5G通信的触角: 毫米波MIMO天线开关

[导读]5G通信正在紧锣密鼓地研发之中，而毫米波MIMO是其中关键技术之一。在目前大部分5G原型演示系统中，都采用了这种技术，而这种技术对于毫米波天线开关也有着极为严苛的高标准。MACOM最新推出SMT封装的MASW-011098毫米波天线开关利用该公司专利的砷化铝镓(AlGaAs)技术工艺，为5G演示系统实现更高的单元件功率比；同时提供灵活的偏置选项，以确保更大的整体使用方便性。MASW-011098内部的专利开关技术在先进的5G演示系统中支持数以万计的发送/接收通道，使客户能够利用具有差异化，成本效益的5G系统架构加快上市时间，从而在无线吞吐量方面取得突破性的进步和容量。

5G是什么，有多快，距离我们还有多远

如果你生活在2017的中国，那么你很有可能正在使用4G的移动网络。简单来讲，5G就是4G的下一代通信技术;复杂点现在不好讲，因为相比4G通信的标准使用Long-Term Evolution Advanced (LTE-A),5G的标准还未落定，此时此刻各大公司和科研机构正在为制定5G通信标准而日夜奋斗着。可以肯定的是，5G通信将大大提升通信速度和稳定性。类似于4G技术对于3G的提升一样，只是提升的幅度将更大。5G通信在人类生活中的重要性也将跨越式增长。

图、3GPP公布的5G Logo

那么5G到底有多快? 由于标准尚未制定所以无法解答。只能从目前公布的一些实验文件与采访大致估计。三星实验速率为7.5Gbps，诺基亚宣称10Gbps，华为公司公布的速率为3.6Gbps。相比目前4G的最高速率300Mbps，速率至少增长12倍。当然这个速率是实验室数据，真正用户体验速率还会受到各种局限：如基站分布、环境衰减、终端基带硬件软件处理性能等。作为参考，目前最新的基带Modem为高通骁龙X20，采用可支持1.2Gbps的LTE Category 18，大约每秒可下载150M Bytes的数据。除了速率的提升之外，5G还将在另外一个领域对用户体验进行改善——降低延迟。高速率与低延迟还会带来很多意想不到的好处，譬如无人驾驶、智能定位、语音识别、AR、VR和智能制造等应用也将得益于高速率低延迟的实现。工信部表示将在2020年启动5G商用，2017年至2018年5G将在国内开始测试，2019年进行预商用。ITU在2017年二月发布了一个文档，对5G系统做了13项具体规范,其中包括：

· 20Gbps峰值下载速率
· 10Gbps峰值上传速率
· 30bps/Hz峰值下行频谱利用率
· 15bps/Hz峰值上行频谱利用率
· 100Mbps用户体验到的下载速率
· 50Mbps用户体验到的上传速率

图、IMT-2020的目标与当前4G标准IMT-advanced对比

峰值速度看起来有点难度，但用户体验到的速率则完全是可以实现的。

技术角度看5G：网络, 频谱, 调制与天线

5G应用的带宽与延迟需求

直观来讲5G对于目前的通信技术主要在两个技术参数进行提升：

1. 速率(带宽)
2. 延迟

以下是GSMA关于各种应用的带宽与延迟需求图示：

图、各种应用的带宽与延迟需求

据上图可见，灰色部分的应用：如无线云办公、AR和无人驾驶这些应用只有采用5G通信才能实现大规模的普及。

频谱与提升覆盖率的技术

5G究竟将使用哪个波段的载波?学术界、各大科研机构和设备厂商正在在进行广泛的探索。从6GHz到300GHz的范围都有相关的研究实验正在进行。载波频率越高，带宽极限越大，同时覆盖的范围(受传输限制)越小。

图、当前研究较为热门的几个频段

在6GHz或更高的频段，波束形成技术(beam-forming)将被采用来解决覆盖方面的挑战。所谓波束技术，即是将无线信号定向指向终端。此技术也将导致5G的成本相对之前的技术而增高，每时每刻都需要数百个波束追踪单个移动终端使得基站的成本大幅提升。

图、波束形成技术示意

MIMO(多入多出)也是被广泛研究以提升带宽的一种天线技术，这种技术采用大规模的天线阵列来提升带宽，但这种技术目前仍有天线间互相产生射频干扰的难题没有完美解决。目前的研究焦点是将波束形成技术结合起来，使用软件控制灵活调整天线的方向来解决。

图、结合了波束形成技术的MIMO应用示意

采用更高频谱的出发点是更有效地利用频段从而在实现更高带宽与更低延迟的同时降低使用成本。但是正因为要使用更高频段，所以目前使用的硬件都需要更新换代，在初步实践上却是往增加成本方向发展。所以目前5G相关的研究中，尽快确定能够有效利用波束形成与MIMO两种技术的具体频段是亟待解决的问题。另外，新的频段万一覆盖不到的地方，也将使用低频段的覆盖进行补充。类似于目前偏远地区无法4G覆盖而使用3G/2G进行补充的做法。

图、5G覆盖不到使用低频段进行补充覆盖

小于1ms的网络延迟：如何实现与低延迟