ADI：5G时代微波技术的展望

随着5G技术的出现，现在成为一名RF工程师是一件令人激动的事情。在我们通往5G——下一代无线通信系统——的道路上，工程设计社区有着数不清的挑战和机遇。5G代表着移动技术的演进和革命，已达到无线生态系统各个成员迄今发布的多项高级别目标。普遍认为5G是一代能让蜂窝网络扩展至全新使用案例和垂直市场的无线技术。虽然5G一般用来提供超宽带服务——包括高清和超高清视频流——5G技术将还可以让蜂窝网络进入机器世界。

它将造福于无人驾驶汽车，并用来连接数以百万计的工业传感器以及各种可穿戴消费电子设备——此处仅列举了其中的部分应用。

通往5G的革命性道路包括逐步增强传统蜂窝频段中的4G，并在频率上扩展到3 GHz至6 GHz范围的新兴频段。大规模MIMO具有迅猛的行业发展势头，并将从基于LTE的首款系统，演进至采用针对改善吞吐速率、延迟和蜂窝效率而设计的全新波形。蜂窝行业将频谱视为一切的根本，但传统蜂窝频段(sub-6 GHz)的频谱无法满足未来几年内指数级增长的需要。因此，目前正在研究超过6 GHz的频段，以便测试在6 GHz以上频率分配部署无线接入的可行性。全球6GHz以下的总频谱约为数百MHz，而20 GHz以上的潜在频谱则是数十GHz。掌握这种频谱对于实现真正互连的世界这一5G愿景来说至关重要。

因此，某个5G频段的工作频率也许要高很多(可能高达毫米波)，并有可能采用无法向后兼容LTE的最新空中接口技术。主要的行业参与者探讨的频段包含较高的段比如10 GHz、28 GHz、32 GHz、43 GHz、46 GHz至50 GHz、56 GHz至76 GHz以及81 GHz至86 GHz。然而，这些频段目前尚处于提议阶段，在进入无线系统定义和标准审议阶段之前，通道建模还有很多工作需要完成。ITU最近发布了5G标准化计划，目标定于2020年前后发布第一代IMT-2020规格。

考虑到5G尚处于起步阶段，在部署第一个商用系统之前还需完成通道建模、无线架构定义，以及最终的芯片组开发。但是，目前已经就某些趋势和要求达成了一致，待一些问题解决后终将催生出5G系统。让我们看一下微波和毫米波频段的5G接入系统。在微波频率下实施无线接入的最大障碍之一是克服不理想的传播特性。这些频段下的无线传播在很大程度上受到大气衰减、下雨、障碍物(建筑、人群、植物)以及反射的影响。微波点对点链路已部署多年，但这些链路基本上都是视距系统。这些链路的静态特性使其易于管理，且系统是最近几年才发展起来的，其利用高阶调制方案，支持极高的吞吐速率。该项技术正在不断演进中；我们将在5G接入中采用微波链路技术。

最初，人们认识到，若要克服接入系统的传播难题，就需要采用自适应波束成形。与点对点系统不同，波束成形需适应用户和环境，以便向用户提供有效负载。业界的普遍共识是：混合MIMO系统将用于微波和低毫米波频段，而在V频段和E频段中——带宽充足——系统可能仅采用波束成形来实现所需的吞吐速率目标。

图1显示了混合波束成形发射器的高级功能框图。该图反过来看便是接收器功能框图。MIMO编码在数字部分执行，此外还进行典型数字无线电处理。可能有多条各种数据流馈入天线系统的MIMO路径会在数字部分进行处理。针对每一个数据流，DAC都会在基带或中频(具体取决于所选架构)将数字信号转换为模拟信号。信号经过上变频和分路处理后，通过各自的RF通道馈入各个天线。在每条RF通道上，信号配置不同的增益和相位，形成波束并从天线发出。

虽然功能框图很简单，但系统挑战和权衡取舍却很复杂。在这篇篇幅较短的文章中，我们仅讨论了部分问题，主要关注架构和无线方面的挑战。从最开始，到最终实现系统，重要的是须时刻关注系统的功率、尺寸和成本。

虽然目前这类无线电可以、并且正在使用ADI及其同行公司的分立式(主要是GaAs)器件针对原型5G系统进行搭建，我们尚需像部署蜂窝无线电那样在微波领域实现同样的高集成度。高集成度和高性能是行业需要解决的难题。但仅靠集成度无法解决业界所面临的问题。我们需要智能集成。说到集成度，为了利用集成优势，我们需要首先考虑架构和分割。这种情况下，还需要考虑到机械和散热设计，因为电路布局和基板是息息相关的。

首先，需要定义有利于集成的架构。对于蜂窝基站的高度集成式收发器IC而言，很多人采用零中频(ZIF)架构以消除或最大程度减少信号路径上的滤波器。尤其在微波频率，必须最大程度减少RF滤波器损耗，因为产生RF功率的成本十分高昂。虽然ZIF会减少滤波器问题——当然是以降低LO抑制性