5G高頻段技術研發與試驗

鐘科，鄭毅，劉建軍，王啟星，劉光毅，楊光

（中國移動通信研究院，北京 100053）

5G高頻段技術研發與試驗

鐘科，鄭毅，劉建軍，王啟星，劉光毅，楊光

（中國移動通信研究院，北京 100053）

首先對5G高頻通信的背景進行了簡單回顧和梳理，其次針對5G高頻段關鍵技術難點進行了深入的研究，最后對5G高頻段目前的試驗現狀及測試結果進行了詳細的分析。

高頻段通信 數模混合波束賦形 波束跟蹤 相位噪聲 高頻段試驗

1 引言

從模擬通信一直到2G/3G/4G，通信頻率都聚焦在3 GHz以內的低頻率[1]，因為低頻率的覆蓋和穿透性能好。但低頻段的可用頻譜資源非常有限，從2G到4G，業界不斷通過技術創新來提高低頻段的頻譜效率。到了5G時代，由于對峰值速率和小區容量的極致追求，僅僅通過提高頻譜效率已經無法滿足5G的需求[2]。因此，5G網絡建設的關鍵思路就是高低頻協調發展，即在低頻的基礎上，額外使用更高的頻段和更大的帶寬來滿足下一代寬帶移動通信的要求。5G的低頻系統通常是指部署在6 GHz以下的系統，在中國目前確定為3.5 GHz或4.8 GHz左右。而5G的高頻系統通常是指部署在6 GHz以上的系統，目前國內可能的高頻頻譜范圍重點關注的是24.25 GHz—27.5 GHz和37 GHz—42.5 GHz的毫米波頻段[3]。

為了滿足5G的關鍵性能指標（峰值速率，體驗速率，低時延等八項關鍵能力），需要使用更大范圍的頻譜資源，協調使用低頻和高頻頻譜。5G可以使用比4G更加廣泛的頻譜資源，包括6 GHz以下的低頻以及6 GHz—100 GHz的高頻都是可以被考慮的頻譜。此外，根據業務需求進行推算，考慮到現有分配頻譜，5G還需要1 GHz以上的新增頻譜來滿足未來業務發展的需求。因此，在低頻段和高頻段都需要開發新的頻譜資源。

基于5G的關鍵性能指標，可以大致估算出5G的頻譜需求。以5G的eMBB（增強移動寬帶）場景為例，在6 GHz以下低頻段約需要1 GHz的頻譜，而在高頻的室外熱點微站和室內熱點需要大約14 GHz—20 GHz的總帶寬。可以看出，5G對頻譜資源，尤其是高頻資源的需求是非常巨大的。從這個意義上來說，5G的發展在很大程度上依賴于可用的頻譜資源。因此，高頻段通信將成為5G發展的關鍵點及決勝點。

然而，將高頻段應用到5G移動通信系統尚存在諸多挑戰，如高頻段無線信號具有較高的傳輸損耗，易受建筑、人、植物，甚至是雨滴等障礙物的遮擋，以及高的相位噪聲，高頻信道模型尚未確定，高頻器件不成熟等諸多難題尚未解決。此外，針對高頻段未知關鍵技術，方案和場景的試驗驗證對于高頻段能否成功商用起到了決定性的作用。

2 5G高頻段技術的研發

2.1 基于波束的高頻段傳輸方式

由于高頻載波波長較小，因此天線尺寸也較小。目前，在高頻通信中通常采用高增益、窄波束天線技術。通過高增益陣列天線以基于波束的傳播方式來克服高頻通信覆蓋差這一弱點[4]，如圖1所示：

圖1 高頻段基于波束賦形的傳播方式

同時，更大規模陣列天線使得高頻網絡覆蓋波束會非常窄，與低頻網絡相比，高頻需要能夠更好地對準用戶，這就涉及到波束的選取與跟蹤的問題。當用戶受到遮擋，則需要考慮波束的切換與恢復的問題。下文對高頻通信中特有的數模混合波束賦形和波束跟蹤進行研究。

