張景柱，柴焱杰

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.中國人民解放軍96275部隊，河南洛陽471003)

0 引言

60 GHz毫米波通信的研究推動了面向PC、數(shù)字家電、智能便攜終端等應用領(lǐng)域的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備間數(shù)Gbps的超高速無線傳輸。巨大的帶寬、較高的發(fā)射功率和集成電路設(shè)計的進步使得毫米波技術(shù)成為吉比特級應用的主要方案。各國和相關(guān)國際組織都加大了力度進行理論研究和產(chǎn)業(yè)化。目前，我國毫米波頻譜標準主流為59～64 GHz和42～48 GHz兩個頻段。60 GHz國家標準即將出臺，45 GHz國家標準發(fā)展較晚，正成為學術(shù)界新的研究熱點，進入快速發(fā)展期。未來我國5G發(fā)展的主要方向之一，是著力探索毫米波頻譜資源的開發(fā)利用，致力開發(fā)超傳輸速率達10 Gbps的室內(nèi)超大容量無線通信系統(tǒng)。

1 60 GHz無線通信的特點

在60 GHz頻段內(nèi)，全球無需許可即可免費使用的帶寬可達7～9 GHz(如圖1所示)，國際標準信道帶寬為2.16 GHz。目前，無線局域網(wǎng)、無線個域網(wǎng)近距無線通信標準主要工作在2.4 GHz、5 GHz頻段，而日益活躍起來的60 GHz無線通信技術(shù)由于高頻信號的衰減非常嚴重，特別適用于短距離高速無線通信。

圖1 頻譜使用和信道分配圖

60 GHz無線技術(shù)可用頻帶寬(57～64 GHz)，巨大帶寬意味著靈活性和潛在容量;根據(jù)山農(nóng)定理，頻譜帶寬與信道容量是成正比的，信道容量則直接決定了通信系統(tǒng)所能傳輸?shù)淖畲笏俾?，因此使實現(xiàn)數(shù)Gbps的無線通信速率成為可能。60 GHz頻段無線通信具有以下特點:

①處于氧氣吸收極點，空間隔離度高，傳輸安全性好，抗干擾性強;

②可用頻帶寬(5～7 GHz)，信道容量大，發(fā)射功率大，可實現(xiàn)吉比特級傳輸速率;

③毫米波系統(tǒng)成形因子小，可實現(xiàn)天線小尺寸和電路集成化，易實現(xiàn)設(shè)備小型化;

④60 GHz的天線系統(tǒng)能夠把99.9%的能量集中在4.7°的波束范圍內(nèi)，再加上氧氣等對信號能量的迅速衰減，使得不同鏈路以及系統(tǒng)間的相互影響很小，可實現(xiàn)較高頻率復用;

⑤具有國際通用性和免許可性:全球大多數(shù)國家在2000年后，陸續(xù)分配了7 GHz的頻帶帶寬用于免授權(quán)高速無線通信的研究，且各國在60 GHz附近有約5 GHz的共用頻段;頻譜資源完全免費，大幅度降低了使用成本。

2 60 GHz無線接入技術(shù)標準分析

目前，國際上正在制定和已經(jīng)制定的60 GHz標準有3項，分別是ECMA-387、IEEE 802.15.3c以及IEEE 802.11ad。其中，ECMA-387已經(jīng)成為正式的國際標準ISO/IEC 13156-2009。近年出現(xiàn)的60 GHz技術(shù)規(guī)范還有:WirelessHD和無線吉比特聯(lián)盟(Wi-Gig)。現(xiàn)有支持1 Gbit/s以上數(shù)據(jù)速率的超高速無線通信的標準主要為兩種［1］:IEEE 802.11ad和IEEE 802.15.3c。

國內(nèi)無線個域網(wǎng)(CWPAN)標準工作組于2010年3月正式成立60 GHz標準項目組。由其制定的我國毫米波技術(shù)標準將于年內(nèi)出臺。

