2020_5G毫米波技术白皮书_125页_4mb

5G毫米波技术白皮书总结

核心内容概述

本白皮书由未来移动通信论坛发布，聚焦于5G毫米波技术，涵盖应用场景、频谱规划、专用芯片、天线设计、测试技术等五大方面，旨在为5G毫米波技术发展提供系统性指导。

主要观点与关键信息

1. 毫米波应用场景研究

• 优势：毫米波具备大带宽、高速率的优势，适用于高密度、高流量场景。
• 应用场景：
  • 室外覆盖：面临传播损耗、NLOS影响等挑战，主要应用于广场、体育馆等开阔区域，典型配置为低天线高度、较短站间距。
  • 室内覆盖：因通信距离短、环境简单，适合部署毫米波网络，满足高吞吐量、高密度连接需求，主要覆盖办公室、商场、火车站、机场、大型场馆等。
  • 固定无线宽带接入（FWA）：可解决光纤铺设困难或成本过高的问题，适合多层公寓、郊区独栋、商铺、小企业等场景。
  • 冬奥会应用：通过毫米波技术打造超大带宽无线场馆，支持全景VR、智能安防、媒体直播、AI视频监控等高带宽、低时延业务。

2. 毫米波频谱规划

• 国际进展：
  • 全球17个国家已有97家运营商获得毫米波牌照，22家已部署5G网络。
  • 24.25-27.5GHz、37-43.5GHz、66-71GHz被标识为5G频谱资源。
  • 美国、日本、韩国、加拿大、澳大利亚、巴西、新加坡、泰国、尼日利亚、阿联酋、意大利、挪威、比利时、墨西哥、印度等国均在推进毫米波频谱规划与部署。
• 国内现状：
  • 24.25-27.5GHz频段主要服务于ISS卫星间、EESS卫星地球探测、FSS卫星固定等业务。
  • 5G毫米波频段已开始技术试验与预商用部署，未来将推动频谱拍卖与标准化。

3. 5G毫米波专用芯片、器件与工艺

• 核心技术需求：
  • 硅基芯片：CMOS、SiGe、SOI等工艺支持高集成度、低成本、低功耗，是实现毫米波大规模阵列集成的基础。
  • 化合物芯片：GaAs、GaN、InP等材料适用于高频、高功率场景，尤其在功率放大器、低噪声放大器等前端器件中表现突出。
  • AiP与三维集成：为实现天线与芯片一体化封装，推动系统小型化与高性能，成为未来趋势。
• 技术现状：
  • 硅基：国际领先厂商如高通、华为海思等已推出毫米波芯片，国内技术逐步成熟。
  • 化合物：GaAs、GaN等材料在射频器件方面已实现量产，InP在高频领域具备潜力。
  • AiP技术：高通、华为等企业已开始研究，国内在该领域尚处于初步探索阶段。

4. 毫米波天线设计

• 手机天线：需采用**片上天线（AoC）**技术，以适应小型化、高频特性。
• 基站天线：
  • 波束赋形技术：用于提升信号覆盖与定向传输。
  • 多波束与相控阵天线：支持高密度、高速率场景，如大型场馆、智慧城市等。
• 挑战与对策：需解决天线小型化、集成度提升、信号干扰等问题，采用多波束、相控阵、AiP技术等方案。

5. 毫米波测试原理、方法与专用设备

• 测试挑战：毫米波测试复杂，需解决方向图校准、射频指标测试、系统性能评估等问题。
• 测试方法：
  • 远场/紧缩场/近场测试：用于方向图校准与测量。
  • 混响室法、辐射两步法、多探头法、端到端测试：用于系统性能评估。
• 测试标准：3GPP R16补充了毫米波测试方法与指标，但部分技术仍处于研究与讨论阶段，尚未形成最终规范。

关键建议与展望

频谱规划建议

• 频段方案：建议24.75-27.5GHz和40.5-43.5GHz频段采用TDD双工方式，用于5G系统。
• 共存法规：与WRC-19决议保持一致，避免对EESS等无源业务造成干扰，保障毫米波设备快速研发与商业化落地。

芯片与器件发展建议

• 硅基芯片：应加大Si-CMOS、SiGe-BiCMOS工艺研究，提升集成度与性能。
• 化合物芯片：应推动GaAs、GaN、InP等材料的成熟应用与量产，特别是在功率放大器、低噪声放大器等关键器件领域。
• AiP与三维集成：加快封装集成与异构集成技术研究，实现毫米波天线与芯片的一体化设计。

总结

5G毫米波技术作为未来通信发展的核心，具有大带宽、高速率、低时延等显著优势，但也面临传播损耗大、部署复杂等挑战。其应用涵盖室外、室内、固定无线宽带、大型赛事等场景，并受到国际频谱规划、技术标准、产业链成熟度等多方面影响。

• 国际进展：多国已明确毫米波频段规划，推动5G商用部署。
• 国内发展：毫米波频谱使用及技术试验已启动，产业链逐步成熟，但部分技术（如AiP）仍需进一步突破。
• 技术方向：硅基与化合物半导体芯片协同发展，推动高集成度、高功率、低成本的毫米波器件研发。
• 未来趋势：随着5G商用进程加快，毫米波技术将向太赫兹频段发展，并推动全球通信标准统一与产业生态构建。

参考文献

• 中国联通5G毫米波技术白皮书V2.0, 2020.10.
• 3GPP R16标准文档及技术报告.
• 各国通信管理局发布的毫米波频谱规划与拍卖信息.

缩略语

• AoC：Antenna-on-Chip（片上天线）
• AiP：Antenna-in-Package（封装集成天线）
• TDD：Time Division Duplex（时分双工）
• EESS：Earth Exploration Satellite Service（地球探测卫星服务）
• IMT：International Mobile Telecommunications（国际移动通信）
• NR：New Radio（新无线电）
• MIMO：Multiple Input Multiple Output（多输入多输出）

致谢

感谢中国移动通信研究院、中国联通、中国电信、电子科技大学、中国信科、清华大学、紫光展锐、高通、诺基亚、中兴、爱立信、北京交通大学、北京邮电大学、重庆邮电大学、中国电子科技集团公司第五十五研究所、三安集成、是德科技、罗德与施瓦茨等单位对本白皮书的贡献。