在 5G 戰(zhàn)火紛飛之際,，無論是基礎運營商,、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)絡建設從無到有需要過長,，建得好不是 5G 的目的,，用的好才是 5G 真正的目的?！?/span>
此前,，我國提出的是 2017 年展開 5G 網(wǎng)絡第二階段測試，2018 年大規(guī)模試驗組網(wǎng),，并在此基礎上于 2019 年啟動 5G 網(wǎng)絡建設,，最快 2020 年正式推出商用服務。如今看來,，我國的各項建設均在有條不紊的進行中,。但在此建設過程中，我們也發(fā)現(xiàn),，相比 4G,，5G 所需建設的基站數(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，韓國將于今年內共建設 23 萬座 5G 基站,；德國計劃在 2021 年建設 40000 個 5G 基站,；橫縱對比，國內 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》一書中探尋到 5G 關鍵技術毫米波的相關奧秘,。
毫米波射頻技術
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換發(fā)起更高的挑戰(zhàn),。業(yè)內廣泛使用基于信號噪聲失真比（Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio,，SNDR）的Schreier品質因數(shù)（Schreier Figure-of-Merit，Schreier FoM）作為模數(shù)轉換器的度量,，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研究結果展示了大量商業(yè)ADC的Schreier品質因數(shù)和對應奈奎斯特抽樣頻率（對絕大多數(shù)ADC就是2倍的帶寬）的關系。圖中的虛線標明了FoM的包絡,，在100MHz的抽樣頻率以下基本上恒定在180dB,。對于恒定的品質因數(shù)，SNDR每增加3dB或者帶寬增加一倍,，都會導致功耗翻倍,。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品質因數(shù)
盡管隨著集成電路技術的持續(xù)發(fā)展,，未來的高頻ADC品質因數(shù)包絡會緩慢地推高。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在研究領域的關注度較低。盡管DAC結構和ADC有很大不同,，DAC也可以用品質因數(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制階數(shù),，如圖19-2所示,。換句話說，不同的調制階數(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因子，F(xiàn)是經(jīng)驗擬合參數(shù)（對應的物理意義是噪聲系數(shù)）,，而Δf1/f3有源設備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）,。
因此在設計VCO的時候，需要平衡幾個相關參數(shù),。為了比較不同半導體技術和電路拓撲下VCO的性能,，往往使用品質因數(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構包括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：
在環(huán)路濾波器帶寬之外的VCO相位噪聲部分,。
環(huán)路之內的參考振蕩器產生的相位噪聲,。
相位檢測器和分頻器的相位噪聲。
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果。該本振在低頻使用了鎖相環(huán)然后倍頻到28GHz,?？梢杂^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。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）變容二極管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體設備，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)技術非常相關，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（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設備。一些方案使用GaN FET結構,，盡管可以獲得很高的擊穿電壓,，但是1/f噪聲甚至會比GaAS FET器件設備還要高。圖19-5總結了不同的半導體技術,，在100kHz頻偏范圍內相位噪聲性能和振蕩器頻率的關系,。
圖19-5 不同的半導體技術下相位噪聲性能和振蕩器頻率的關系
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，平坦噪底開始對調制后的信號EVM產生影響,。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結果,。這類觀察意味著為寬帶通信進行毫米波本振系統(tǒng)設計的時候，需要額外關注技術的選擇,、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系
5G 在物聯(lián)網(wǎng)領域的技術應用實踐
以上僅為毫米波技術的部分，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用 5G 技術，CSDN 作為主辦方特別策劃以“5G 在物聯(lián)網(wǎng)領域的技術應用實踐”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,、北京郵電大學信息與通信工程學院多媒體技術教研中心主任/博士生導師孫松林,、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)內頂尖的領軍者,、資深的技術專家們共聚一堂，共同探討 5G 在物聯(lián)網(wǎng)中的巨大潛能,。
