里f0是振蕩器頻率，Δf是頻率偏移，PS是信號強度，Q是諧振器的加載品質(zhì)因子，F(xiàn)是經(jīng)驗擬合參數(shù)（對應(yīng)的物理意義是噪聲系數(shù)），而Δf1/f3有源設(shè)備1/f噪聲的拐點頻率。
根據(jù)圖19-3所示公式，可以得出：
振蕩器頻率f0加倍，則相位噪聲增加6dB。
相位噪聲和信號強度Ps成反比。
相位噪聲和諧振器加載品質(zhì)因子Q的平方成反比。
1/f噪聲上變頻提升了臨近載波頻點位置的相位噪聲（即：小頻率偏移）。
因此在設(shè)計VCO的時候，需要平衡幾個相關(guān)參數(shù)。為了比較不同半導(dǎo)體技術(shù)和電路拓撲下VCO的性能，往往使用品質(zhì)因數(shù)（考慮了功耗的影響）來進行公平的比較：
其中是PNvco(f)VCO的相位噪聲，單位為dBc/Hz；是功耗，單位為W。這個公式值得注意的一點是相位噪聲和功耗（線性值）都與f20成正比。因此為了保持一定的相位噪聲，增加頻率N倍則意味著功耗需要增加N2倍（假定品質(zhì)因數(shù)一定）。
一個通常的抑制相位噪聲的做法是使用鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）?；窘Y(jié)構(gòu)包括VCO、分頻器（frequency divider）、相位檢測器（phase detector）、環(huán)路濾波器（loop filter）和一個高穩(wěn)定性低頻參考源（比如晶振）。鎖相環(huán)輸出的相位噪聲來源包括：
圖19-4 使用鎖相環(huán)的倍頻至28GHz的VCO的本振相位噪聲測量（Ericsson AB，經(jīng)許可使用）
圖19-4提供了一個典型的毫米波本振的特性，顯示了一個28GHz本振相位噪聲的測量結(jié)果。該本振在低頻使用了鎖相環(huán)然后倍頻到28GHz。可以觀察到有4個不同特點的區(qū)間：
f1小頻率偏移<10kHz。大致按照30dB/decade的速率下降，主要來自1/f噪聲上變頻。
f2頻率偏移在鎖相環(huán)帶寬之內(nèi)。相對平坦并包含多種噪聲來源。
f3頻率偏移大于鎖相環(huán)帶寬。大致按照20dB/decade的速率下降，主要來自VCO相位噪聲。
f4更大的頻率偏移>10MHz。平坦，主要來自底噪。
毫米波信號生成的挑戰(zhàn)
當振蕩器頻率從3GHz提升到30GHz，相位噪聲也會隨之提升。對特定頻率偏移，相位噪聲會惡化20dB數(shù)量級。這顯然會限制毫米波可用調(diào)制模式的最高階，最終限制毫米波的最高頻譜效率。
毫米波本振同樣受限于品質(zhì)因子Q和信號強度Ps。Lesson方程指出，為了獲得較低的相位噪聲，必須提高品質(zhì)因子Q和信號強度Ps，同時降低有源器件的噪聲系數(shù)。不幸的是，當本振頻率提高的時候，上述三個方面往往朝著不好的方向變化：
對單片壓控振蕩器（monolithic VCO），振蕩器的品質(zhì)因子Q會隨著頻率增加而快速降低。主要的原因是：（1）寄生損耗（parasitic loss）增加，諸如金屬損耗（metal loss）或襯底損耗（substrate loss）增加。（2）變?nèi)荻O管Q降低。
信號強度受限。這主要因為高頻操作需要更加先進的半導(dǎo)體設(shè)備，其擊穿電壓也會隨著尺寸的降低而降低。這些因素的影響在19.3節(jié)里介紹的功放部分也能觀察到，功放也會隨著頻率的增加而導(dǎo)致功放能力的下降（-20dB/decade）。
基于這些原因，在實現(xiàn)毫米波本振的時候，一般都是利用一個相對低頻的鎖相環(huán)然后倍頻到目標頻點上。
除了上述的挑戰(zhàn)，1/f噪聲上變頻也提升了臨近載波相位噪聲。當然1/f噪聲和實現(xiàn)技術(shù)非常相關(guān)，相比于垂直雙極器件（vertical bipolar device）如雙極和HBT，一些平面器件諸如CMOS和高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）會產(chǎn)生更高的1/f噪聲。
為了完全集成MMIC/RFIC VCO和鎖相環(huán)，可以采用各種技術(shù)（從CMOS和BiCMOS到III-V族材料）。但是因為較低的1/f噪聲和較高的擊穿電壓，一般InGaP HBT是最為常用的。盡管有較為嚴重的1/f噪聲，少數(shù)情況下也會采用pHEMT設(shè)備。一些方案使用GaN FET結(jié)構(gòu)，盡管可以獲得很高的擊穿電壓，但是1/f噪聲甚至?xí)菺aAS FET器件設(shè)備還要高。圖19-5總結(jié)了不同的半導(dǎo)體技術(shù)，在100kHz頻偏范圍內(nèi)相位噪聲性能和振蕩器頻率的關(guān)系。
圖19-5 不同的半導(dǎo)體技術(shù)下相位噪聲性能和振蕩器頻率的關(guān)系
最近的研究成果揭示了本振噪底對系統(tǒng)性能的影響。在符號速率比較低的情況下噪底對系統(tǒng)影響不大。但是當符號速率提高之后，比如5G NR，平坦噪底開始對調(diào)制后的信號EVM產(chǎn)生影響。如圖19-6所示為不同的符號速率和不同的噪底水平下測量發(fā)射信號的EVM結(jié)果。這類觀察意味著為寬帶通信進行毫米波本振系統(tǒng)設(shè)計的時候，需要額外關(guān)注技術(shù)的選擇、VCO拓撲和倍頻系數(shù)，以期得到合理的較低相位噪聲的噪底。
圖19-6 通過對7.5GHz上發(fā)射64QAM信號測量得到符號速率和本振噪底的關(guān)系
5G 在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用實踐
以上僅為毫米波技術(shù)的部分，而為了幫助通信從業(yè)者、物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者、嵌入式程序員們更好了解并應(yīng)用 5G 技術(shù)，CSDN 作為主辦方特別策劃以“5G 在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用實踐”為主題的沙龍活動，邀請到來自愛立信中國研發(fā)部多天線高級專家朱懷松、愛立信中國研發(fā)部主人系統(tǒng)工程師劉陽，基于全新的 5G 標準，分享其在實踐中幫助解決物聯(lián)網(wǎng)各式各樣需求的方案。
從而讓開發(fā)者們得以深入了解無線物聯(lián)網(wǎng)需求的多樣性，以及 5G 是如何通過一個統(tǒng)一的框架來滿足未來的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的需求的。此外，兩位專家還將探討相較幾乎滿足了人和互聯(lián)網(wǎng)連接需求的 4G，5G 在應(yīng)用過程中還能夠提供哪些特有的功能滿足物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。
【End】
CSDN 5G 免費沙龍來啦！
6 月 29 日，微軟中國 CTO 韋青、北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院多媒體技術(shù)教研中心主任/博士生導(dǎo)師孫松林、金山云 AIoT 事業(yè)部高級研發(fā)總監(jiān)肖江、愛立信中國研發(fā)部多天線高級專家朱懷松、愛立信中國研發(fā)部主任系統(tǒng)工程師劉陽等行業(yè)內(nèi)頂尖的領(lǐng)軍者、資深的技術(shù)專家們共聚一堂，共同探討 5G 在物聯(lián)網(wǎng)中的巨大潛能。
