面向5G移動通信技術(shù)的射頻關(guān)鍵技術(shù)研究

宋剛

摘要：為了更好地應(yīng)對移動數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長，各種應(yīng)用場景的不斷涌現(xiàn)以及海量設(shè)備需要連接這一新的發(fā)展形勢，5G移動通信技術(shù)自此應(yīng)運(yùn)而生。伴隨互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)向工業(yè)領(lǐng)域滲透以及制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，預(yù)示著5G移動通信技術(shù)將擁有非常廣闊的發(fā)展前景。文章對5G移動通信技術(shù)的射頻關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)介紹及探究。

關(guān)鍵詞：5G移動通信技術(shù)；射頻關(guān)鍵技術(shù)；移動數(shù)據(jù)流量；海量設(shè)備；制造業(yè) 文獻(xiàn)標(biāo)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(diǎn)頻率的規(guī)劃進(jìn)度。具體內(nèi)容是：年內(nèi)提出5G在6GHz以下頻段規(guī)劃方案；做好5G技術(shù)試驗(yàn)毫米波段用頻協(xié)調(diào)。根據(jù)計(jì)劃，中國移動等將在下半年開展6GHz以下頻段的外場試驗(yàn)。中國電信也明確，到2018年實(shí)施6GHz以下頻段的5G規(guī)模技術(shù)試驗(yàn)和試商用試驗(yàn)。速度提高100倍、延遲降低50倍、密度提高10倍的5G網(wǎng)絡(luò)，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(shù)具有非常巨大的發(fā)展空間，但目前其尚處于發(fā)展階段，因此還需要面對諸多挑戰(zhàn)。文章主要就面向5G移動通信技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)——同頻全雙工通信技術(shù)以及毫米波頻段移動通信技術(shù)展開相應(yīng)介紹及探究。

1 同頻全雙工通信技術(shù)

1.1 同頻全雙工通信技術(shù)介紹

在5G通信中，同頻全雙工通信技術(shù)被稱為是最具潛力能夠進(jìn)一步挖掘頻譜資源的技術(shù)，將促進(jìn)無線頻譜資源利用走向新局面。與傳統(tǒng)的FDD或TDD雙工方式有所不同的是，同頻全雙工通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)同頻段同時(shí)收發(fā)。由此可見，與傳統(tǒng)的FDD或TDD雙工方式相比，在理論上同頻全雙工通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對無線頻譜資源的雙倍利用。此外，對于無線網(wǎng)絡(luò)的物理層設(shè)計(jì)而言，同頻全雙工通信技術(shù)也具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。雖然同頻全雙工通信技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也存在著一些問題。其中最主要的問題就是當(dāng)同頻段首發(fā)同時(shí)進(jìn)行的時(shí)候，將產(chǎn)生巨大的自干擾，產(chǎn)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(shù)另一個技術(shù)挑戰(zhàn)就在于如何支持MIMO系統(tǒng)，由于MIMO系統(tǒng)是多天線系統(tǒng)，因此要想消除同頻全雙工通信技術(shù)的自干擾，其復(fù)雜程度將會隨著MIMO系統(tǒng)天線數(shù)目的增加而劇增，最終使得系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上面臨著極大的困難。

1.2 同頻全雙工自干擾抵消技術(shù)

對于同頻全雙工通信技術(shù)而言，同頻全雙工自干擾抵消技術(shù)有著至關(guān)重要的作用。針對同頻全雙工通信技術(shù)的自干擾問題，目前主要有數(shù)字域自干擾消除和模擬域自干擾消除兩種方法。數(shù)字域自干擾消除是通過ADC來采樣接收端的信號，然后在數(shù)字域中運(yùn)用自干擾抵消算法進(jìn)行抵消，也可以將抵消信號通過DAC轉(zhuǎn)化至模擬域，再通過附加的發(fā)射通道調(diào)制到射頻，從而實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)對自干擾信號的消除。通常情況下，對于極其復(fù)雜的抵消，模擬域是難以實(shí)現(xiàn)的，尤其是當(dāng)多個自干擾路徑產(chǎn)生影響的時(shí)候，會導(dǎo)致自干擾通道響應(yīng)不平坦，進(jìn)而對抵消效果產(chǎn)生了限制效果。相比于模擬域自干擾消除，數(shù)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(fā)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(shù)提供足夠高的接收與發(fā)射隔離，從而讓自干擾信號在進(jìn)入接收機(jī)之前的強(qiáng)度約等于接受信號強(qiáng)度，如此就可以避免接收機(jī)出現(xiàn)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(fā)機(jī)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(fā)射機(jī)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(shù)

