面向5G移動通信技術的射頻關鍵技術研究

宋剛

摘要：為了更好地應對移動數據流量的爆炸式增長，各種應用場景的不斷涌現以及海量設備需要連接這一新的發展形勢，5G移動通信技術自此應運而生。伴隨互聯網、物聯網向工業領域滲透以及制造業的轉型升級，預示著5G移動通信技術將擁有非常廣闊的發展前景。文章對5G移動通信技術的射頻關鍵技術進行了相應介紹及探究。

關鍵詞：5G移動通信技術；射頻關鍵技術；移動數據流量；海量設備；制造業 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN929 文章編號：1009-2374（2017）08-0017-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.008

2017年工信部將加快5G等重點頻率的規劃進度。具體內容是：年內提出5G在6GHz以下頻段規劃方案；做好5G技術試驗毫米波段用頻協調。根據計劃，中國移動等將在下半年開展6GHz以下頻段的外場試驗。中國電信也明確，到2018年實施6GHz以下頻段的5G規模技術試驗和試商用試驗。速度提高100倍、延遲降低50倍、密度提高10倍的5G網絡，將大幅提升移動通信的科技市場空間。由此可見，5G移動通信技術具有非常巨大的發展空間，但目前其尚處于發展階段，因此還需要面對諸多挑戰。文章主要就面向5G移動通信技術中的關鍵技術——同頻全雙工通信技術以及毫米波頻段移動通信技術展開相應介紹及探究。

1 同頻全雙工通信技術

1.1 同頻全雙工通信技術介紹

在5G通信中，同頻全雙工通信技術被稱為是最具潛力能夠進一步挖掘頻譜資源的技術，將促進無線頻譜資源利用走向新局面。與傳統的FDD或TDD雙工方式有所不同的是，同頻全雙工通信技術能夠實現同頻段同時收發。由此可見，與傳統的FDD或TDD雙工方式相比，在理論上同頻全雙工通信技術能夠實現對無線頻譜資源的雙倍利用。此外，對于無線網絡的物理層設計而言，同頻全雙工通信技術也具有較強的優勢。雖然同頻全雙工通信技術具有很多優點，但是同時也存在著一些問題。其中最主要的問題就是當同頻段首發同時進行的時候，將產生巨大的自干擾，產生的自干擾會將全雙工最核心的部分消除掉。此外，同頻全雙工通信技術另一個技術挑戰就在于如何支持MIMO系統，由于MIMO系統是多天線系統，因此要想消除同頻全雙工通信技術的自干擾，其復雜程度將會隨著MIMO系統天線數目的增加而劇增，最終使得系統在設計上面臨著極大的困難。

1.2 同頻全雙工自干擾抵消技術

對于同頻全雙工通信技術而言，同頻全雙工自干擾抵消技術有著至關重要的作用。針對同頻全雙工通信技術的自干擾問題，目前主要有數字域自干擾消除和模擬域自干擾消除兩種方法。數字域自干擾消除是通過ADC來采樣接收端的信號，然后在數字域中運用自干擾抵消算法進行抵消，也可以將抵消信號通過DAC轉化至模擬域，再通過附加的發射通道調制到射頻，從而實現自干擾的抵消。而模擬域自干擾消除則是利用射頻電路將自干擾信號的等幅反向信號合成出來，從而實現對自干擾信號的消除。通常情況下，對于極其復雜的抵消，模擬域是難以實現的，尤其是當多個自干擾路徑產生影響的時候，會導致自干擾通道響應不平坦，進而對抵消效果產生了限制效果。相比于模擬域自干擾消除，數字域自干擾消除則要靈活得多，但是卻容易受接收通道、自干擾通道、發射通道等多種因素的影響。因此盡管模擬域自干擾消除在射頻域上的自干擾抵消效果有限，但是其作用和地位卻無法動搖。首先，射頻域的抵消可以為同頻全雙工通信技術提供足夠高的接收與發射隔離，從而讓自干擾信號在進入接收機之前的強度約等于接受信號強度，如此就可以避免接收機出現飽和情況；其次，射頻域上的抵消并不會受到接收通道線性和非線性失真因素以及收發機本振相位噪聲等的影響；最后，射頻域上的抵消還能夠抵消發射機因非線性失真所帶來的非線性自干擾。

