5G毫米波频谱划分 毫米波终端技术测试方案分析

1、引言

随着移动通信的迅猛发展，低频段频谱资源的开发已经非常成熟，剩余的低频段频谱资源已经不能满足5G时代10Gbps的峰值速率需求，因此未来5G系统需要在毫米波频段上寻找可用的频谱资源。作为5G关键技术之一的毫米波技术已成为目前标准组织及产业链各方研究和讨论的重点，毫米波将会给未来5G终端的实现带来诸多的技术挑战，同时毫米波终端的测试方案也将不同于目前的终端。本文将对毫米波频谱划分近况，毫米波终端技术实现挑战及测试方案进行介绍及分析。

2、毫米波频谱划分

2015年，ITU-R WP5D发布了IMT.ABOVE 6GHz的研究报告，详细研究了不同频段无线电波的衰减特性。在同年的世界无线电通信大会（WRC-15）上提出了多个5G候选的毫米波频段，最终5G毫米波频谱的确定将在WRC-19上的完成。经过多年的研究和讨论，各国各地区对毫米波频谱资源的划分都有所进展，以下将着重介绍中国、美国及欧洲在毫米波频段划分上的近况。

中国：2017年6月，工信部面向社会广泛征集24.75-27.5 GHz、37-42.5 GHz或其他毫米波频段用于5G系统的意见，并将毫米波频段纳入5G试验的范围，意在推动5G毫米波的研究及毫米波产品的研发试验。

美国：早在2014年，FCC（美国联邦通讯委员会）就开启了5G毫米波频段的分配工作，2016年7月，确定将27.5-28.35 GHz、37-38.6 GHz、38.6-40 GHz作为授权频谱分配给5G，另外还为5G分配了64-71 GHz作为未授权频谱。

欧洲：2016年11月，RSPG（欧盟委员会无线频谱政策组）发布了欧盟5G频谱战略，确定将24.25-27.5 GHz作为欧洲5G 的先行频段，31.8-33.4 GHz 、40.5-43.5 GHz作为5G潜在频段。

3、毫米波终端技术实现

毫米波频段频率高、带宽大等特点将对未来5G终端的实现带来诸多挑战，毫米波对终端的影响主要在于天线及射频前端器件。

3.1 终端侧大规模天线阵列

由于天线尺寸的限制，在低频段大规模天线阵列只能在基站侧使用。但随着频率的上升，在毫米波段，单个天线的尺寸可缩短至毫米级别，在终端侧布置更多的天线成为可能。如下图1所示，目前大多数LTE终端只部署了两根天线，但未来5G毫米波终端的天线数可达到16根甚至更多，所有的天线将集成为一个毫米波天线模块。由于毫米波的自由空间路损更大，气衰、雨衰等特性都不如低频段，毫米波的覆盖将受到严重的影响。终端侧使用大规模天线阵列可获得更多的分集增益，提高毫米波终端的接收和发射性能，能够在一定程度弥补毫米波覆盖不足的缺点，终端侧大规模天线阵列将会是毫米波得以商用的关键因素之一。

图1：LTE终端与毫米波终端天线设想

终端部署更多的天线意味着终端设计难度的上升，与基站侧部署大规模天线阵列不同，终端侧的大规模天线阵列受终端尺寸、终端功耗的制约，其实现难度将大大增加，目前只能在固定终端上实现大规模天线阵列的布置。移动终端的大规模天线阵列设计面临诸多挑战，包括天线阵列校准，天线单元间的相互耦合以及功耗控制等。

3.2 毫米波射频前端器件

射频前端器件包括了功率放大器、开关、滤波器、双工器、低噪声放大器等，其中功率放大器是最为核心的器件，其性能直接决定了终端的通信距离、信号质量及待机时间。目前制造支持低频段的射频前端器件的材料多为砷化镓、CMOS和硅锗。但由于毫米波段与低频段差异较大，低频射频前端器件的制造材料在物理特性上将很难满足毫米波射频前端器件的要求。

以功率放大器为例，目前主流的功率放大器制造材料为砷化镓，但在毫米波频段，氮化镓及InP的制造工艺在性能指标上均要强于砷化镓。下表所示为从低频到毫米波段主要的射频前端器件制造工艺上的发展方向。

另外，毫米波频段大带宽的特点对射频前端器件的提出了更高的要求，未来毫米波终端的射频前端器件将可能需支持1GHz以上的连续带宽。

虽然氮化镓被认为是未来毫米波终端射频的主流制造工艺，但由于成本、产能等因素，基于氮化镓工艺的高性能射频前端器件多用于军工和基站等特殊场景。毫米波射频前端技术的发展将会成为毫米波终端实现的关键，预计到2020年之后，毫米波移动终端射频器件的技术和成本才可能达到大规模商用的要求。