2.1 IEEE 802.11ad

IEEE 802.11ad形成于2009年1月，是在IEEE 802.11–2007基礎(chǔ)上修訂得來的。該標準設(shè)計了60 GHz頻帶高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺雍蚆AC層標準，同時規(guī)定了WLAN PBSS(Personal Basic Service Set)的工作方式。IEEE 802.11ad標準在保持IEEE 802.11標準的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不變和與IEEE 802.11管理平面后向兼容性的前提下，實現(xiàn)了MAC服務(wù)接入點最大吞吐量為1 Gbit/s。此外，該標準定義了在2.4/5 GHz和60 GHz頻帶之間快速會話的轉(zhuǎn)換機制，以及與其他工作在該頻段系統(tǒng)(如 IEEE 802.15.3c和ECMA-387)的共存機制，該標準已在2012年完成。

2．2 IEEE 802．15．3c

IEEE 802.15.3c是基于IEEE 802.15.3標準修訂的，批準于2009年9月，是第一個突出實現(xiàn)吉比特短距離無線系統(tǒng)的標準［2］。該標準主要用于擴展可供選擇的毫米波物理層和MAC層，定義了3種物理層技術(shù):單載波、高速接口(HSI)OFDM和音視頻(AV)OFDM。采用了WPAN piconet(微微網(wǎng))的工作方式［3］。還定義了基于單載波π/2相移鍵控(BPSK)的低數(shù)據(jù)傳輸速率(25 Mbit/s)公共模式信令(CMS)，解決多物理層模式的共存問題。對異構(gòu)天線類型，這3種物理層都支持波速賦形。波速賦形利用兩級機制來尋到最優(yōu)的發(fā)送和接收波速，實現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸速率。

3 60 GHz無線接入技術(shù)研究進展

60 GHz無線通信系統(tǒng)主要包括PHY和MAC，PHY(物理層)主要定義收發(fā)信機(RF前端和基帶處理后端);MAC主要涉及多址技術(shù)選擇、無線資源管理、速率適配、波速控制和QoS等，目前收發(fā)信機結(jié)構(gòu)的研究傾向于與現(xiàn)有集成電路封裝技術(shù)相結(jié)合的低成本低功耗的小型單元電路或射頻收發(fā)電路的實現(xiàn)。雖然該技術(shù)具有強大優(yōu)勢和廣闊應用前景，但是作為一種非常復雜的集成系統(tǒng)，在具體實現(xiàn)上面臨諸多挑戰(zhàn)，比如高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和高功率效率的MAC設(shè)計、系統(tǒng)級集成封裝和測試等。國內(nèi)外近年來在該技術(shù)領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展。

3．1 信道建模

無線通信信道中無線電波傳輸機制非常復雜，準確模擬出真實傳播環(huán)境顯得尤為重要。信道研究一直是通信系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。當信道仿真實現(xiàn)后，可以很容易實現(xiàn)對不同傳輸技術(shù)和信號處理算法的性能分析，節(jié)省大量的試驗測試費用。

60 GHz強衰落特性使其信號被有效限制在小范圍空間內(nèi)。信道模型類型取決于載頻、帶寬、環(huán)境類型和應用的特定系統(tǒng)，如何排除影響實際信道的各因素［4］，建立科學準確且簡單易實現(xiàn)的模型成為主要研究方向。目前所有60 GHz信道建模方法都是考慮天線影響的無線信道建模，建模方法主要有經(jīng)驗(基于測量)型建模方法、射線跟蹤性建模方法和統(tǒng)計性建模方法(基于地理位置的統(tǒng)計模型和基于相關(guān)性的統(tǒng)計模型)［5］。

3．2 射頻芯片

射頻芯片對60 GHz無線通信系統(tǒng)的實現(xiàn)至關(guān)重要，其性能直接決定著無線通信系統(tǒng)的功能實現(xiàn)和性能指標。2000年以來，國際半導體設(shè)計企業(yè)和科研機構(gòu)紛紛展開6 GHz硅基CMOS射頻前端芯片的研究。歐美及日本顯示出明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢。

