面向5G通信的射頻關鍵技術分析

黃顯強（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東廣州，510630）

面向5G通信的射頻關鍵技術分析

黃顯強
（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東廣州，510630）

目前2G通信技術基本已經停用，3G通信技術得到普遍應用，4G通信技術也已經得到廣泛推廣和使用，通信行業的研究焦點從4G通信技術迅速轉移到5G通信技術。本文結合5G通信技術的未來展望，分析了具有發展前景的大規模MIMO技術、毫米波頻段移動通信技術、同頻全雙工技術三項面向5G通信的射頻關鍵技術。

5G通信；射頻；關鍵技術；毫米波

1 5G通信技術的未來展望

5G是英文單詞縮寫，它的意思是移動電話系統第五代即第五代通信技術是第四代通信技術4G之后的延伸，目前各國對5G通信尚處在研究中還未有任何國家的任何通信公司的公開規格或者官方文件提到5G，各國也尚未正式出臺一個類似4G的具體標準。但是韓國、美國、歐盟和我國均在研發這種技術。截止到目前為止，有消息報道韓國已經成功研發5G通信技術，手機客戶端在使用該技術后無線下載速度可達到3.6G每秒。1G等于1024M,1M等于1024K，1KB代表一個字符的容量，每秒3.6G的概念是下載一部DVD格式標準的電影只需幾秒。韓國為這個技術命名為NOLA，韓國通信研究院專家稱NOLA將作為鋪設5G網絡的基礎技術，韓國的三星電子研究出的無線通信技術是目前最快的通信技術，三星電子宣布該公司研發的5G通信技術采用毫米波技術克服高頻段傳播難題，測試實驗在兩公里內每秒傳輸超過千兆字節數據，下載一部DVD標準規格的電影只需1秒，對第五代通信技術的研究成功取得突破性進展，據Gartner權威研究和分析機構預計，2020年家庭網絡市場將達到979億美元，韓國研發的第五代通信技術可幫助其在這一市場占領優勢。歐盟數字議程連接部門副主管也介紹稱也將計劃借助5GPPP的力量幫助歐盟步入5G研發階段預計將在2020年推出，并預計5G數據流量高峰大約在23年后出現。美國昨天也有消息稱5G通信技術將在美國兩個州進行試商用，國家政府將出資6億美元幫助研發5G通信技術，英國薩里大學科學家也發消息稱已經研發出最新最快的第五代通信技術，每秒可傳達1萬億字節數據相當于125GB，比4G快了6.5萬倍，下30部電影只需1秒。面對各國相繼發布的研究成果，中國的華為也不甘示弱，在2015年投資6億美元研究5G通信技術并在2016年11月17日的3GPP RAN187會議的5G短碼方案討論中，最終戰勝列強成為5G控制信道EMBB場景編碼最終方案。5G標準可由關鍵指標和一組關鍵技術共同定義。關鍵指標是指用戶體驗速率，一組5G的關鍵技術包括大規模天線，超密集組網，新型多址技術、全頻譜接入及新型網絡架構。圖1為安卓設計的有關5G高速度結構圖

圖1 5G安卓結構示意圖

2 面向5G通信的射頻關鍵技術分析

2.1 大規模MIMO技術分析

大規模MIMO技術又稱多天線技術，目前已經廣泛應用到各種無線通信系統中，比如WIFI、LTE等。從理論上來講，天線越多通信系統頻譜效率、傳輸速率和可靠性就越高，在大規模MIMO技術中需要在一個基站中配置大量的天線，這些天線可以由一些價格低廉低功耗的天線組件實現，為大規模MIMO技術降低成本。將數量龐大的天線配置在一個基站中的優勢是可進一步開發空間維度資源提高5G通信的頻譜效率，將通信波束集中在規劃范圍內以減少不同小區或地方的干擾， 大幅度降低通信發射功率，提高5G通信的功率效率，而且天線的數量越龐大通信的線性編碼、檢測越優。大規模MIMO技術的優勢為5G通信實現高頻段移動通信提供了廣闊前景，為5G數倍提升無線頻譜效率、增大網絡覆蓋面積、增大通信系統容量，并且能夠幫助通信運營商最大可能的利用已有站址及頻譜資源。圖2為我國中國移動、中國聯通和中國電信關于5G的LTE頻譜分配圖。

2.2.3 毫米波波長小的特性分析

天線的物理尺寸與波段的波長成正比，因毫米波波段的波長與傳統6GHz的頻段波長相比要小很多，故此毫米波頻段的物理天線比傳統6GHz的頻段物理天線可小很多，在未來的5G通信中若使用毫米波頻段技術可實現隨意配備移動手機上的毫米波天線陣列，換句話說即是在5G時代將實現發射端、接收端分別使用各種數量的發射天線和接受天線配置，從而提高通信質量。

