5G毫米波通信技術和器件專題 | 《中國科學：信息科學》英文版8月刊

近年來，由於低成本 CMOS 解決方案的快速發展，並且毫米波頻段（30～300 GHz）通信能力多次被實驗驗證，毫米波通信技術被考慮作為 5G 系統前傳、回傳、中短距離寬頻接入場景的超高速數據速率的支撐技術。歸功於大規模多入多出（MIMO）毫米波天線陣的陣列增益，在毫米波頻段電波傳播的嚴重路徑損耗能被補償。此外，由於毫米波頻段大規模 MIMO 陣列具有較緊湊尺寸，在移動終端上也存在可行性。近期已有相當多的關於毫米波通信的研究論文（包括一些國際期刊的特輯）被公開發表。然而，從技術實現和標準化角度，毫米波通信技術及其應用，包括在硬體和信號處理演算法兩個方面，仍有巨大的挑戰。

因此，Science China Information Sciences 的專題 "Special Focus on Millimeter Wave Communications Techniques and Devices for 5G" 聚焦在毫米波通信的通道建模、系統和電路設計、波束成形技術實現，及實驗系統等方面。該專題包含 8 篇論文。

與其他頻帶中無線通信技術的研究問題一樣，通道建模是正確部署毫米波通信網路的基礎問題。 論文 「6–100 GHz research progress and challenges from a channel perspective for fifth generation (5G) and future wireless communication」 提供了一個全面的毫米波通信通道建模和測量的概述。該論文從通道通道測量和表徵的角度，總結了全球 5G 網路從 6 GHz 到 100 GHz 可能部署的頻帶及最新實驗結果。

Structure of the channel measurement platforms

6–100 GHz research progress and challenges from a channel perspective for fifth generation (5G) and future wireless communication

Zhang J H, Tang P, Tian L, et al.

Sci China Inf Sci, 2017, 60(8): 080301

論文 「A novel 3D frequency domain SAGE algorithm with applications to parameter estimation in mmWave massive MIMO indoor channels」 介紹了在 16、28 和 38 GHz 頻帶上的通道測量結果。作者使用虛擬水平平面陣列搭建在室內辦公測量環境，並提出了一種新的 3D 頻域 SAGE 演算法以處理測量后數據。

Structure of the channel measurement platforms

A novel 3D frequency domain SAGE algorithm with applications to parameter estimation in mmWave massive MIMO indoor channels

Feng R, Huang J, Sun J, et al.

Sci China Inf Sci, 2017, 60(8): 080305

論文 「Path loss model based on cluster at 28 GHz in the indoor and outdoor environments」 介紹了一種基於多徑聚類的改進的 28 GHz 路徑損耗模型，這一模型源於利用旋轉雲台和定向天線的室內和室外環境的通道測量結果。

Measurement system

Path loss model based on cluster at 28 GHz in the indoor and outdoor environments

Zhou L, Xiao L M, Yang Z, et al.

Sci China Inf Sci, 2017, 60(8): 080302

用於毫米波段的電路和器件解決方案是推動毫米波通信技術發展的最基礎問題。 論文 「45-GHz and 60-GHz 90 nm CMOS power amplifiers with a fully symmetrical 8-way transformer power combiner」 採用一種新型 8 路分散式有源變壓器功率組合技術，設計了 45 GHz 和 60 GHz 毫米波 CMOS 功率放大器。

Fully symmetrical 8-way transformer combiner.

45-GHz and 60-GHz 90 nm CMOS power amplifiers with a fully symmetrical 8-way transformer power combiner

Jiang Z D, Guo K Z, Huang P, et al.

Sci China Inf Sci, 2017, 60(8): 080303

論文 「An 80–83 GHz CMOS DCO based on DiCAD technique for size, linearity and noise optimization」 提出基於數字控制人造電介質（DiCAD）技術解決數控振蕩器（DCO）設計中的精細頻率調諧問題，從而避免了直接開關。

(a) The schematic of the DCO; (b) the microphotograph of the proposed DCO; (c) the measured DCO medium tuning for each coarse tuning bit.

An 80–83 GHz CMOS DCO based on DiCAD technique for size, linearity and noise optimization

Wang Z P, Jia H K, Kuang L X, et al.

為了降低 m-MIMO 系統的硬體複雜度和成本，混合波束成形（HBF）技術近來得到很多關注。 鑒於實際移相器的缺點，論文 「Energy-efficient Butler-matrix-based hybrid beamforming for multiuser mmWave MIMO system」 針對用於多用戶毫米波 MIMO 系統，提出了一種基於高能效 Butler 矩陣的 HBF 結構及一種低複雜度 HBF 演算法。另一方面，由於毫米波信號的傳播特性，實現毫米波通信的關鍵問題是鏈路魯棒性。

The Butler-matrix-based HBF structure for mmWave MIMO systems.

Energy-efficient Butler-matrix-based hybrid beamforming for multiuser mmWave MIMO system

Li J H, Xiao L M, Xu X B, et al.

Sci China Inf Sci, 2017, 60(8): 080304

特邀論文 「Blockage robust millimeter-wave networks」 全面介紹了現有文獻中的防遮擋技術，包括兩種特定的波束切換方案及相關協議。

Flowchart of beam switching protocol for indoor or outdoor scenarios

Blockage robust millimeter-wave networks

Yang G, Xiao M.

Sci China Inf Sci, 2017, 60(8): 080307

最後一篇重要的論文 「Demonstration of 60 GHz millimeter-wave short-range wireless communication system at 3.5 Gbps over 5 m range」 介紹了一個基於 IEEE 802.11 ad 標準的、可實現高清視頻流傳輸的 60 GHz 短距離無線通信演示系統。這個獨立設計與開發的硬體原型包括一個 65 nm 的 CMOS 射頻前端和用於物理層基帶功能的基帶收發信機。

Special Focus on Millimeter Wave Communications Techniques and Devices for 5G

Science China Information Sciences, 2017, Vol.60, Iss.8

客座編輯

鄭福春

哈爾濱工業大學（深圳）

約克大學，英國

Email: [email protected]

武剛

電子科技大學

成都

Email: [email protected]