面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)研究

李文亮 王薇

摘要：本文結(jié)合5G通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)，對(duì)5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)，大規(guī)模MIMO技術(shù)、毫米波頻段通信技術(shù)和同頻全雙工技術(shù)進(jìn)行分析，研究了各通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：5G;移動(dòng)通信;射頻關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN929.5??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? 文章編號(hào)：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

移動(dòng)通信技術(shù)改革會(huì)帶動(dòng)移動(dòng)通信質(zhì)量的提升，同時(shí)會(huì)增加許多移動(dòng)通信的新功能。目前是我國(guó)移動(dòng)通信技術(shù)從4G時(shí)代朝5G時(shí)代發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，5G時(shí)代的到來(lái)必定會(huì)進(jìn)一步提高通信的質(zhì)量，改善系統(tǒng)的功能。自華為公司拿下5G標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)以來(lái)，我國(guó)移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)走在了世界前列。

1 5G通信技術(shù)概述

5G技術(shù)指的是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，是第四代移動(dòng)通信技術(shù)，即4G技術(shù)的延伸發(fā)展結(jié)果。各國(guó)早在幾年前已經(jīng)著手研究，尤以韓美歐美為先，我國(guó)華為公司也不甘示弱在2015年就投入了幾個(gè)億的美元對(duì)5G技術(shù)進(jìn)行研究，并已于2019年正式宣布研發(fā)成果，與此同時(shí)在我國(guó)部分地區(qū)已有所覆蓋5G信號(hào)，將5G通信技術(shù)應(yīng)用到手機(jī)客戶端之后平均無(wú)線下載速度將達(dá)到3.6G每秒。對(duì)于5G通信技術(shù)的研究和應(yīng)用應(yīng)以4G通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)入5G通信研究和應(yīng)用的新時(shí)期需要解決和關(guān)注的依舊是技術(shù)層面的問(wèn)題。本文主要對(duì)大規(guī)模MIMO技術(shù)、毫米波頻段移動(dòng)通信技術(shù)、同頻全雙工技術(shù)進(jìn)行分析研究。

2 面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)分析

大規(guī)模MIMO技術(shù)又叫做多天線技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了WiFi、LTE等無(wú)線通信系統(tǒng)中。多天線技術(shù)顧名思義就是指在該通信系統(tǒng)中有多條天線，從理論上講天線的增多會(huì)使得通信系統(tǒng)頻譜效率、傳輸效率以及安全可靠性等功能增強(qiáng)。該技術(shù)在5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究主要是在一個(gè)基站中設(shè)置大量天線，然后通過(guò)天線組件來(lái)為MIMO技術(shù)解決成本上的問(wèn)題。同時(shí)將大量天線配置在一個(gè)基站中也是為了提高5G通信的頻率利用效率，通過(guò)集中規(guī)劃和利用降低不同干擾信號(hào)的影響，降低通信發(fā)射功率而提高了5G通信的功率效率。大規(guī)模MIMO技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是可以為5G通信的高頻段移動(dòng)通信的首先提供技術(shù)支持，也可提高5G通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線頻率效率、增大信號(hào)的覆蓋面積，增大通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)容量等，同時(shí)可以為各大通信運(yùn)營(yíng)商合理分配已有站址和頻譜資源。

2.2 毫米波頻段移動(dòng)通信技術(shù)分析

2.2.1 毫米波頻段移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

毫米波頻段移動(dòng)通信技術(shù)也是為了5G通信系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用提供頻譜資源的，5G通信需要更多更發(fā)達(dá)的無(wú)線通信信號(hào)、更有效率的頻譜資源和更多容量的頻譜資源。為滿足5G通信技術(shù)發(fā)展需要，鑒于當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜資源已經(jīng)十分擁擠，市場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)擁堵的現(xiàn)象，為此采用毫米波頻段移動(dòng)通信技術(shù)可為5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)提供更多有價(jià)值的頻譜資源。關(guān)于該技術(shù)的應(yīng)用研究，早在2013年三星公司就利用該技術(shù)根據(jù)28GHz頻段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸，是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的重大突破。當(dāng)前在5G通信研究中雖然低頻段射頻系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)取得了一定成果，但是關(guān)于毫米波頻段移動(dòng)通信技術(shù)還需要更多的設(shè)計(jì)優(yōu)化和對(duì)于前端技術(shù)的研究分析，才能促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，提高頻譜資源的利用效率^[1]。

2.2.2 毫米波頻段移動(dòng)通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)毫米波頻段移動(dòng)通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先要解決的是移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，加強(qiáng)對(duì)毫米波頻段移動(dòng)通信的研究可實(shí)現(xiàn)對(duì)該技術(shù)通信系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。以工作頻段28GHz為例，設(shè)置通道帶寬是500MHz，通道的增益平坦度是3dB，雙工方式是TDD，通道數(shù)目為64，最大的發(fā)射功率是27dBm，發(fā)射功率控制范圍是30dB。其次以毫米波頻段移動(dòng)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由基帶、數(shù)字處理系統(tǒng)、射頻子系統(tǒng)和其他輔助部分構(gòu)成，根據(jù)5G移動(dòng)通信系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計(jì)要求，以毫米波前端陣列為主體，使用中頻子系統(tǒng)和其他部分一起組成完整的通信系統(tǒng)。想要實(shí)現(xiàn)毫米波頻段移動(dòng)通信系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)，首先要將毫米波頻段和中頻子系統(tǒng)分離開(kāi)來(lái)，因?yàn)楹撩撞ㄇ岸酥袩o(wú)線網(wǎng)路設(shè)計(jì)與實(shí)施難度較大在進(jìn)行電路設(shè)置時(shí)會(huì)遇到復(fù)雜的問(wèn)題，加上該階段參數(shù)敏感，毫米波頻段波長(zhǎng)比其他頻段信號(hào)波長(zhǎng)要短很多，所以在架設(shè)天線陣列時(shí)應(yīng)該比中頻系統(tǒng)電路尺寸小。此外應(yīng)實(shí)現(xiàn)前端天線一體化設(shè)計(jì)，采用基片集成波導(dǎo)接口互連方式可實(shí)現(xiàn)毫米波前端天線的一體化發(fā)展，從而提高天線連接的效果。