（1）數模混合波束賦形

傳統的MIMO系統，通常僅使用射頻端全模擬的波束賦形方式或僅在基帶使用全數字的波束賦形方式。利用大規模MIMO（天線數為上百個甚至數百上千個）可以同時獲得空間復用增益和天線陣列增益。如果使用傳統MIMO系統波束賦形的天線陣列架構，即每個天線陣子都需要連接一個射頻鏈路，那么對于大規模MIMO系統來說，整個電路的硬件規模、功耗以及成本將隨著天線陣子數的增加而急劇增加，而這對于高頻毫米波的大規模MIMO系統來說是不可接受的。為了解決這個問題，對一種射頻鏈路比天線陣子數少的混合波束賦形架構進行研究。

大規模MIMO的大天線陣列所帶來的高波束增益可以有效補償高頻段毫米波的大路損，提高鏈路預算[5]。如果僅需傳輸1個流/單用戶，僅由全模擬波束賦形技術就可以實現，其實現僅需通過控制與天線陣子相連的移相器來調整波束的方向。然而，除了所支持流數/用戶數的限制外，全模擬波束賦形在幅度的調整上也受到限制。因此，當在高頻段需要進行多流/多用戶傳輸以及靈活進行幅度的控制時，就需要利用到上述混合波束賦形的架構，其在射頻端進行模擬波束賦形，同時在數字域進行數字波束賦形，而數字鏈路的數量比天線陣子和射頻鏈路的數量少很多，同時射頻鏈路也比天線陣子數少很多。這樣就可以在帶來空間復用增益的同時，保持合理的功耗和成本。

混合波束賦形通常包含由移相器組成的射頻預編碼部分和數字基帶預編碼部分，根據射頻鏈路與天線陣子的連接方式，通常有兩種混合波束賦形結構，即全連接方式和部分連接方式。全連接方式即每一射頻鏈路都與所有的天線陣子相連接，而部分連接方式指的是每一射頻鏈路僅與部分天線陣子相連接。全連接方式雖然控制靈活，但其復雜度非常高，不易實現。因此，目前高頻樣機通常采用部分連接的結構，在復雜度和性能上達到一個較好的折中，部分連接的混合波束賦形結構如圖2所示。

（2）波束跟蹤

高頻由于頻點高，傳輸信道損耗較大，需要利用波束賦形技術，將發射能量對準目標用戶，來克服傳播損耗，從而提高目標用戶的解調信噪比，提高用戶傳輸速率以及小區的覆蓋范圍。利用上述數模混合波束賦形的架構往往形成較窄的波束，在用戶入網或發生小區間切換時需要選擇波束。當用戶發生移動或旋轉時，需要調整波束，達到繼續跟蹤用戶的目的。此外，當用戶所處客觀環境發生變化時，如發生阻擋時，需要挑選更加合適的波束供用戶使用。因此，波束跟蹤功能是高頻通信的重要特性，如圖3所示：

圖2 高頻段混合波束賦形架構示意圖

圖3 高頻段波束跟蹤示意圖

對兩種波束跟蹤的控制方法進行研究：第一種方法是對于小區中每個目標用戶采用非預設碼本的波束進行跟蹤（non-codebook based）；第二種方法是從預設碼本的波束集合中為每個用戶選取合適波束（codebook based）。

第一種方法為每個用戶提供實時的波束賦形，需要實時測量用戶信道變化情況，利用高頻信道矢量進行波束賦形。通常這種方案都是利用TDD的信道互易性，獲取信道特征。基站根據上行信道，經過復雜的數字信號處理，得到下行的權值。

第二種方法可以在預先定義的窄波束集合中，選擇發射能量強的窄波束作為賦形波束。在高頻通信中，通常需要為這種波束掃描過程定義特定參考信號，即波束跟蹤參考信號，終端側通過測量波束跟蹤參考信號能量從而進行波束跟蹤過程。波束跟蹤導頻設計，需要權衡波束跟蹤速度以及導頻開銷。

第二種波束跟蹤方法除了需要進行測量外，還需要根據波束測量結果進行決策，必要時進行波束切換。而這種波束跟蹤過程按照波束是否在同一小區可分為小區內的波束跟蹤以及小區間的波束跟蹤。對于小區內的波束跟蹤，因為希望波束跟蹤過程要快，所以考慮在協議棧較低層來實現——在物理層進行測量，在媒體接入層進行決策以及切換。對于小區間波束跟蹤，則需要高層介入、進行決策以及執行小區間波束跟蹤。

