专题 | 5G毫米波通信技术和器件
近年来，由于低成本 CMOS 解决方案的快速发展，并且毫米波频段（30～300 GHz）通信能力多次被实验验证，毫米波通信技术被考虑作为 5G 系统前传、回传、中短距离宽带接入场景的超高速数据速率的支撑技术。归功于大规模多入多出（MIMO）毫米波天线阵的阵列增益，在毫米波频段电波传播的严重路径损耗能被补偿。此外，由于毫米波频段大规模 MIMO 阵列具有较紧凑尺寸，在移动终端上也存在可行性。近期已有相当多的关于毫米波通信的研究论文（包括一些国际期刊的特辑）被公开发表。然而，从技术实现和标准化角度，毫米波通信技术及其应用，包括在硬件和信号处理算法两个方面，仍有巨大的挑战。
因此，Science China Information Sciences 的专题 "Special Focus on Millimeter Wave Communications Techniques and Devices for 5G" 聚焦在毫米波通信的信道建模、系统和电路设计、波束成形技术实现，及实验系统等方面。该专题包含 8 篇论文。
与其他频带中无线通信技术的研究问题一样，信道建模是正确部署毫米波通信网络的基础问题。 论文 “6–100 GHz research progress and challenges from a channel perspective for fifth generation (5G) and future wireless communication” 提供了一个全面的毫米波通信信道建模和测量的概述。该论文从信道信道测量和表征的角度，总结了全球 5G 网络从 6 GHz 到 100 GHz 可能部署的频带及最新实验结果。
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
论文 “A novel 3D frequency domain SAGE algorithm with applications to parameter estimation in mmWave massive MIMO indoor channels” 介绍了在 16、28 和 38 GHz 频带上的信道测量结果。作者使用虚拟水平平面阵列搭建在室内办公测量环境，并提出了一种新的 3D 频域 SAGE 算法以处理测量后数据。
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
论文 “Path loss model based on cluster at 28 GHz in the indoor and outdoor environments” 介绍了一种基于多径聚类的改进的 28 GHz 路径损耗模型，这一模型源于利用旋转云台和定向天线的室内和室外环境的信道测量结果。
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
用于毫米波段的电路和器件解决方案是推动毫米波通信技术发展的最基础问题。 论文 “45-GHz and 60-GHz 90 nm CMOS power amplifiers with a fully symmetrical 8-way transformer power combiner” 采用一种新型 8 路分布式有源变压器功率组合技术，设计了 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
论文 “An 80–83 GHz CMOS DCO based on DiCAD technique for size, linearity and noise optimization” 提出基于数字控制人造电介质（DiCAD）技术解决数控振荡器（DCO）设计中的精细频率调谐问题，从而避免了直接开关。
(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.
Sci China Inf Sci, 2017, 60(8): 080401
为了降低 m-MIMO 系统的硬件复杂度和成本，混合波束成形（HBF）技术近来得到很多关注。 鉴于实际移相器的缺点，论文 “Energy-efficient Butler-matrix-based hybrid beamforming for multiuser mmWave MIMO system” 针对用于多用户毫米波 MIMO 系统，提出了一种基于高能效 Butler 矩阵的 HBF 结构及一种低复杂度 HBF 算法。另一方面，由于毫米波信号的传播特性，实现毫米波通信的关键问题是链路鲁棒性。
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
特邀论文 “Blockage robust millimeter-wave networks” 全面介绍了现有文献中的防遮挡技术，包括两种特定的波束切换方案及相关协议。
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
最后一篇重要的论文 “Demonstration of 60 GHz millimeter-wave short-range wireless communication system at 3.5 Gbps over 5 m range” 介绍了一个基于 IEEE 802.11 ad 标准的、可实现高清视频流传输的 60 GHz 短距离无线通信演示系统。这个独立设计与开发的硬件原型包括一个 65 nm 的 CMOS 射频前端和用于物理层基带功能的基带收发信机。
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=n0535z21aqb&width=500&height=375&auto=0
我们要感谢所有投递此次专题征文的作者，与所有审稿者的建设性意见。最后，还要感谢科学《中国科学：信息科学》执行编辑冯景博士，她为这个特辑所有论文的定稿提供了充分的支持。
Special Focus on Millimeter Wave Communications Techniques and Devices for 5G
Science China Information Sciences, 2017, Vol.60, Iss.8
客座编辑
郑福春
哈尔滨工业大学（深圳）
约克大学，英国
Email: fzheng@ieee.org
武刚
电子科技大学
成都
Email: wugang99@uestc.edu.cn