华为贺超等 | 光纤到屋场景下的Q波段毫米波通信
光纤到屋场景下的Q波段毫米波通信
贺超1，任志雄1，王祥1，曾焱1，方箭2，侯德彬3，蒯乐3，陆容3，杨仕林3，陈喆3，陈继新31华为技术有限公司，中国深圳市，5181292国家无线电监测中心，中国北京市，1000373东南大学毫米波国家重点实验室，中国南京市，210096
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研究背景
图1 光纤到屋场景下毫米波通信
为推广毫米波技术应用，中国无线电监管机构于2013年发布Q波段（42–48 GHz）频谱用于室内无线接入，并由东南大学洪伟教授牵头制订Q-LINKPAN和IEEE 802.11aj通信标准。受益于单载波体制设计，该标准减少了对射频器件动态范围要求，降低了毫米波技术商用门槛。本文首先对近20年家庭接入技术进行回顾，包括非对称双绞线、电力线、同轴线和光纤接入技术，然后介绍了毫米波无线局域网技术，重点分析了Q波段毫米波通信物理层链路、Q波段毫米波射频芯片现状、毫米波天线设计，结合当前云虚拟现实（could virtual reality, cloud VR）等新应用讨论了产品化节奏，最后介绍了Q波段毫米波样机和测试结果。文末对于FTTR新架构下的毫米波技术挑战进行了展望，包括波束成形、漫游、高效率射频天线设计、精简协议与系统集成、标准化与非通信应用研究等将会是家用毫米波技术持续发展的重要课题。
02
Q波段毫米波通信技术
IEEE 802.11aj标准主要支持单载波（single carrier，SC，图2）与正交频分复用（OFDM）两种通信体制，通过引入单载波体制降低了信号峰均比进而降低对射频器件动态范围要求。通信模板最大支持64-QAM，在4条空间流情况下可以支持14 Gb/s的峰值速率。当前毫米波功放效率不高，为进一步对抗路损、高增益高效率的CMOS PA（图3）、全集成天线设计以及波束成形与跟踪等技术需要持续考虑。
图2 多通道单载波毫米波通信链路
图3 40–50 GHz PA效率
03
Q波段毫米波技术产业化
Cloud VR类应用对于网络质量提出更高要求，在2019年VR分级标准中，旗舰级VR需要端到端3 Gb/s以上带宽和5 ms以内的时延。为保证Cloud VR业务体验，欧洲电信标准化组织（ETSI）提出专门针对云VR的切片架构（图4），由此成为家用毫米波通信的重要抓手。当前光接入网络正大范围从GPON向10G-PON迁移，为高带宽毫米波接入奠定了回传网络基础。
图4 FTTR架构
04
Q波段毫米波样机测试结果
当工作在540 MHz（图5）和1080 MHz带宽下时，Q波段毫米波样机收发环回信噪比分别可达25 dB和20 dB，在16-QAM @1080 MHz调制模板情况下可实现单流2 Gb/s通信速率，当工作在64-QAM时，通过4×4 MIMO最终可支持10 Gb/s以上速率。
图5 毫米波样机环回测试结果（540 MHz）
【论文信息】
Chao He, Zhixiong Ren, Xiang Wang, Yan Zeng, Jian Fang, Debin Hou, Le Kuai, Rong Lu, Shilin Yang, Zhe Chen, Jixin Chen, 2021. Millimeter-wave wireless communications for home network in fiber-to-the-room scenario. Front Inform Technol Electron Eng, 22(4):441-456.