對于波束跟蹤過程，也可以采用多級跟蹤方法，如首先進行較大范圍較寬波束跟蹤，然后在較寬波束基礎上，進行位于較寬波束內較窄波束跟蹤過程，從而提高跟蹤速度。此外，對于波束跟蹤過程，不同信道有可能采用不同波束，分別進行波束跟蹤過程。

2.2 高頻段相位噪聲

（1）相位噪聲的產生與影響

頻率源內部的隨機性白噪聲、閃爍噪聲等造成的頻率源輸出值的隨機波動稱為相位噪聲[6]。在現實環境中，相位噪聲在頻率源的輸出過程中不可避免，而高頻段的相位噪聲問題非常突出。與小于6 GHz的低頻段通信系統相比，6 GHz—100 GHz高頻段通信系統由于參考時鐘源的倍頻次數大幅增加以及器件工藝水平和功耗等原因，使得相位噪聲也相應大幅增加。相位噪聲會惡化收端SNR或EVM，造成大量誤碼，從而直接限制高階星座調制的使用，嚴重影響系統容量[7]。相位噪聲對單載波系統的影響如圖4所示，相位噪聲對OFDM的影響如圖5所示。

圖4 相位噪聲對單載波系統的影響

圖5 相位噪聲對OFDM的影響

對相位噪聲的產生及其影響進行分析研究。通常，有用信號與本振信號在時域相乘，進行上下變頻，上下變頻示意圖如圖6所示：

圖6 上下變頻示意圖

上述時域相乘的過程對應頻域相卷積，基帶信號與理想本振信號頻域卷積的示意圖如圖7所示。

圖7 基帶信號與理想本振信號頻域卷積示意圖

實際的本振信號相位受噪聲的影響，其頻譜會具有一定的帶寬，基帶信號與實際本振信號頻域卷積示意圖如圖8所示。

圖8 基帶信號與實際本振信號頻域卷積示意圖

本振信號的產生如圖9所示，主要是由參考時鐘源倍頻得到[8]。倍頻電路通常由鎖相環實現，其作用是把參考時鐘源的頻率變換成所需本振信號的頻率。當鎖相環處于鎖定狀態時，所需本振信號的頻率約等于參考時鐘源的頻率乘以倍頻次數N。

圖9 本振信號的產生

除了器件工藝水平和功耗等影響因素外，所需本振信號的相位噪聲也與參考時鐘源的相位噪聲近似地以N為倍數成正比。因此，相位噪聲對于高頻段通信的影響也比低頻段通信大很多，因為高低頻段的倍頻次數相差非常大。例如，如果所需的本振信號頻率為30 GHz，則其相位噪聲比3 GHz的相位噪聲近似大10倍，如圖10所示。

（2）相位噪聲主要應對方式

提出4種高頻段相位噪聲的可能應對方法：

圖10 3 GHz和30 GHz頻段相位噪聲對比

1）引入相位噪聲補償參考信號及估計補償算法

該方法即在高頻段發送端專門引入相位跟蹤參考信號（Phase-Tracking Reference Signal，PTRS)，然后在接收端使用PTRS來估計和補償相位噪聲。從2016年5G標準化開始便提出高頻段需要引入專門的PTRS，在此領域已提交大量的標準化文稿，并且也申請了相關專利。目前3GPP關于PTRS的設計主要包括時頻域密度及圖案配置，上下行不同波形（即OFDM和DFT-s-OFDM）分開設計，多端口的復用，與其它RS的共存和準同位（Quasi Co-Location，QCL）等。

2）增大載波間隔：降低由相噪引起的ICI或ISI

該方法也是高頻段系統設計中用來對抗相位噪聲和高多普勒頻偏的方式之一。相位噪聲會造成ICI和ISI，當增大了載波間隔，會降低ICI和ISI，減少相噪的影響。目前高頻段可能的載波間隔為60 kHz、120 kHz、240 kHz，比目前LTE的15 kHz載波間隔大很多。

