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5G毫米波技术WHITE PAPER V7.0 L2020.11

5G 微波毫米波特别工作组白皮书 2 0 2 0 - 1 1 FuTURE 论坛 2020 5G 毫米波技术白皮书

目录引言 .............................................................. 3 第一部分：毫米波应用场景报告 ...................................... 5 1 室外覆盖 ........................................................ 5 2 室内覆盖 ........................................................ 8 3 固定无线宽带接入 ............................................... 11 4 冬奥会中 5G 毫米波的应用 ........................................ 12 参考文献 ......................................................... 12 第二部分：毫米波频谱规划 ......................................... 13 1 国际毫米波频率进展 ............................................. 13 2 国内毫米波频率使用概况和发展 ................................... 18 3 毫米波频段产业发展概况 ......................................... 19 4 毫米波频段规划建议 ............................................. 20 第三部分：5G 毫米波专用芯片、器件与工艺 ........................... 22 1 5G 毫米波专用芯片、器件与工艺需求分析 ........................... 23 1.1 5G 毫米波通信应用背景及关键技术 ........................... 23 1.2 5G 毫米波专用芯片、器件与工艺需求 ......................... 23 2 5G 毫米波专用芯片、器件与工艺技术现状 ........................... 25 2.1 硅基 5G 毫米波芯片、器件与工艺技术现状 ..................... 25 2.2 化合物 5G 毫米波芯片、器件与工艺技术现状 ................... 28 2.3 5G 毫米波 AiP 技术与三维集成技术状况 ....................... 34 3 5G 毫米波专用芯片、器件与工艺方案分析 ........................... 35 3.1 5G 毫米波芯片、器件与工艺解决方案分析 ..................... 35 3.2 总结 ...................................................... 40 4 5G 毫米波专用芯片、器件与工艺发展建议 ........................... 41 参考文献 ......................................................... 42 第四部分：5G 毫米波天线设计 ....................................... 43 1 5G 手机毫米波天线设计 .......................................... 43 1.1 需求与现况 ................................................ 43 1.2 挑战与限制 ................................................ 47 1.3 对策与方案 ................................................ 52 1.4 演进与总结 ................................................ 56 2 5G 基站毫米波天线设计 .......................................... 59 1

2.1 需求与背景 ................................................ 59 2.2 毫米波基站天线的波束赋形技术 .............................. 59 2.3 毫米波多波束天线 .......................................... 61 2.4 毫米波相控阵天线 .......................................... 63 参考文献 ......................................................... 68 第五部分：5G 毫米波测试原理、方法与专用设备 ....................... 71 1 背景 ........................................................... 72 1.1 5G 毫米波测试问题与挑战 ................................... 72 1.2 5G 毫米波测试现状与标准进展 ............................... 73 2 5G 毫米波测试系统 .............................................. 75 2.1 微波毫米波暗室测试环境 .................................... 76 2.2 5G 毫米波测试仪器 ......................................... 80 3 5G 毫米波设备的特点 ............................................ 82 3.1 毫米波基站设备的特点 ...................................... 82 3.2 毫米波终端设备的特点 ...................................... 84 4 毫米波设备方向图校准与测量 ..................................... 85 4.1 基于远场的方向图校准与测量 ................................ 86 4.2 基于紧缩场的方向图校准与测量 .............................. 89 4.3 基于近场的方向图校准与测量 ................................ 90 4.4 其它方向图校准与测量方法 .................................. 92 5 5G 毫米波设备射频指标测试与评估 ................................. 94 5.1 毫米波终端射频指标测试 .................................... 94 5.2 毫米波基站射频指标测试 ................................... 101 6 5G 毫米波系统性能测试 ......................................... 111 6.1 混响室法 ................................................. 111 6.2 辐射两步法 ............................................... 112 6.3 多探头法 ................................................. 113 6.4 端到端测试 ............................................... 115 7 毫米波卫星通信测试简述 ........................................ 116 7.1 卫星通信 ................................................. 116 7.2 卫星通信系统测试 ......................................... 117 8 总结 .......................................................... 119 参考文献 ........................................................ 120 缩略语 .......................................................... 121 致谢 ............................................................ 123 2

