張景柱，柴焱杰

(1.中國電子科技集團(tuán)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(duì)，河南洛陽471003)

0 引言

60 GHz毫米波通信的研究推動(dòng)了面向PC、數(shù)字家電、智能便攜終端等應(yīng)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(jì)的進(jìn)步使得毫米波技術(shù)成為吉比特級(jí)應(yīng)用的主要方案。各國和相關(guān)國際組織都加大了力度進(jìn)行理論研究和產(chǎn)業(yè)化。目前，我國毫米波頻譜標(biāo)準(zhǔn)主流為59～64 GHz和42～48 GHz兩個(gè)頻段。60 GHz國家標(biāo)準(zhǔn)即將出臺(tái)，45 GHz國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展較晚，正成為學(xué)術(shù)界新的研究熱點(diǎn)，進(jìn)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(dá)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(diǎn)

在60 GHz頻段內(nèi)，全球無需許可即可免費(fèi)使用的帶寬可達(dá)7～9 GHz(如圖1所示)，國際標(biāo)準(zhǔn)信道帶寬為2.16 GHz。目前，無線局域網(wǎng)、無線個(gè)域網(wǎng)近距無線通信標(biāo)準(zhǔn)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(hào)的衰減非常嚴(yán)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?shí)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(diǎn):

①處于氧氣吸收極點(diǎn)，空間隔離度高，傳輸安全性好，抗干擾性強(qiáng);

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

③毫米波系統(tǒng)成形因子小，可實(shí)現(xiàn)天線小尺寸和電路集成化，易實(shí)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(duì)信號(hào)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(shí)現(xiàn)較高頻率復(fù)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(fèi)，大幅度降低了使用成本。

2 60 GHz無線接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析

目前，國際上正在制定和已經(jīng)制定的60 GHz標(biāo)準(zhǔn)有3項(xiàng)，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(biāo)準(zhǔn)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)?，F(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(biāo)準(zhǔn)主要為兩種［1］:IEEE 802.11ad和IEEE 802.15.3c。

國內(nèi)無線個(gè)域網(wǎng)(CWPAN)標(biāo)準(zhǔn)工作組于2010年3月正式成立60 GHz標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目組。由其制定的我國毫米波技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將于年內(nèi)出臺(tái)。

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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了60 GHz頻帶高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺雍蚆AC層標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)規(guī)定了WLAN PBSS(Personal Basic Service Set)的工作方式。IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)在保持IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)了MAC服務(wù)接入點(diǎn)最大吞吐量為1 Gbit/s。此外，該標(biāo)準(zhǔn)定義了在2.4/5 GHz和60 GHz頻帶之間快速會(huì)話的轉(zhuǎn)換機(jī)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(jī)制，該標(biāo)準(zhǔn)已在2012年完成。

2．2 IEEE 802．15．3c

IEEE 802.15.3c是基于IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)修訂的，批準(zhǔn)于2009年9月，是第一個(gè)突出實(shí)現(xiàn)吉比特短距離無線系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)［2］。該標(biāo)準(zhǔn)主要用于擴(kuò)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(duì)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(jí)機(jī)制來尋到最優(yōu)的發(fā)送和接收波速，實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸速率。

3 60 GHz無線接入技術(shù)研究進(jìn)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(jī)(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(jī)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(shí)現(xiàn)。雖然該技術(shù)具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)和廣闊應(yīng)用前景，但是作為一種非常復(fù)雜的集成系統(tǒng)，在具體實(shí)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(jì)、系統(tǒng)級(jí)集成封裝和測(cè)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(jī)制非常復(fù)雜，準(zhǔn)確模擬出真實(shí)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(dāng)信道仿真實(shí)現(xiàn)后，可以很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳輸技術(shù)和信號(hào)處理算法的性能分析，節(jié)省大量的試驗(yàn)測(cè)試費(fèi)用。

60 GHz強(qiáng)衰落特性使其信號(hào)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(yīng)用的特定系統(tǒng)，如何排除影響實(shí)際信道的各因素［4］，建立科學(xué)準(zhǔn)確且簡單易實(shí)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(yàn)(基于測(cè)量)型建模方法、射線跟蹤性建模方法和統(tǒng)計(jì)性建模方法(基于地理位置的統(tǒng)計(jì)模型和基于相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)模型)［5］。

3．2 射頻芯片

射頻芯片對(duì)60 GHz無線通信系統(tǒng)的實(shí)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(shí)現(xiàn)和性能指標(biāo)。2000年以來，國際半導(dǎo)體設(shè)計(jì)企業(yè)和科研機(jī)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(shì)。