2 毫米波頻段移動通信技術

2.1 毫米波頻段移動通信技術介紹

5G移動通信技術的高網絡容量、高傳輸速率的實現都需要更多的頻譜資源的支撐才能夠實現。目前低頻譜以下的頻譜已經趨向飽和，因此使得低頻段頻譜資源變得日益稀缺。而與之相對應的是，高頻段卻有著相當豐富的頻譜資源，能夠使高速無線通信得以實現，完全能夠滿足5G移動通信技術在網絡容量、傳輸速率等方面的要求。伴隨射頻通信系統技術日漸成熟、微波毫米波集成電路的不斷發展，作為未來移動通信技術的主要技術之一，毫米波頻段移動通信技術將會成為5G移動通信主要趨勢。此外，如果結合大規模MIMO技術，毫米波頻段移動通信技術還能夠提供更佳的空間分辨率，進而使得頻譜利用效率得到進一步的提升。關于毫米波頻段移動通信技術，目前已經有多個國家以及研究機構對其開展了研究與驗證。比如據英國衛報報道，為面向未來5G無線上網，Google就在維珍銀河公司太空通道基地（新墨西哥州）建了數個無線收發裝置，秘密測試如何通過高空無人機來使28GHz頻段毫米波傳輸得以實現。

2.2 毫米波頻段移動通信系統方案

目前毫米波頻段移動通信系統并沒有一個設計標準，不論是國內還是國外，毫米波頻段移動通信系統的相關研究尚處于階段性的研究成果范圍內。2015年1月由科技部陳曉輝主導的項目——毫米波頻段移動通信系統關鍵技術研究與驗證，就是以5G移動通信技術為目標研究毫米波頻段移動通信系統。通信系統一般是由射頻子系統、基帶、數字處理以及其他輔助部分組成。本文毫米波頻段移動通信系統將按照性能要求相關指標（見表1）形成設計方案。毫米波前端陣列將是系統設計的主體，再搭配中頻子系統（3.75GHz），而其他部分將與通常的通信系統組成部分一樣，此外還額外設置了振模塊和電源系統。

在結構上，毫米波頻段移動通信系統由于需要對諸多問題予以考慮，因此還需要額外采取一定的措施，才能實現系統的更加優化。一方面，中頻子系統與毫米波頻段分離，因為毫米波前端中的無線網絡不論是設計還是實施都較為復雜，因此在對電路進行安裝的時候常常會遇到各種問題，此外這個階段的參數還非常敏感，必須處于相對而言較為穩定的環境之中。而且與其他頻段信號相比，毫米波頻段的波長要短得多，那么在對天線陣列進行架設的時候，毫米波頻段的天線陣列尺寸應當不大于中頻系統電路的尺寸，一旦將雙方同置于一個環境，那么就會對組陣不利；另一方面，毫米波前段天線要求一體化，當前已經不再適合接頭這種方式了，而為了提升毫米波頻段中的連接效果，因此在設計上可以采用基片集成波導接口互連這種形式，使毫米波前段天線實現一體化，進而提升天線的連接效果。

3 結語

伴隨著社會的進步、科技的發展，人們對移動通信技術的要求也越來越高。5G移動通信技術的出現不僅符合移動通信技術的發展規律，同時與4G移動通信技術相比，其在覆蓋性能、系統安全、傳輸延時、用戶體驗等諸多方面都有著顯著的提高。本文在對同頻全雙工通信技術以及毫米波頻段移動通信技術展開相應介紹及探究的同時，也對同頻全雙工自干擾抵消技術、毫米波頻段移動通信系統方案進行了深入分析，希望能借此對5G移動通信技術的開發與發展給予一定助益。

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（責任編輯：黃銀芳）