2.3 同頻全雙工技術(shù)分析

同頻全雙工技術(shù)的主要作用是為挖掘更多頻譜資源提供技術(shù)支持，從而為5G通信技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展提供更多有用的頻譜資源。傳統(tǒng)頻譜資源挖掘方式采用的是TDD或FDD雙工技術(shù)方法，但是不能滿足5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。這是因?yàn)?G移動(dòng)通信是對(duì)過(guò)去無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善，也是為了滿足人們對(duì)數(shù)據(jù)信息需求的需求，解決網(wǎng)絡(luò)擁堵的問(wèn)題。為此在5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中可采用同頻全雙工通信技術(shù)，該技術(shù)不僅挖掘出更多有價(jià)值的頻譜資源而且還能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩瑵M足人們對(duì)信息數(shù)據(jù)的需要。該技術(shù)具體應(yīng)用流程是，利用同頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)收取和發(fā)動(dòng)，能有效提高無(wú)線頻譜資源的利用率，加快無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的速度，同時(shí)還可發(fā)揮移動(dòng)通信系統(tǒng)的作用。當(dāng)前該技術(shù)在應(yīng)用中主要存在的問(wèn)題是在啟用同頻段進(jìn)行接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，由于存在較多干擾，加上自身也存在干擾因素，所以無(wú)法充分發(fā)揮該技術(shù)的作用。因此必須加大對(duì)抗干擾技術(shù)的研究，或采用天線抵消技術(shù)、數(shù)字域自干擾抵消技術(shù)等來(lái)提高同頻全雙工技術(shù)的應(yīng)用效果^[2]。

關(guān)于同頻全雙工自干擾抵消技術(shù)的研究，主要介紹模擬域自干擾抵消技術(shù)和數(shù)字域自干擾消除技術(shù)。其中模擬域自干擾抵消技術(shù)，基本原理是利用在射頻電路上生成和同頻全雙工通信技術(shù)自干擾信號(hào)相反的信號(hào)來(lái)對(duì)自干擾信號(hào)進(jìn)行消除。模擬域自干擾抵消技術(shù)一般在應(yīng)對(duì)復(fù)雜的干擾信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)滯后或者無(wú)法及時(shí)抵消的問(wèn)題，尤其在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)使用多個(gè)同頻全雙工收發(fā)設(shè)備時(shí)因?yàn)樾盘?hào)的收發(fā)頻繁，因此產(chǎn)生的干擾信號(hào)也非常多而且會(huì)通過(guò)不同的路徑進(jìn)行干擾，采用模擬域自干擾抵消技術(shù)無(wú)法取得理想的應(yīng)對(duì)效果。數(shù)字域自干擾抵消技術(shù)，其基本原理是利用ADC對(duì)同頻全雙工收發(fā)設(shè)備接收端信號(hào)產(chǎn)生的干擾進(jìn)行消除，配合數(shù)字域干擾消除算法計(jì)算，可消除采樣干擾信號(hào)。或者將要消除的信號(hào)傳入到模擬域中，利用模擬域的干擾消除技術(shù)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行消除。數(shù)字域自干擾消除技術(shù)更加靈活，能從多個(gè)角度對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分析并有效消除，但是也會(huì)受到發(fā)射通道和自干擾通信的影響，數(shù)字域干擾消除技術(shù)目前也不能抵消在發(fā)射通道和自干擾通道影響下的干擾信號(hào)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，進(jìn)入2020年，全國(guó)5G通信技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段，5G移動(dòng)通信的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)入了新階段。作為對(duì)4G通信技術(shù)的發(fā)展延伸，我國(guó)也越來(lái)越重視5G技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，隨著2019年華為公司正式發(fā)布5G移動(dòng)通信應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，我國(guó)正式開(kāi)啟5G時(shí)代，并在多個(gè)區(qū)域進(jìn)行了5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的建設(shè)覆蓋。

參考文獻(xiàn)

[1]尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2014（5）：551-563.

[2]李革.我國(guó)5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)[J].科技傳播，2016（1）：157-158.

收稿日期：2020-03-03作者簡(jiǎn)介：李文亮（1981—），男，滿族，天津人，碩士研究生，助理通信工程師，研究方向：通信工程項(xiàng)目管理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化維護(hù)。

Research on Key RF Technologies for 5G Communication

LI Wen-liang， WANG Wei

（China Mobile Communications Group Tianjin Co.， Ltd.， Tianjin 300020）

Abstract：This paper combines the development status and characteristics of 5G communication technology， for the key RF technologies of 5G communication， Large scale MIMO technology， millimeter wave communication technology and full duplex technology are analyzed， the advantages disadvantages and optimization of each communication technology are studied.

Key words： 5G; mobile communication; RF key technology