(1)學(xué)術(shù)界研究進(jìn)展

2002年，日本 NEC公司宣布采用0.15 μm GaAs Hetero-junction FET工藝實(shí)現(xiàn)了一種60 GHz的收發(fā)信機(jī)芯片，可以實(shí)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(gè)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(dǎo)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(xué)術(shù)界關(guān)于射頻芯片的研究如火如荼，設(shè)計(jì)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(jì)成為一個(gè)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(xué)在ISSCC 2011年發(fā)布了16QAM直接轉(zhuǎn)換收發(fā)信機(jī)［8］(如 圖 2 所示)，采 用 65 nm CMOS工藝，配置陣列天線時(shí)最大數(shù)據(jù)速率10 Gb/s(QPSK)、16 Gb/s(16QAM);發(fā)射機(jī)功耗為181 mW，接收機(jī)為功耗138 mW。東京工業(yè)大學(xué)在該會(huì)議上還展示了60 GHz直接轉(zhuǎn)換收發(fā)信機(jī)［9］，支持 IEEE 802.15.3c標(biāo)準(zhǔn)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(jī)功耗為186 mW，接收機(jī)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(huì)議上加州大學(xué)伯克利分校的科研團(tuán)隊(duì)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(jī)功耗為50 mW，發(fā)射機(jī)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(shí)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(duì)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(diǎn)突破方向。

美國加州大學(xué)伯克利分校的科研團(tuán)隊(duì)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(hào)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(hào)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(jì)的16單元相控陣接收機(jī)［12］，每個(gè)接收前端單元在57～64 GHz頻率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)360°相位可變(精度為11.25°)，并通過有源功率合成器進(jìn)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(xué)在2014年的固態(tài)電路會(huì)議上發(fā)表論文，他們采用四片接收發(fā)射機(jī)單片芯片鍵合在一起(如圖5所示)，可以實(shí)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(xiàn)報(bào)導(dǎo)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(biāo)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(biāo)。

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(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信。包括兩個(gè)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(shí)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(yīng)加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)婦各個(gè)妊娠階段的綜合管理，為其提供科學(xué)的飲食、運(yùn)動(dòng)干預(yù)指導(dǎo)，促進(jìn)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(shí)現(xiàn)超1 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。目標(biāo)是用于智能手機(jī)等便攜終端的超高速無線接口。芯片組基 WiGig/IEEE802.11ad標(biāo)準(zhǔn)，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(hào)時(shí)為788 mW，接收信號(hào)時(shí)為984 mW。芯片組評(píng)測(cè)結(jié)果:可實(shí)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(píng)測(cè)板卡(松下．2013)

2014年國際固態(tài)電路會(huì)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(shí)鐘頻綜系統(tǒng)、ADC/DAC電路和基帶處理電路［16］。這是目前文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)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(shí)，采用QPSK調(diào)制，可實(shí)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(jìn)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(huì)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(gè)頻段，多層16位帶寬的陣列天線集成在標(biāo)準(zhǔn)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(lán)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(jì)，在一個(gè)模塊上同時(shí)整合802.11ac和802.11ad無線功能。美國半導(dǎo)體公司Hittite2012年發(fā)布的HMC6000/6001芯片組，采用SiGe BiCMOS工藝，可應(yīng)用于60 GHz室外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和室內(nèi)消費(fèi)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(dǎo)向型60 GHz射頻收發(fā)器(SiI6340/SiI6342)，將一個(gè)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(gè)芯片內(nèi)，縮小了尺寸，擴(kuò)大了波束導(dǎo)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(shí)現(xiàn)較高的天線增益，擴(kuò)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(xué)開始了毫米波技術(shù)的研究。其中，清華大學(xué)針對(duì)60 GHz接收發(fā)射系統(tǒng)芯片進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(xué)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(jì)與研制，目前正開展單片收發(fā)信機(jī)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(dǎo)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(dǎo)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(jià)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(biāo)。數(shù)字CMOS技術(shù)由于其相對(duì)成本，高集成度，代價(jià)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(dǎo)體工藝，在射頻低頻段中得到廣泛應(yīng)用。

3．4 天線技術(shù)

60 GHz毫米波信號(hào)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(shí)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(shí)時(shí)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(jì)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(duì)高清晰視頻流的需求直接催生了更高級(jí)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(dòng)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(jìn)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(zhēng)取盡早出臺(tái)我國60 GHz通信標(biāo)準(zhǔn)，研制出我國高集成單芯片60 GHz射頻收發(fā)信機(jī)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(biāo)準(zhǔn)綜述［J］．信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2012(12)：50 －53．

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