引言 2020 年是颇具挑战的一年，一场突如其来的疫情延缓了世界经济发展的脚步，却也催生出新的经济发展、行业转型模式。同时，大家都深刻地意识到，以 5G 为代表的无线技术在我们的社会生活、全球经济发展中变得越来越重要。 5G 网络需要支持各种各样的 5G 联网设备和应用，这其中充满了复杂的应用场景，也需要在各种各样的频谱频段上进行不同类型的部署，包括毫米波高频段和 6GHz 以下的中频段。本白皮书的重点在于研究毫米波技术，全书包括五部分：毫米波的应用场景；毫米波的频谱规划；5G 毫米波专用芯片、器件与工艺；5G 毫米波天线设计和 5G 毫米波测试原理、方法与专用设备。在第一部分，作者针对室内、室外等不同场景，结合毫米波存在大带宽、高速率的优势，以及由于高频点带来传播损耗比较大的劣势，给出了不同的部署方法，并以冬奥会为例，介绍如何应用毫米波等多种技术手段，打造超大带宽无线场馆，更好地向观众、媒体转播者、赛事组织和参与者等提供优质的观赛体验、完备的服务保障。在第二部分，作者介绍了当前国际毫米波频率进展，概述了国内毫米波频率使用概况和发展，总结了毫米波频段产业发展概况，对毫米波的频段规划给出了颇为实用的意见和建议。芯片是 5G 产业链中的一个核心环节。也是本白皮书第三部分的重点。这一章节介绍了 5G 毫米波专用芯片，从硅基 5G 毫米波芯片到化合物 5G 毫米波芯片再到封装集成天线技术。作者指出，移动通信的未来发展趋势，必将向更高频率的毫米波、太赫兹发展，硅基半导体由于其超高的集成度、低成本与低功耗的较高性价比，硅基（CMOS、SiGe、SOI 等）毫米波多通道 SOC 芯片将成为实现毫米波大规模阵列集成的基础器件。为了满足毫米波通信技术的大规模应用，天线与芯片的一体化封装集成成为必然。天线与芯片的一体化封装集成对毫米波天线的设计提出了更高的要求。如何设计 5G 手机毫米波天线，基站毫米波天线又需要怎样的技术，这是本白皮书第四部分的核心。在太赫兹无线通讯时代，片上天线（Antenna-on-Chip, AoC）可能成为手持移动终端内太赫兹天线的主流方案，而毫米波基站天线目前主要采用 3

模拟或混合波束赋形技术。本白皮书的第五部分重点研究 5G 毫米波的测试技术。近几年，经过国内外相关标准推进组、运营商、设备商与高校的努力，毫米波设备的相关测试方法已逐渐明晰，相关测试指标也已逐步达成共识。2020 年 7 月定稿的 3GPP R16 在 R15 的基础上，补充了毫米波基站、终端的测试方法和相关指标，对于终端多天线性能的测试也形成了技术报告，为 5G 毫米波设备的测试认证提供了参考依据。虽然毫米波设备的测试框架已逐渐明朗，但是仍有不少技术指标与测试方法还在研究讨论中，尚未形成最终的技术规范。相较于 FR1 频段设备的测试，毫米波频段设备的测试由于其测试的复杂性，整体上仍然推进较为缓慢。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、北京三星技术研究有限公司、高通无线通信技术(中国)有限公司、上海诺基亚贝尔股份有限公司、东南大学、中兴通讯股份有限公司、爱立信（中国）通信有限公司、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、三安集成电路有限公司、紫光展锐科技有限公司、深圳市睿德通讯科技有限公司、是德科技、罗德与施瓦茨、上海创远仪器技术股份有限公司、中电科仪器仪表有限公司、上海众执芯信息科技有限公司，它们为本白皮书的顺利刊印做出了重要贡献。欢迎学者、专家、从业者对本白皮书提出意见和建议。 4

第一部分：毫米波应用场景报告毫米波存在着大带宽、高速率的优势，但也由于高频点的原因带来了传播损耗比较大的劣势，在充分分析毫米波系统特点的基础上，现给出以下可能的应用场景：在品牌价值区域，通过部署毫米波可以提供超高质量服务，提升国家形象及品牌价值。在高流量区域，通过部署毫米波进行精准覆盖分流，可以有效解决热点流量问题。在专网区域，5G 毫米波可以与 MEC、AI 技术结合，在大带宽网络基础上叠加丰富多样的增值服务，提供如“大容量高速率+本地化”的解决方案，为覆盖区域提供定制化的园区专网服务。在场景无法布放光纤或布放纤代价过高区域，可以采用 FWA 组网方式利用 CPE 为用户提供服务。目前 FWA 的产业链较成熟，实现难度较很低，适合光纤不易接入或成本过高的地区，采用 CPE 终端挂墙或靠窗安装。在具体组网方式方面，总体上采用高低频混合组网的方式，将毫米波与 Sub- 6GHz 相结合，凸显毫米波带宽优势。5G 毫米波系统可以根据需求与 5G 低频系统共站址部署或拉远部署，提供精准覆盖。需要具备较强的系统间、频段间的互操作功能和移动性管理功能。根据具体部署场景，需要毫米波宏站、毫米波微站、毫米波微 RRU、毫米波分布式微站等多种形态的设备。其次在专网区域可以采用毫米波 SA 及 FWA 组网，凸显毫米波超低时延和超大带宽的优势，同时进行灵活帧结构部署，服务不同类型专网业务。 1 室外覆盖室外覆盖一直是通信运营商初期部署网络便会重点考虑的场景。对于部署在毫米波频段的 5G 网络，室外覆盖场景充满挑战，是需要重点关注的场景。 5

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