3）限制調制階數：調制階數越高，相噪對其影響越嚴重

該方法和方法2一樣，也是一種被動地對抗相位噪聲的方式。因為調制階數越高，對相位的偏差越敏感，同時由于高頻段有很大的可用帶寬，因此高頻段頻譜效率并不是首先需要保證的指標。因此合理地控制高頻段的調制階數，可以有效地降低收發端的處理復雜度和對器件的指標要求，而大帶寬可以有效地保證高頻段所需的高吞吐量。

4）提升本振器件質量，降低相噪

該方法是通過提高成本，提升工藝和增加功耗體積為代價，來降低相位噪聲的大小。例如，目前高頻段不同的制造工藝如CMOS、GaAs、SiGe和GaN的成本和功耗不同，所產生的相噪大小也不相同。考慮到成本的限制，可以在用戶端采用成本較低的基于CMOS的設計，而在基站端可以采用成本較高的基于GaAs或GaN的設計來降低相噪水平。

2.3 高頻段系統設計

其它高頻段設計的關鍵問題包括所采用的波形、幀結構、參數集（numerology）、大帶寬以及高低頻融合組網/雙連接等。

為了保證系統設計的一致性，對于6 GHz—40 GHz的載波頻率，與小于6 GHz載波頻率一樣可以統一使用OFDM的波形設計。而對于大于40 GHz的載波頻率，相位噪聲和多普勒頻移等問題非常突出，考慮到單載波波形比多載波波形對相位噪聲的影響要小，可以使用單載波波形的設計來減小相位噪聲和多普勒頻移的影響。

高頻段幀結構和參數集的設計主要與子載波間隔和高頻的直射傳播相關，即高頻段大子載波間隔（60 kHz、120 kHz及240 kHz）將使得符號長度和幀長度變短，而高頻的波束賦形傳播方式加上直射的傳播路徑使得高頻段的時延擴展比低頻段小，可能會使得CP的長度等設計發生變化。

高頻段有大量可用的連續帶寬，單個載波的最大帶寬在3GPP中目前被規定為400 MHz，通過載波聚合等技術可達到GHz的帶寬。相比于4G中單個載波的最大帶寬為20 MHz，高頻段可能需要進行關于大帶寬的系統設計。

高頻段系統設計的主要問題是考慮高低頻融合組網/雙連接的問題。通常來說，低頻頻率用于保證覆蓋的連續性以及支持高速移動下的通信，而高頻頻率用于提供熱點地區極致的用戶速率和容量。在高頻信號受到遮擋的情況下在4G和5G連接信號之間進行智能切換，減少移動終端用戶因毫米波信號質量不佳而造成的用戶體驗下降。因此在5G建網初期，不可避免地會涉及到4G低頻和5G高頻之間，以及5G低頻和5G高頻之間的高低頻融合組網/雙連接問題。這樣可以使得4G到5G之間可以平滑過渡，又不造成已有4G資源浪費以及避免5G初期獨立組網所帶來的覆蓋問題。

2.4 高頻段其它關鍵問題

高頻技術應用首先面臨的問題是缺少對高頻信道模型的深入研究[9]。從2014年到現在學術界以及產業界都在組織力量進行高頻信道模型的探索工作。從2014年開始，中國移動通信研究院基于自有和與儀表廠商合作開發的專用信道測量設備對高頻信道模型進行研究并進行了大量的測試驗證工作，成為第一波擁有實際測試數據和文稿輸出的公司。測試結果和國內外的公司和高校進行交流和融合，成果也以聯合文稿的形式的推入3GPP和ITU，對推動高頻信道模型的形成做出了貢獻。提出的典型城市微小區和室內多個頻點（3.5 GHz—28 GHz）的數據已被包括在3GPP和ITU的標準中。

