实现5G所需的技术

称为毫米波的无线电波

你们中的许多人可能在高塔、设施或船舶上见过旋转天线型雷达（无线电波探测器）。它是一种一边旋转天线一边发出无线电波来检测周围是否有物体的装置。如果有物体，无线电波就会反射回来，因此可以通过检测反射的无线电波来识别物体。

但是，如今，您再也看不到那些旋转天线了。当然，这并不意味着他们不能360度观察周围的环境。现在它有一个扁平天线，可以电子旋转来搜索 360 度环绕的物体。

此类雷达技术已开始用于配备自动驾驶和自动制动系统的汽车中的物体检测。这些车载雷达使用直接无线电波来检测前方远处的物体。视频识别摄像头在能见度因浓雾或暴风雪而模糊的情况下几乎没有用处，但通过反射无线电波来识别物体的雷达在这种情况下非常有效。

最近发布的新款日产Skyline还配备了雷达，可以识别人眼看不见、相机难以识别的物体，然后在显示屏上显示所识别物体的合成图像。雷达位于汽车的前部和四个角，但这样的设计很难看到它的实际位置（图1）。

【图1】日产新款“Skyline”
日产汽车于 2019 年 9 月 17 日上市的新款 Skyline 配备了五个用于物体检测的雷达，但由于汽车的设计，它们以隐藏的方式放置在视线之外。
来源：日产汽车

该雷达中使用的无线电波技术与未来 5G 通信中使用的毫米波相同。毫米波是波长为1～10毫米、频率为30～300GHz的无线电波（严格来说，30GHz～300GHz是10毫米～1毫米）。

顺便说一句，如果无线电中使用的称为中波的无线电波的频率为例如954kHz，则波长约为300m^*1然而，电视频率范围从VHF（100MHz和200MHz左右）到UHF（500MHz至700MHz左右），并且波长逐渐变短。 100MHz 时为 3m，500MHz 时为 60cm，而对于 900MHz 频段的手机则更短，为 33cm。卫星广播使用广播无线电波中最高频率的12GHz，其波长仅为25厘米。因此，抛物面天线用于收集和集中无线电波，以提高接收灵敏度。

无线电波的频率越高（波长越短），方向性（直线性）越高，所能到达的范围越短。另外，可承载的信息量也会增加，通信速度也会变得更快。

虽然毫米波基本上是指30GHz以上的频率，但最近24GHz和28GHz也常被称为毫米波。这是因为频段是由总务省和其他有权分配各国频率的政府机构确定的，因此波长为125毫米的24GHz被称为毫米波也就不足为奇了。

[图2]无线电波的类型和主要用途
来源：Tech Web IoT

难度随着频率的增加而增加

现在，频率越高，例如毫米波，数据速度就越快。这取决于通信方法，但粗略地说，所使用的无线电波的一小部分是该频率下的最高数据速率。例如，5GHz 上高达 1Gbps^*260GHz 时仅为 10Gbps 左右。

然而，频率越高，范围越短，方向性越强。之前 4G 中低于 1GHz^*3的频率使用时，无线电波以 360 度呈放射状飞行。另一方面，正如本系列第一部分介绍的那样，5G已经使用25GHz、35GHz、37GHz、45GHz、24GHz和28GHz频率，未来还将使用39GHz和60GHz等更高频率。当频率变得那么高时，无线电波会变得更强，并且只沿特定方向传播，这使得使用在技术上变得更加困难。

王牌是波束成形

长距离传输高频毫米波 5G 无线电波的关键是一种称为波束成形的技术。这就形成了许多天线，并且从每个天线发射的无线电波的相位^*4正在一点一点地移动。例如，如图3所示，当使用四个天线时（从左起为天线1、2、3、4），天线1发射的无线电波的相位设置为0，天线2的相位延迟10度^*5如果天线3再延迟10度，天线4再延迟10度，则无线电波在10度的对角方向上会变得更强，因此它们会斜向飞行。此外，四个天线发射的无线电波都可以向同一方向发送，从而增强了它们的强度。

【图3】波束成形技术
来源：东京工业大学冈田健一教授

这样，通过使用大量天线，您可以改变无线电波的发射方向并将其发送得更远。这就是波束成形。

波束成形使用阵列天线，其中许多天线元件（充当波导和反射器的金属片）排列在一个平面上^*6是必须的。线性或矩阵^*7虽然它们彼此重叠排列，但它们分别用于二维和三维地改变光束。