(1)學術(shù)界研究進展

2002年，日本 NEC公司宣布采用0.15 μm GaAs Hetero-junction FET工藝實現(xiàn)了一種60 GHz的收發(fā)信機芯片，可以實現(xiàn)1．25 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸［6］。2006年，IBM研發(fā)出基于0.13μm BiCMOS技術(shù)的60 GHz芯片組，加外部封裝的尺寸也僅12 mm見方，能夠?qū)崿F(xiàn)不小于2 Gbps的信息傳輸速率［7］。

射頻芯片研究主要分為兩個階段:早期是基于GaAs或BiCMOS工藝，采用該工藝的元器件電路性能較好，但集成度低、成本較高，器件難以商用化普及;隨著半導體新工藝水平的不斷提升，后期采用傳統(tǒng)CMOS工藝加工高集成度的單片芯片。

目前學術(shù)界關(guān)于射頻芯片的研究如火如荼，設(shè)計研發(fā)不斷追求高性能高速率，致力于獲取較大的放大器增益和輸出功率，使得低功耗化設(shè)計成為一個研究方向。

圖2 60 GHz直接轉(zhuǎn)換收發(fā)芯片(Tokyo Tech)

東京工業(yè)大學在ISSCC 2011年發(fā)布了16QAM直接轉(zhuǎn)換收發(fā)信機［8］(如 圖 2 所示)，采 用 65 nm CMOS工藝，配置陣列天線時最大數(shù)據(jù)速率10 Gb/s(QPSK)、16 Gb/s(16QAM);發(fā)射機功耗為181 mW，接收機為功耗138 mW。東京工業(yè)大學在該會議上還展示了60 GHz直接轉(zhuǎn)換收發(fā)信機［9］，支持 IEEE 802.15.3c標準的無線通信，可采用16QAM/8PSK/QPSK/BPSK調(diào)制方式，集成陣列天線的最大速率8 Gb/s(QPSK)、11 Gb/s(16QAM);發(fā)射機功耗為186 mW，接收機為功耗106 mW。

圖3 60 GHz相控陣收發(fā)芯片(伯克利.2013)

2013年的國際固態(tài)電路會議上加州大學伯克利分校的科研團隊展示了低功耗60 GHz接收發(fā)射相控陣［10］(如圖3 所示)，為了降低功耗，功放和振蕩器均采用0.7 V偏壓，混頻器采用層疊結(jié)構(gòu)，接收機功耗為50 mW，發(fā)射機功耗為60 mW，天線為硅片上集成。該款芯片能夠在收發(fā)芯片距離40 cm處實現(xiàn)10.4 Gbit/s的數(shù)據(jù)速度，能量/比特比為11 pJ/bit。

60 GHz通信系統(tǒng)一般采用QPSK、16QAM甚至64QAM調(diào)制方式來提高數(shù)據(jù)速率，則要求對功率放大器的線性輸出功率和回退程度提出更高的要求。因此，克服高方向性和衰落的新技術(shù)成為研發(fā)的重點突破方向。

美國加州大學伯克利分校的科研團隊在2011年展現(xiàn)了四單元相控陣接收發(fā)射系統(tǒng)［11］(如圖4所示)，采用直接變頻結(jié)構(gòu)，基帶電流分布式開關(guān)控制中頻信號的相位偏移，并采用開關(guān)式功率放大器來降低功耗，鎖相環(huán)所產(chǎn)生的信號采用Wilkiosn功分器送到四路接收發(fā)射通道，每組接收/發(fā)射通道的功耗僅為34 mW。

圖4 四單元相控陣收發(fā)芯片(伯克利．2011)

IBM T J Watson研究中心在2011年的固態(tài)電路期刊上展示了0.13 μm SiGe工藝設(shè)計的16單元相控陣接收機［12］，每個接收前端單元在57～64 GHz頻率范圍內(nèi)可實現(xiàn)360°相位可變(精度為11.25°)，并通過有源功率合成器進行功率合成。該單片系統(tǒng)功耗為1.8 W，最大傳輸速率為4.54 Gb/s(單載波)、5.25 Gb/s(OFDM)。東京工業(yè)大學在2014年的固態(tài)電路會議上發(fā)表論文，他們采用四片接收發(fā)射機單片芯片鍵合在一起(如圖5所示)，可以實現(xiàn)最大數(shù)據(jù)速率10.56 Gbit/s(64QAM單通道)、28.16 Gbit/s(16QAM四通道)，這是目前相關(guān)文獻報導里最高的數(shù)據(jù)傳輸速率［13］。