2.1 毫米波頻段移動通信技術(shù)介紹

5G移動通信技術(shù)的高網(wǎng)絡(luò)容量、高傳輸速率的實(shí)現(xiàn)都需要更多的頻譜資源的支撐才能夠?qū)崿F(xiàn)。目前低頻譜以下的頻譜已經(jīng)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(yīng)的是，高頻段卻有著相當(dāng)豐富的頻譜資源，能夠使高速無線通信得以實(shí)現(xiàn)，完全能夠滿足5G移動通信技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)容量、傳輸速率等方面的要求。伴隨射頻通信系統(tǒng)技術(shù)日漸成熟、微波毫米波集成電路的不斷發(fā)展，作為未來移動通信技術(shù)的主要技術(shù)之一，毫米波頻段移動通信技術(shù)將會成為5G移動通信主要趨勢。此外，如果結(jié)合大規(guī)模MIMO技術(shù)，毫米波頻段移動通信技術(shù)還能夠提供更佳的空間分辨率，進(jìn)而使得頻譜利用效率得到進(jìn)一步的提升。關(guān)于毫米波頻段移動通信技術(shù)，目前已經(jīng)有多個國家以及研究機(jī)構(gòu)對其開展了研究與驗(yàn)證。比如據(jù)英國衛(wèi)報(bào)報(bào)道，為面向未來5G無線上網(wǎng)，Google就在維珍銀河公司太空通道基地（新墨西哥州）建了數(shù)個無線收發(fā)裝置，秘密測試如何通過高空無人機(jī)來使28GHz頻段毫米波傳輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)。

2.2 毫米波頻段移動通信系統(tǒng)方案

目前毫米波頻段移動通信系統(tǒng)并沒有一個設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不論是國內(nèi)還是國外，毫米波頻段移動通信系統(tǒng)的相關(guān)研究尚處于階段性的研究成果范圍內(nèi)。2015年1月由科技部陳曉輝主導(dǎo)的項(xiàng)目——毫米波頻段移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與驗(yàn)證，就是以5G移動通信技術(shù)為目標(biāo)研究毫米波頻段移動通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)一般是由射頻子系統(tǒng)、基帶、數(shù)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(tǒng)將按照性能要求相關(guān)指標(biāo)（見表1）形成設(shè)計(jì)方案。毫米波前端陣列將是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主體，再搭配中頻子系統(tǒng)（3.75GHz），而其他部分將與通常的通信系統(tǒng)組成部分一樣，此外還額外設(shè)置了振模塊和電源系統(tǒng)。

在結(jié)構(gòu)上，毫米波頻段移動通信系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的更加優(yōu)化。一方面，中頻子系統(tǒng)與毫米波頻段分離，因?yàn)楹撩撞ㄇ岸酥械臒o線網(wǎng)絡(luò)不論是設(shè)計(jì)還是實(shí)施都較為復(fù)雜，因此在對電路進(jìn)行安裝的時(shí)候常常會遇到各種問題，此外這個階段的參數(shù)還非常敏感，必須處于相對而言較為穩(wěn)定的環(huán)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(jìn)行架設(shè)的時(shí)候，毫米波頻段的天線陣列尺寸應(yīng)當(dāng)不大于中頻系統(tǒng)電路的尺寸，一旦將雙方同置于一個環(huán)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(dāng)前已經(jīng)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(shè)計(jì)上可以采用基片集成波導(dǎo)接口互連這種形式，使毫米波前段天線實(shí)現(xiàn)一體化，進(jìn)而提升天線的連接效果。

3 結(jié)語

伴隨著社會的進(jìn)步、科技的發(fā)展，人們對移動通信技術(shù)的要求也越來越高。5G移動通信技術(shù)的出現(xiàn)不僅符合移動通信技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，同時(shí)與4G移動通信技術(shù)相比，其在覆蓋性能、系統(tǒng)安全、傳輸延時(shí)、用戶體驗(yàn)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(shù)以及毫米波頻段移動通信技術(shù)展開相應(yīng)介紹及探究的同時(shí)，也對同頻全雙工自干擾抵消技術(shù)、毫米波頻段移動通信系統(tǒng)方案進(jìn)行了深入分析，希望能借此對5G移動通信技術(shù)的開發(fā)與發(fā)展給予一定助益。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）