事实上，现代舰船和陆基雷达之所以能够在不旋转新月形天线的情况下进行 360 度飞行，是因为它们使用了这种阵列天线和波束成形。暴露在自然环境中的旋转天线通常会导致其生锈、机械变形和损坏。因此，旋转雷达已被使用波束成形的阵列雷达所取代，后者使用平面天线以电子方式改变天线位置。

这种波束成形技术对于 5G 至关重要，5G 使用具有高方向性和短距离的频率无线电波。阵列天线和波束成形还允许多个用户同时通信。假设有两个用户A和B，向A发送和接收无线电波后，无线电波立即定向到B，并在极短的时间内完成分时^*8与两个人一起发送和接收无线电波。

事实上，即使使用从 2G 到 4G 的传统数字电话，许多人也通过一条线路进行通信。由于通话是以分时的方式依次切换的，所以数据速度不可避免地比单独使用时要慢。比如10个人使用的话，理论上功率会下降到1/10。这一点与5G相同。因此，5G将通过提高整体数据速度来提高每人的数据速度。例如，如果 10 人使用数据速度为 200 Mbps 的线路，理论上数据速率将为每人 20 Mbps，但如果使用 5G 将数据速度提高 10 倍至 2000 Mbps（2 Gbps），则即使 10 人使用，数据速度也将保持在 200 Mbps。

通过移动通信，在火车和汽车上拨打电话和进行数据通信已变得司空见惯。因此，即使在移动时也必须使用波束成形技术。在4G之前，它覆盖了2公里的半径，所以用户即使移动一点也没有问题，但到了5G，方向性会更强，所以即使你移动一点，信号也不会到达你。因此，基站对用户进行跟踪。波束成形中使用的相移技术也可用于此目的。相位量可以根据移动的距离和速度而改变。光束跟踪技术^*9，NTT Docomo和其他公司正在对此进行试验，使移动时的通信成为可能（图4）。

[图4]光束跟踪技术图片
直到 4G，无线电波的范围很广，因此用户的移动不成问题（左）。为了向用户精确定位无线电波，5G 需要波束跟踪技术，该技术可以随着用户的移动而移动无线电波（右图）。
插图创作者：Kio Macabea

使用 MIMO 天线进行空间复用

毫米波还具有允许使用更小的天线的优点。因此，可以在几十厘米见方的面板上布置4×4或8×8的阵列天线。

因此，另一种称为大规模MIMO（多输入多输出）的技术将在5G中变得重要。 Massive MIMO是一种通过使用多个发射和接收天线来划分和发送数据并在接收侧将它们组合起来来提高数据速度的方法。例如，利用 2x2 MIMO，您可以通过从两个发射天线发送数据并从两个接收天线接收数据来使速度加倍。从某种意义上来说，空间是以复用的方式使用的，所以称为空间复用。^*10这也以阵列天线的形式布置（图5）。

[图5] 128根天线的MIMO天线
Softbank 于 2016 年秋季推出，用于高数据速率的 Giga 服务。这具有增加接收灵敏度的效果。
来源：软银

事实上，软银在 2016 年秋天就使用了这种 MIMO 技术，当时软银推出了一项服务，每月只需 6000 日元即可使用最多 20GB，可以说 LTE 抢占了 5G 所使用的技术。

在阵列天线中，无线电波在天线元件之间的距离处相互增强（放大），因此距离设置为波长的1/4。例如，VHF 电视天线长 1 至 2 米，但接收无线电波的部分位于 7 至 8 个天线元件的背面（图 6）。七到八个天线元件的间隔约为 75 厘米，因为电视无线电波的频率估计约为 100 MHz，即 30 厘米波长的 1/4。当其成为毫米波（30GHz以上）时，波长小于10mm，其中1/4为25mm。换句话说，天线整体变得非常小。

[图6]电视VHF天线
鱼骨形天线元件背面的椭圆形部分是接收无线电波的部分。
插图创作者：Kio Macabea

将天线元件之间的距离减小到1/4的原因是为了使无线电波的波长相互增强。它们之所以相互强化，是因为它们产生了共鸣，或者说产生了共鸣。波具有同相时相互增强，异相时相互减弱的性质（严格来说，用三角函数合成正弦波和余弦波就可以很容易地理解这一点，这里就省略了）。

一个更简单的例子是秋千。如果你自己划秋千（不施加外力），想象一下向哪里用力以获得动力，那就是上升的时机。当你在正下方时，无论你怎么划，你都上不来。如果你把它从底部移动一点，并在它上升一点点时同步行，它会上升得更多。换句话说，通过对齐（同步）波的相位，它们会产生共振或共振，从而使秋千显着向上提升。天线中的谐振与梯形天线的原理相同，通过在 1/2 或 1/4 波长处谐振来放大。