https://doi.org/10.1631/FITEE.2000440
【作者简介】
贺超：华为公司室内毫米波接入研究员，主要负责毫米波通信系统设计与算法研究。
任志雄：华为公司射频与天线研究员，主要负责光接入和室内无线接入领域的关键芯片与器件研究。
王祥：华为公司家庭网络研究员，ITU-T SG9 WP2副主席、SG9 Q9报告人、SG15 Q4编辑，长期负责铜线接入和家庭短距无线通信技术研究与标准工作。
曾焱：华为公司室内短距通信研究员，ITU-T SG15 Q18副报告人和编辑，长期负责家庭短距无线和光通信技术研究与标准工作。
方箭：国家无线电监测中心正高级工程师。2009年毕业于北京邮电大学获硕士学位，担任工信部通信科技委无线电频率规划专家组成员，中国通信标准化协会无线通信技术工作委员会频率组副组长，中国电子学会青年网络与通信系统技术专委会委员。长期从事3G/4G/5G、物联网等相关无线电频率规划和分配、射频技术指标制定、系统间电磁兼容分析以及认知无线电等方面的研究工作，支撑了4G、5G、蜂窝物联网、车联网、行业专业系统等无线电管理相关政策出台。作为项目负责人和主要研究人员参与国家科技重大专项、国家自然基金等项目10余项，成果获得部级科学技术奖10项，提交国际标准化提案30余篇，发表论文50余篇。
侯德彬：东南大学毫米波重点实验室副教授。2007年本科毕业于电子科技大学，2013年博士毕业于东南大学。毕业后留校任教，作为主要人员参与了国家973项目、国家重大专项课题等项目；主撰合撰核心刊物学术论文30余篇，包括IEEE Trans MTT，IEEE Trans AP等领域权威刊物；获2014年江苏省优秀博士论文奖。曾在新加坡微电子研究院进行为期两年的博士联合培养，并赴瑞典布莱津理工学院交流学习。目前研究领域包括硅基毫米波/太赫兹电路、砷化镓毫米波电路、片上无源器件等。
蒯乐：东南大学信息科学与工程学院在读博士生，主要研究方向为5G毫米波射频前端与阵列技术。
陆容：东南大学信息科学与工程学院在读博士生，主要研究方向为微波毫米波电路与天线技术。
杨仕林：东南大学信息科学与工程学院在读博士生，主要研究方向为天线与微波毫米波技术。
陈喆：东南大学毫米波重点实验室副教授，主要研究方向为硅基毫米波频率源技术、硅基太赫兹频率源及高速通信电路、毫米波电路与系统。
陈继新:东南大学首席教授，电磁场与微波工程系主任。1998、2002、2006年分别获得东南大学学士、硕士、博士学位。主要研究方向为微波毫米波集成新技术。发表论文100余篇，授权发明专利23项。获2016年度国家自然科学二等奖（排名第5）以及首届“Keysight Early Career Professor Award”（2016年，唯一获奖人）。担任2021年全国微波毫米波会议、IEEE RFIT2019技术委员会主席，HSIC2012、UCMMT2012技术委员会主席等。
专题导读
5G演进和6G标准的发展使毫米波无线通信面临诸多挑战，毫米波无线通信系统整体性能的提升依赖于元部件、信号处理方法和系统方案的创新。信道模型、元部件和系统设计的演进与创新也可以为新的应用铺平道路。
往期推文：
1. 东南大学洪伟教授等｜FITEE高通量毫米波无线通信专刊导读关于本刊
Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering（简称FITEE，中文名《信息与电子工程前沿（英文）》，ISSN 2095-9184，CN 33-1389/TP）是信息电子类综合性英文学术月刊，SCI-E、EI收录，最新影响因子1.604，进入JCR Q2分区。前身为2010年创办的《浙江大学学报英文版C辑：计算机与电子》，2015年更为现名，现为中国工程院信息与电子工程学部唯一院刊。覆盖计算机、信息与通信、控制、电子、光学等领域。文章类型包括研究论文、综述、个人视点、评述等。现任主编为中国工程院院士潘云鹤、卢锡城。实行国际同行评审制，初次转达意见一般在2~3个月内。文章一经录用将快速在线。
2019年，荣获中国科协等七部委推出的中国科技期刊卓越行动计划项目资助（梯队期刊）。
官网：http://www.jzus.zju.edu.cn
期刊Springer主页：
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