圖5 四片鍵合收發(fā)芯片(ISSCC2014)

60 GHz無線通信的最終目標是研制高度集成、成本低廉、商用化的單片終端芯片。因此，高集成商用單片化，成為射頻芯片組研發(fā)的終極目標。

2012年固態(tài)電路期刊上公布了東芝研發(fā)的一款全集成芯片組［14］(如圖6所示)，用于短距離/點對點無線通信。包括兩個芯片，含陣列天線的射頻芯片(RF IC)和基帶芯片(BB IC)(含PHY/MAC層)。芯片組可實現(xiàn)物理層數(shù)據(jù)2.62 Gb/s和MAC層吞吐量為2.07 Gb/s，能耗為651 pJ/bit。

綜上所述，妊娠糖尿病高危孕婦極容易產(chǎn)生巨大兒、胎膜早破、胎兒窘迫和早產(chǎn)等不良妊娠結(jié)局。為了防范不良妊娠結(jié)局產(chǎn)生，醫(yī)務(wù)人員應加強對產(chǎn)婦各個妊娠階段的綜合管理，為其提供科學的飲食、運動干預指導，促進高危孕婦合理膳食，形成母嬰安全的良好前提。

圖6 全集成收發(fā)雙芯片組(東芝．2012)

松下在ISSCC 2013公布了可量產(chǎn)的毫米波通信用芯片組［15］(如圖7所示)，可實現(xiàn)超1 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。目標是用于智能手機等便攜終端的超高速無線接口。芯片組基 WiGig/IEEE802.11ad標準，采用單載波調(diào)制，MAC控制電路嵌入基帶IC。包括MAC控制電路在內(nèi)的功耗在發(fā)送信號時為788 mW，接收信號時為984 mW。芯片組評測結(jié)果:可實現(xiàn)最大傳輸速率1.8 Gbit/s(傳輸距離40 cm)、15 Gbit/s(傳輸距離1 m)。

圖7 全集成芯片組和評測板卡(松下．2013)

2014年國際固態(tài)電路會議中，東芝采用65 nm CMOS工藝研制了一款全集成的60 GHz收發(fā)芯片(如圖8所示)，芯片中不僅集成了RF/PHY/MAC和PMU的電路，包括射頻收發(fā)系統(tǒng)、時鐘頻綜系統(tǒng)、ADC/DAC電路和基帶處理電路［16］。這是目前文獻報導的集成度最高的60 GHz通信系統(tǒng)芯片。收發(fā)芯片相距4 cm時，采用QPSK調(diào)制，可實現(xiàn)通信吞吐量為2 Gbit/s的通信速率，總功耗為1 268 mW。

圖8 最高集成度收發(fā)芯片圖(東芝．2014)

(2)產(chǎn)業(yè)界發(fā)展現(xiàn)狀

目前國外企業(yè)正在努力推進60 GHz超寬帶通信的無線收發(fā)芯片的研發(fā)，在最近幾年已經(jīng)連續(xù)發(fā)布產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案。2010年5月，IBM和MTK(聯(lián)發(fā)科)在IEEE電子射頻集成電路研討會上展示了聯(lián)合開發(fā)的60 GHz收發(fā)芯片［17］，芯片采用 SiGe BiCMOS工藝，可覆蓋60 GHz的4個頻段，多層16位帶寬的陣列天線集成在標準封裝中。