2.2.4 節省成本和控制功耗的技術分析

5G通信的試商用的毫米波頻段收發機芯片若使用CMOS工藝不但可以實現數字模塊集成還可節約成本，CMOS工藝是指最

圖2 LTE頻譜分配圖

2.2 毫米波頻段移動通信技術分析

2.2.1 毫米波頻段移動通信技術概述

第五代通信技術運用毫米波技術的未來展望圖，隨著通信行業的快速發展，各國的低頻段頻譜資源利用已經處于瓶頸口，未來5G時代很難找到與之相對應的新頻段，而5G通信的特點是比4G更大的傳輸頻率，這就需要更大的傳輸帶寬，對射頻的各種器件要求勢必也會提高，面對這種難題毫米波頻段技術被提上來成為5G通信射頻關鍵技術之一。毫米波是指波長在毫米數量級的電磁波，它的波頻率大概在30GHz~300GHz之間。根據通信原理可知無線通信的最大信號5G帶寬約等于5%的載波頻率，故載波頻率與無線通信的最大信號帶寬成正比，在未來的5G通信中毫米波段的28GHz與60GHz頻段是最有希望使用的兩個頻段毫米波頻段的28GHz和60GHz頻段每個信道的可用頻譜帶寬分別可達1GHz和2GHz，相比已經使用的4G-LTE頻段最高載波頻率在2GHz左右，最高可用頻譜帶寬僅在100MHz來說，若未來5G通信射頻關鍵技術使用毫米波頻段，它的頻譜帶寬將會輕而易舉的翻上10倍，通信傳輸速率也將由此得到大量提升。換句話說，5G時代只要用戶不怕高流量消耗可用手機5G在線輕松看藍光品質電影。

2.2.2 衰減大繞射能力弱的特性分析

毫米頻波段技術在空氣中的衰減比較大，繞射能力相對也比較弱，也就是說若5G通信使用毫米頻波段技術通信信號會被各種抵擋物阻攔，連基本的穿墻都不太可能實現。但是我們也可利用毫米頻波段的這一特性，我的手機使用毫米頻波段技術毫米波信號衰減厲害，其它人的手機發射出的毫米波信號衰減同樣厲害，故此未來5G通信的毫米波頻段系統在研發時大可不必重點考慮信號干擾處理問題，只要相鄰兩個終端保持一定距離即可。在空氣中氧氣的共振頻率是60GHz，因此5G選擇60GHz的毫米波頻段完全可以避免相鄰終端之間的信號干擾。當然毫米波頻段技術的這一特性同時也注定其不適合在室外使用手機終端和在基站距離遠的場合使用。目前我國開發商對5G通信的毫米波頻段技術使用的規劃是在戶外開闊地帶使用傳統的6GHz以下的頻段以確保通信信號覆蓋率，在室內與微型基站結合使用以實現5G超高速數據傳輸。常用的集成電路制造工藝即半導體-氧化層-金屬堆疊形成的半導體器件工藝。毫米波頻段技術應用在5G通信中的收發機上要求CMOS器件可以在毫米波頻段上工作，這對CMOS器件的信號靈敏度要求很高。CMOS器件是通過控制端調整輸出流量的，若需要CMOS器件對毫米波的微弱信號做出快速反應就需要調大直流電流，相對的功耗的會較大。因此功耗與毫米波信號的強弱程度成正比，可根據毫米波信號強弱控制功耗。

2.3 同頻全雙工技術分析

同頻全雙工通信技術是指同時同頻的進行雙向通信技術，它可在相同的載波頻率上同時收發數據，從理論上來講比4G現有的技術提高一倍的頻譜效率，但是在無線通信系統中，網絡側、終端側有固定的信號自干擾會影響同頻全雙工技術在5G中的應用，因此需要引入天線獨立、射頻消除技術、數字消除技術等降低自干擾的影響能力到5G通信可接受的水平。就目前我國的技術條件來說尚無法實現同時同頻雙向通信，但是在未來隨著器件技術、信號處理技術的快速發展，同頻全雙工技術在5G時代將得到最大限度的應用。

3 結束語

各國5G通信技術扔處在研究實驗階段，目前還未出臺具體的5G通信技術標準，5G通信技術作為通信行業繼4G通信技術之后新一輪全球移動通信技術競爭的開端，我國對5G通信的研發也越來越重視。本文結合5G通信技術的未來展望，分析了具有發展前景的大規模MIMO技術、毫米波頻段移動通信技術、同頻全雙工技術三項面向5G通信的射頻關鍵技術。

[1]尤肖虎，潘志文，高西奇,曹淑,鄔賀銓.5G 移動通信發展趨勢與若干關鍵技術[J].中國科學,2014(5):550-553.

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[3]周代衛，王正也，周宇．5G 終端業務發展趨勢及技術挑戰［J］．電信網技術，2015(3) : 64- 68．

[4]李革.我國5G移動通信的關鍵技術與發展趨勢[J].科技創新，2016（1）：156-158.

Analysis of key technologies for 5G communication based on RF

Huang Xianqiang（Guangdong Telecom Planning & Design Institute Co., Ltd., Guangzhou Guangdong, 510630）

The current 2G communication technology has been disabled, 3G communication technology has been widely used, 4G communication technology has been widely promoted and used, the communications industry research focus from the 4G communication technology is rapidly transferred to the 5G communication technology. In this paper, based on the future prospect of 5G communication technology, three key technologies of 5G, which are the development of large-scale MIMO technology, millimeter wave band mobile communication technology and the same frequency full duplex technology, are analyzed.

5G communication；RF；Key technology；Millimeter wave