5g毫米波雷达（毫米波在5G和雷达技术中的应用）

5g毫米波雷达（毫米波在5G和雷达技术中的应用）图1.3研究人员给出的下一代无线通信系统的BWRC“ xG”愿景在伯克利无线研究中心（BWRC），人们研究了这些问题，并考虑了空白，以想象下一代无线技术将是什么样子。2013年12月，在这里通过xG网络整理了我们的愿景，如图1.3所示。我们的愿景是建立一个新的网络，该网络在接入点中使用大量天线，以实现对许多不同设备的高度空间复用，从手机和平板电脑到物联网（loT）设备。多个射频和毫米波频段以互补的方式使用，以形成清晰波束和宽波束。同样，最重要的是，这些接入点通过形成分层的无线网状网络（图1.4）进行自我回程，从而避免了使用电缆或光纤来形成回程网络的麻烦。以这种方式，网络可以有机地增长以满足无线流量的需求。接入点可以唤醒，识别网络中的其他节点，并开始按需路由流量，链路以动态方式上升或下降，这与Internet最初的愿景和数据包交换的需求非常相似。同时，人们开始梦想5G及其应包含的内容。许多人

什么是5G？

术语“ 5G”已经存在了一段时间，因为它确实是一个营销术语。5G指的是“第五代”移动网络标准。最终，将由诸如3GPP（第三代合作伙伴计划）之类的标准化机构定义5G，甚至5G的概念也将演变。很难为5G定义清晰的定义的原因是，它将成为下一个十年的全球网络标准，并且人们希望在5G中看到一长串新技术元素，然后是建立和部署新网络并将成本和功耗保持在合理水平上。因此5G是我们下一个梦想的新一代无线电技术：在技术上可行同时经济上可以实现的移动通信技术。

图1.15G技术的关键需求

5G技术的定位是解决4G技术的所有缺点。特别是，人们设想“云中的一切”，它可以提供随时随地的桌面式体验，沉浸式体验（无处不在的逼真媒体），无处不在的连接性（互联事物的智能网络）和网真（实时远程） 。为了解决移动设备的这些新应用场景，定义了以下“如图1.1所示的要求范围：（1）峰值数据速率高达10 Gbps，（2）单元边缘数据速率接近1 Gbps，（3）小区频谱效率接近10bps / Hz，（4）高达500 km / h的移动性，（5）成本效率比4G低10至100倍，（6）延迟1 ms，最后，也许也是最重要的一点是（7）每平方公里同时连接数超过1 百万。

图1.2人类与无线通信技术的演进

我们需要5G吗？

那么为什么我们需要5G呢？既然LTE和WiFi是已经能够为我们提供良好服务的惊人技术。在新网络上的投资是否会有预期的回报呢？首先，让我们想象使用新一代孩子使用无线技术的情景。今天典型的12岁的孩子出生于她一生中大部分时间里周围的人们都在使用智能手机或平板电脑。她可能从未经历过互联网中断的情况，因为整整一代人的父母都用智能手机/平板电脑代替电视作为事实上的照顾者。电视的移动性受到限制，而智能手机可以随处携带，不仅可以播放视频，还可以播放只有新一代才可以理解的无数种游戏和其他娱乐方式。这一代与带宽有着不同的关系，因为它们不断地传输流视频。学生更喜欢在线观看演讲，特别是因为他们可以放慢速度，加快演讲速度并在观看时查找事物。举个简单但说明性的例子，当你试图告诉你的孩子关于纸的知识，以及它实际上是一种纤维材料，在电子显微镜下看起来像意大利面条的薄层。在完成你的讲解之前，也许你的孩子正在网络上观看此类视频。

现在，我们再尝试想象一个孩子在尝试了解诸如内燃机之类的新事物时，十年后会做什么。希望这将是一个引起她好奇的古老遗迹，因为电力推进将完全取代此类发动机。她将穿上虚拟现实或增强现实护目镜，或者使用全息投影仪展示引擎。她将能够旋转引擎，查看不同的零件，然后只需简单的手势就可以将引擎炸裂成数千个零件。然后，她可以放回发动机，只看一些零件，例如在发动机缸体内部，并与活塞一起运动，并观察它们如何上下移动并通过曲轴产生旋转运动。她将能够在短时间内学习大量知识。显然，这些数据将必须从Internet下载并实时回放。也许她正在修理一辆经典汽车，并且需要在车库里再次观看3D图像。请记住，单个基站将需要同时服务数百或数千个好奇的孩子。

在某些情况下，对网络的需求将会爆炸。想象一下一个教室，那里有成千上万的学习解剖学的学生。教授将在他前面有一个虚拟尸体，他将进行切割并将不同部分的演示放在一起。每个学生也将拥有自己的虚拟尸体。实际上，无需使用无生命的物体，因为虚拟物体可以存活并且能运动，例如了解肌肉和结缔组织如何协同工作以实现不同的运动就变得非常有趣。在这种情况下，我们有成千上万个同时进行的三维（3D）高清晰度（HD）连接，它们都位于同一地理位置。显然，这超出了当今WiFi和4G网络的功能。