Atheros在Computex 2011上展示的AR9004TB芯片組是全球第一款整合802.11n和802.11ad的芯片組，傳輸速率(60 GHz下)為5 Gb/s。Wilocity Wi6120芯片提供60 GHz通訊功能，Atheros AR9462芯片提供2.4 GHz/5 GHz/藍牙通訊功能。2014年1月Atheros和Wilocity推出業(yè)內(nèi)第一款三頻參考設(shè)計，在一個模塊上同時整合802.11ac和802.11ad無線功能。美國半導體公司Hittite2012年發(fā)布的HMC6000/6001芯片組，采用SiGe BiCMOS工藝，可應用于60 GHz室外點對點連接和室內(nèi)消費類設(shè)備。

2014年2月矽映電子科技公司(silicon image)發(fā)布兩款大吞吐量、低功耗、單芯片CMOS波束導向型60 GHz射頻收發(fā)器(SiI6340/SiI6342)，將一個12信道射頻收發(fā)器和所有必要的電路高度集成到單一芯片上，SiI6340將12根天線集成封裝在一個芯片內(nèi)，縮小了尺寸，擴大了波束導向角度。SiI6342將多條60 GHz射頻信道連接到外置的12天線相控陣，此相控陣可以直接繪在印刷電路板上以實現(xiàn)較高的天線增益，擴大傳輸范圍。

目前國內(nèi)企業(yè)還未開發(fā)出與60 GHz寬帶通信系統(tǒng)相關(guān)的收發(fā)芯片和解決方案。我國有多家科研院所和大學開始了毫米波技術(shù)的研究。其中，清華大學針對60 GHz接收發(fā)射系統(tǒng)芯片進行了設(shè)計和流片，基本可以滿足60 GHz高速通信射頻前端的要求。東南大學長期致力于毫米波硅基芯片的研究與開發(fā)，在毫米波單片集成電路方面，已完成60 GHz波段低噪聲放大器、混頻器、壓控振蕩器、倍頻器以及分頻器等設(shè)計與研制，目前正開展單片收發(fā)信機前端的研發(fā)。

3．3 集成電路技術(shù)

60 GHz頻段上主要有3類集成工藝:① 以GaAs和InP為代表的第3代和第4代半導體技術(shù);②以HBT和BiCMOS為代表的SiGe技術(shù);③ 以CMOS和BJT為代表的硅片技術(shù)。上述集成工藝的工作頻率如圖9所示，易發(fā)現(xiàn)，早期的硅片技術(shù)的工作頻率最低，小于10 GHz，而第3、第4代半導體技術(shù)的工作頻率最高，而目前數(shù)字CMOS技術(shù)已經(jīng)支持60 GHz。

圖9 集成工藝的工作頻率

GaAs技術(shù)能滿足快速、高增益和低噪聲等要求，但價格昂貴。低成本小型化是集成電路技術(shù)主要考慮的發(fā)展目標。數(shù)字CMOS技術(shù)由于其相對成本，高集成度，代價小的解決方案已經(jīng)基本上取代了GaAs基工藝以及其他半導體工藝，在射頻低頻段中得到廣泛應用。

3．4 天線技術(shù)

60 GHz毫米波信號的巨大損耗要求天線必須提供大帶寬下的高增益和高效率。天線陣列波速賦形技術(shù)由于天線增益大、體積小和快速的電子可操縱性比較適用于60 GHz無線通信。目前實現(xiàn)陣列波速賦形技術(shù)存在很多技術(shù)難題，比如:非視距的實時阻塞問題、高損耗的饋電網(wǎng)絡(luò)、高集成平面化天線設(shè)計等。因此，研究低成本、小型化、高增益、易集成易控的天線陣列，成為60 GHz毫米波天線技術(shù)研究的主要內(nèi)容。

4 結(jié)束語

在第5代高速無線傳輸技術(shù)中，60 GHz無線通信技術(shù)已經(jīng)拔得頭籌。目前對高清晰視頻流的需求直接催生了更高級數(shù)據(jù)傳輸速率(至少28 Gbit/s)的要求，帶來更大的挑戰(zhàn)。我國正加緊第5代移動通信系統(tǒng)(5G)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，建議下一步加大研發(fā)投入，秉承低功耗、寬方向性、高集成度的研制理念，推進超10 Gbps的室內(nèi)超大容量無線通信集成系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化程度，爭取盡早出臺我國60 GHz通信標準，研制出我國高集成單芯片60 GHz射頻收發(fā)信機的商業(yè)化產(chǎn)品。