3GPP于2015年啟動高頻信道模型的研究工作，基于城市宏蜂窩（包含室外覆蓋室內）、微蜂窩（包含室外覆蓋室內）、室內辦公室這三種典型部署場景，建立了高頻信號的傳播模型以及快衰落模型，形成了TR38.900和TR38.901兩個模型規范。討論中，3GPP還對已有的3D MIMO信道模型TR36.873進行了擴展，引入了室內和郊區模型。高頻信道模型除了基本的大尺度衰落模型以及快衰模型，還考慮了高頻傳播特有的超大帶寬特性、遮擋特性、空間一致性、多頻點的相關性。其中，遮擋特性是為了模擬由于移動物體的遮擋導致空間信號傳播的變化；而空間一致性是為了服務于高頻波束搜索和波束跟蹤技術的性能評估。值得一提的是，3GPP的信道模型中還對室外覆蓋室內的穿透損耗進行了建模，該模型包含了建筑中通常采用的保溫玻璃（鍍膜）的穿透特性。在該模型下，30 GHz室外覆蓋室內將面臨約37 dB的損耗。這也將導致高頻室外覆蓋室內將面臨巨大的挑戰，進而影響到5G的部署策略以及站型的規劃。high loss和low loss穿透損損耗模型如圖11所示。

圖11 高損耗和低損耗穿透損耗模型

高頻的頻譜分配一直都是產業關心的內容。國際上備受推崇的28 GHz在WRC-15大會上并沒有被列入5G候選頻譜，而國內近期也發布了基于WRC-15大會結論的高頻候選頻譜24.75 GHz—27.5 GHz、37 GHz—42.5 GHz的意見征集。很多射頻器件與具體的頻點是強相關的，比如功放、濾波器、升/降頻模塊的設計等。具體的候選頻譜沒有確定，器件廠家就很難投入研發與生產，也將導致整機產品的滯后。

高頻產品的器件一直被認為是高頻應用的一大挑戰[10]。高頻功率放大器的輸出功率、功率效率將影響實際產品的輸出功率、覆蓋范圍以及耗電。如果需要采用小功率的功放，則可能需要在基站的每個天線陣子背后采用一個功放，這將影響產品射頻部分的設計。ADC和DAC采樣速率在很大程度上取決于系統帶寬，高速的轉化器價格昂貴，減少轉換器的數目將影響數字通道的個數，從而要求基站采用非全數字的賦形方式，即基于模擬的波束賦形。而模擬波束賦形的性能在很大程度上也將依賴于高速移相器的指標。上述這些不同，都將使得5G基站和終端產品與4G低頻的產品有顯著的不同。

3 5G高頻段技術試驗

原型樣機的開發和測試對于方案驗證、產品實現能力、未來部署方式都有很好的驗證和借鑒意義，特別是對于5G高頻這種在技術方案以及硬件實現上都存在較大可拓展空間的情況。截止到目前為止包含國內外的多家公司皆提供了不同頻點的樣機進行室內和室外的測試。針對高頻部署主要關心的問題包括：高頻的覆蓋能力、遮擋損耗、波束搜索和跟蹤能力、多用戶和多流的傳輸能力等。這里以兩個頻點室內和室外測試場景為例，說明高頻外場試驗的進展。

室內場景采用28 GHz樣機進行室內傳輸速率以及覆蓋性能的測試。28 GHz樣機采用相控陣天線，波束賦形主要基于相控陣的模擬波束賦型的方案。終端側采用較少陣子數的天線陣列。數據傳輸時，需要基站和終端的波束進行對準。

28 GHz樣機在室內直射的覆蓋情況下，可以獲得3.66 Gb/s的傳輸速率。在室內非直射的情況下，基站可以利用墻面或者玻璃的反射，依然可以獲取20 dB～30 dB的SNR，并獲取較高的傳輸速率。本次測試的樣機以單用戶MIMO為主，后續的樣機將引入多用戶MIMO傳輸。

為了能夠獲取最好的波束，樣機支持波束掃描和切換功能，能夠保證波束切換前后保持RSRP變化在3 dB以內，并進一步保證用戶速率不會因為位置變化而降低。室內受場景的限制，最大拉遠距離為35 m，此時速率可以維持在1 Gb/s左右。非直射情況下，室內依然可以覆蓋到最遠的35 m。通過樣機的測試還獲取了室內不同材料的穿透損耗，例如，植被、人體的遮擋損耗等，具體如表1和表2所示。穿透損耗的測試為后續網絡規劃以及對抗信道的非理想性提供了有效的數據參考。