在伯克利无线研究中心（BWRC），人们研究了这些问题，并考虑了空白，以想象下一代无线技术将是什么样子。2013年12月，在这里通过xG网络整理了我们的愿景，如图1.3所示。我们的愿景是建立一个新的网络，该网络在接入点中使用大量天线，以实现对许多不同设备的高度空间复用，从手机和平板电脑到物联网（loT）设备。多个射频和毫米波频段以互补的方式使用，以形成清晰波束和宽波束。同样，最重要的是，这些接入点通过形成分层的无线网状网络（图1.4）进行自我回程，从而避免了使用电缆或光纤来形成回程网络的麻烦。以这种方式，网络可以有机地增长以满足无线流量的需求。接入点可以唤醒，识别网络中的其他节点，并开始按需路由流量，链路以动态方式上升或下降，这与Internet最初的愿景和数据包交换的需求非常相似。同时，人们开始梦想5G及其应包含的内容。许多人意识到为了实现这些愿景，我们需要利用更高的频段来实现更高的频谱效率并规避干扰，并且催生了5G也可以在毫米波频段工作的想法。

图1.3研究人员给出的下一代无线通信系统的BWRC“ xG”愿景

图1.4使用相控阵和网状网络进行无线回程，可以消除对光纤连接的需求，从而降低5G系统的部署成本

图1.5

图1.5如（a）所示，一排64片贴片天线仅占据4.5厘米乘4.5厘米的面积。在（b）中，这种面板的阵列形成了一个四扇区的基站，该基站可以使用多个空间波束同时为数千个用户提供服务。

雷达

高级驾驶员辅助系统（ADAS）是支持驾驶员安全并增强驾驶便利性的系统。人们非常重视安全性，因为许多事故（如果不是大多数的话）是人类行为或错误造成的结果。因此，ADAS的最终目标是通过促进从障碍物检测（例如，车辆，停车位，行人等）到交通标志检测和驾驶员监控（例如，睡意）的自动化系统或者通信系统（车对车，车对基础设施；请参见图1.6）来避免任何类型的事故或碰撞。ADAS的一项关键技术是通过专用雷达系统来检测任何种类的障碍物。

图1.6

图1.6未来的ADAS系统将多个专用传感器用于特定的应用场景中，并作为传感器融合的一部分；

汽车雷达的用例多种多样，包括以下场景，这些场景要求对检测设备有特定要求：

自适应巡航控制（ACC）适用于正常驾驶条件，以使行驶速度适应前方的汽车，并检测远距离的障碍物，从而避免交通事故的发生;。这是对SNR和范围（最大〜200 m）要求最严格的用例。车辆前部的远程雷达（LRR）77 GHz雷达系统可以解决ACC问题。

盲点检测（BSD）功能可检测位于驾驶员侧面和后方的其他车辆，以警告驾驶员几乎看不见的车辆，从而避免潜在的碰撞。对于覆盖高达〜20 m的范围要求，都适用于使用24 GHz和77 GHz。

短程雷达（SRR）被位于汽车周围（前，后，侧面或所有四个角）的24 GHz系统覆盖，并且用于例如BSD，走走停停或停车辅助应用，所有它们以较低的行驶速度和较低的总航程（<20m）行驶

中程雷达（MRR）用于BSD以及走走停停的情况，范围有限（最大40 m）。根据特定的使用情况，传感器安装在24 GHz系统的汽车周围（四个角落）。但是，77 GHz也将用于中等覆盖范围的应用中。

远程雷达（LRR）是应用于ACC的雷达技术（77 GHz）。传感器安装在车辆的前部，可以检测其他车辆或前方的障碍物。

随着当今开发和可用产品的发展，有针对特定场景进行高度优化的专用解决方案。展望未来，采用整体方法，通过将各种技术组合到传感器融合中，有望看到复杂性更高的解决方案。因此，可以将针对特定用途进行高度优化的特定专用解决方案（例如LRR，LiDAR，摄像头）组合在一起，从而可以覆盖所有用例。反过来，传感器融合的挑战是将多个传感器的实时数据聚合到单个整体ADAS系统中。

尽管当前已经广泛部署了24 GHz 频段的车载雷达解决方案，但是在当前的新设计中使用的是77 GHz 。但是，应该指出的是，监管机构正在考虑允许超出100 GHz范围的其他频段，例如134 / 136-141 GHz，欧洲技术标准协会（ETSI）正在审查120至260 GHz之间频率范围内的超宽带（UWB）无线电测定的应用中。

表1.1对汽车雷达系统的要求

表1.2对汽车远程雷达接收机的要求

雷达的系统级需求规格如表1.1和1.2所示，重点放在范围和速度分辨率上，而接收机和发射机的一些关键规格分别如表1.2和1.3所示。

表1.3汽车远程雷达发射机的要求

从硅芯片技术的角度来看，有两个主要趋势。广泛使用的第一种技术是SiGe BiCMOS。SiGe BiCMOS的优势包括具有高f最高 的新技术的开发，可用于目前可用的工作破损= 500 GHz到更高的f最高 = 700 GHz甚至更高。

或者，在与信号处理和数字信号进行单片集成的范围内数字使用CMOS技术，这是CMOS的主要优势。CMOS可用栅极长度和最大频率的发展和预测如图1.7所示。

图1.7

图1.7根据国际半导体技术路线图（IRS）的CMOS工艺节点缩放比例，其中（a）预期的是最高工作频率fmax和fT ，（b）预测的是RF-CMOS工艺节点。

CMOS技术的另一个关键优势是它能够在单片集成中使用数字逻辑。因此，RF收发器可以与基带和应用程序处理单元完美集成，从而使得外围部件（例如电源管理单元（例如， PMU））可以共享。这种方法得益于数字逻辑和静态随机存取存储器（SRAM）晶体管密度的增加，分别从9 725Mt / cm2 （CMOS 15 nm half-pitch，2018），15 437 Mt / cm2 （CMOS 11.9半节距，2020），至24 505Mt / cm2 （CMOS 9.5 nm 半间距，2022），并考虑了微处理器单元（MPU）/专用集成电路（ASIC）MPU / ASIC技术路线图数据。