数字调制与 4G OFDM/QAM 相同

现在，在5G毫米波发射和接收系统中，发射和接收毫米波的射频部分^*11和数字调制/解调^*12基带部分^*13基带数字调制解调技术是OFDM（正交频分复用），在4G中引入。^*14由于似乎将使用新技术，因此与之前版本的区别将在于射频电路。 RF电路通常指从天线开始，通过LNA（低噪声放大器）和滤波器，到达中频的电路，其中信号与来自本地振荡器的信号在混频器电路中混合，频率被降低（图7）。

一般为无线电波（载波：载波^*15) 携带声音和图像并将其发送出去的技术早已在广播和电视中使用。即使在 5G 时代，基本原理也保持不变。数据（1或0信号）承载在载波上并被发送出去。在接收电路中，天线接收极弱的无线电波，将其谐振并放大，然后使用电子电路进一步放大它们，仅允许特定频率成分通过。然后，当称为本地振荡器的电路产生频率接近载波的无线电波并将其与载波混合时，较高频率之间会出现拍频，这表现为两个频率之间的差异^*16这会转换频率。

【图7】5G毫米波发射接收系统
射频电路接收毫米波图像，基带电路进行数字调制解调
插图创作者：Kio Macabea

反向传输时，执行上述接收电路的反向处理。换句话说，它对你想要发送的数据进行调制，以更高的频率混合，然后发送出去。在5G中，数字调制技术是4G的延伸，采用称为QAM的数字调制方法，将幅度和相位进行多值组合（图8），并使用OFDM发送出去（图9）。这里，使用称为 OFDM 的方法，通过 QAM 将要通信的数据复用到数字调制信号上，这种方法可以有效利用频率。

[图8] QAM
QAM 将数字数据映射到 I 幅度轴（水平）和 Q 正交幅度轴（垂直）上。图中显示的是16位，但4G计划分配64位，5G计划分配256位。除此之外，还提出了 1024 位的映射。
来源：MathWork 主页

[图9] OFDM
OFDM是一种允许部分频率复用且利用效率高的方法
来源：Orix Rentec 主页

如图 9 所示的 OFDM（正交频分复用）是一种允许调制信号波的相位与相邻频带正交的方法，从而即使相邻频带部分重叠也可以进行分离。由于相邻频率的子载波的强度为零，因此可以独立分离承载信号的子载波的峰值。

利用宏蜂窝和小蜂窝

瑞典爱立信、芬兰诺基亚等通信设备制造商专注于sub-6GHz等频率稍低的5G基站，并使用毫米波等更高频率的5G基站作为小基站^*17，我们正在考虑一种机制来覆盖基站内无线电波无法到达的区域（图10）。虽然您不能期望 6GHz 以下无线电波的数据速度非常快，但覆盖范围很广，因此宏蜂窝^*18另一方面，即使毫米波基站使用波束赋形，也很难像传统方法那样覆盖广泛的范围。因此，它被称为小型基站。

[图10]爱立信和诺基亚设想的基站图片
5G 区分宏蜂窝和小蜂窝的角色，并在任何地方实现高速数据速率。
来源：诺基亚

我还有一个两全其美的想法。这个想法是分离每个小区的角色并让它们执行协作操作，宏小区（sub-6GHz）负责控制信号，小小区（毫米波）负责数据信号。这使得控制信号能够广泛传播并保持数据信号的高速。

在第三部分中，我们将介绍针对毫米波操作的半导体芯片和用于大规模生产5G半导体的测试系统。

作家

津田健二（津田健二）

国际科技记者和技术分析师。

目前是英语和日语的自由科技记者。

利用他 30 年半导体行业报道经验，他通过博客 (newsandchipscom) 和分析文章为半导体行业提供各种建议。在担任 Semicon Portal (wwwsemiconportalcom) 主编的同时，他还担任 MyNavi 新闻系列“汽车电子”的专栏作家。

从事半导体器件的开发工作后，成为 Nikkei McGraw-Hill（现为 Nikkei BP）的 Nikkei Electronics 记者。此后，他陆续出版了《Nikkei Microdevices》、英文杂志《Nikkei Electronics Asia》、《Electronic Business Japan》、《Design News Japan》、《Semiconductor International Japan Edition》。 2007年6月成为独立国际科技记者。他的出版物包括《半导体大趋势2014-2025》（日经BP社出版）、《如果你不知道就危险了！》半导体，不要放弃这个不断发展的产业》、《欧洲无晶圆厂半导体产业的真相》（均由日刊工业新闻社出版）和《2011年绿色半导体技术和新业务的最新趋势》（由Impress出版）。

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