表1 28 GHz不同材質的穿透損耗

表2 28 GHz植被和人體的遮擋損耗

室外場景以15 GHz樣機為例，該樣機基站側采用4 panel發送，共512個陣子，終端采用4個方向的全向天線，基站最高支持256QAM的傳輸方式，并且最多可以支持8流傳輸。室外好點可以支持11.4 Gb/s的傳輸速率，并在部分時間達到4流的傳輸方式。

在室外直射和非直射的場景下，該樣機可以最遠覆蓋350 m左右。在直射的情況下，依然可以維持用戶約190 Mb/s的傳輸速率，但是在該位置非直射的情況下，用戶速率較低。為保證用戶業務的連續傳輸，基站會根據用戶的位置更新下行波束。

該樣機的外場測試驗證了高頻（15 GHz）室外的覆蓋能力。同時，利用基站和終端的天線極化和隔離度，可以在空間中依然采用4流的傳輸方式，這為后續高頻能否使用多流傳輸提供了參考。同時，在測試中也驗證了利用2個波束分別覆蓋不同用戶的多用戶MIMO的傳輸方案。而通過波束的切換，能夠保證用戶在室外移動的情況下也能夠始終保持與基站的連接。而樣機中對于高階調制的使用，進一步驗證了高頻段的相位噪聲，頻偏等基本上都可以通過良好的器件指標以及相應參考符號的引入進行克服。

基于樣機的外場測試，可以獲得不同建筑物的穿透損耗、人體等其他物體在高頻的遮擋損耗，這都將為高頻的覆蓋以及對抗非理想特性提供參考。通過樣機室內室外的測試，可以了解基于當前功率假設下，單小區的覆蓋范圍。而多流傳輸的測試，更是為后續高頻能否使用高rank傳輸提供了驗證。

4 結束語

文章首先對高頻段通信的背景做了簡要介紹，闡明了5G中高頻段通信的重要性。其次，對5G高頻段技術中的波束賦形和相位噪聲問題進行了重點研究分析，包括高頻段主要使用的數模混合波束賦形和波束跟蹤，以及相位噪聲的產生和應對方式。隨后，對高頻系統中的其它重要問題，比如所采用的波形、幀結構、參數集、大帶寬以及高低頻融合組網/雙連接等進行了簡要分析研究。再者，對高頻信道模型、頻譜分配以及器件現狀做了分析介紹。最后，在高頻樣機的室內外測試中，充分驗證了高頻在室內外的覆蓋能力，高頻非視線傳輸方式，多流的傳輸能力，波束搜索和跟蹤能力，這些技術驗證解答了高頻實際部署的可行性，并且為后續的技術研究提供了更多的參考。

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Technology Research and Trial for 5G High-Frequency Systems

ZHONG Ke, ZHENG Yi, LIU Jianjun, WANG Qixing, LIU Guangyi, YANG Guang
(China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China)

First, the background of 5G high-frequency communications were reviewed and addressed. Then, key technical difficulties of 5G high frequency were investigated. Finally, the trial status and test results of 5G high frequency at present were analyzed in depth.

high-frequency communications digital-analog hybrid beamforming beam tracking phase noise high-frequency trial

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.18.008

TN929.5

A

1006-1010(2017)18-0040-08

鐘科,鄭毅,劉建軍,等. 5G高頻段技術研發與試驗[J]. 移動通信, 2017,41(18): 40-47.

2017-06-22

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

鐘科：工程師，博士畢業于電子科技大學，現任職于中國移動通信研究院，工作內容為移動通信系統的物理層設計、標準化研究以及樣機開發和試驗，研究方向為信號處理、通信系統設計和機器學習。

鄭毅：工程師，碩士畢業于北京郵電大學，現任職于中國移動通信研究院，主要從事物理層相關的研究工作，研究方向為5G高頻技術、高頻信道模型、MIMO等。

劉建軍：高級工程師，博士畢業于中科院研究生院，現任職于中國移動通信研究院，主要從事移動通信無線物理層研究工作，研究方向為LTE演進技術與標準、5G新技術研究與產業推進等。