［1］ 彭曉明，卓蘭．60 GHz毫米波無線通信技術(shù)標準綜述［J］．信息技術(shù)與標準化，2012(12)：50 －53．

［2］ IEEE P802－15－3c-D13(2009)IEEE P802－15－3c－D13 Part 15.3：Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for High Rate Wireless Personal Area Networks(WPANs)：Amendment 2：Millimeter-wave based Alternative Physical Layer Extension［S］．

［3］ 周遜，曹亞楠．60GHz超高速無線網(wǎng)絡(luò)接入機制研究［J］．數(shù)字通信，2013(5)：38 －43．

［4］ STEINBAUER M，MOLISCH A F，BONEK E．2001．The double-directional radio channel［J］．IEEE Antennas and Propagation Magazine，43(4)：51 －63．

［5］ (美)夏鵬飛編著．實現(xiàn)吉比特傳輸?shù)?0GHz無線通信技術(shù)［M］．鄒衛(wèi)霞，譯．北京：機械工業(yè)出版社，2012．

［6］ KEIICHI O，KENICHI M，MASAHARU I，et al．Wireless 1．25 Gb/s transceiver module at 60 GHz-band［C］∥IEEE ISSCC Dig Tech Papers，2002：236 －489．

［7］ BRIAN F，SCOTT R，ULLRICH P，et al．A silicon 60 GHz receiver and transmitter chipset for broadband communications［C］∥IEEE ISSCC Dig Tech Papers，2006：2820－2831．

［8］ ASADA H．A 60 GHz 16 Gb/s 16QAM Low-Power Direct-Conversion Transceiver Using Capacitive Cross-Coupling Neutralization in 65 nm CMOS［C］∥ISSCC Dig．Tech．Papers，2011：373 －376．

［9］ OKADAK．A 60GHz 16QAM/8PSK/QPSK/BPSK Direct-Conversion Transceiver for IEEE802.15.3c［C］∥ISSCC Dig．Tech．Papers，2011：160 －161．

［10］ KONG L．A 50mW-TX 65mW-RX 60GHz 4-Element Phased-Array Transceiver with Integrated Antennas in 65nm CMOS［C］∥ISSCC Dig．Tech．Papers，2013：234－235．

［11］ TABESH M．A 65nm CMOS 4-Element Sub-34mW/Element 60GHz Phased-Array Transceiver［C］∥ISSCC Dig．Tech．Papers，2011：166 －167．

［12］ NATARAJAN A．A Fully-Integrated 16-Element Phased-Array Receiver in SiGe BiCMOS for 60-GHz Communications［J］．IEEE Jounal of Sold-State Circuits，2011，46(5)：1059 －1075．

［13］ OKADA K．A 64-QAM 60GHz CMOS Transceiver with 4-Channel Bonding ［C］∥ ISSCC Dig．Tech．Papers，2014：346 －347．

［14］ MITOMO T．A 2-Gb/s Throughput CMOS Transceiver Chipset With In-Package Antenna for 60-GHz Short-Range Wireless Communication［C］∥IEEE Jounal of Sold-State Circuits，2012，47(12)：3160 －3171．

［15］ TSUKIZAWA T．A Fully Integrated 60GHz CMOS Transceiver Chipset Based on WiGig/IEEE802．11ad with Built-In Self Calibration for Mobile Applications［C］∥ISSCC Dig．Tech．Papers，2013：230 －231．

［16］ SAIGUSA S．A Fully Integrated Single-Chip 60GHz CMOS Transceiver with Scalable Power Consumption for Proximity Wireless Communication［C］∥ ISSCC Dig．Tech．Papers，2014：348 －349．

［17］ 蘇莉．60GHz，無線高速公路［J］．CHIP 新電腦，2010(8)：44－49．