5G 通信射頻關(guān)鍵技術(shù)探究

謝在標(biāo)

（中郵科通信技術(shù)股份有限公司，福建 福州 350005）

0 引 言

5G通信系統(tǒng)是面向未來的一種全新通信系統(tǒng)，在發(fā)展過程中要實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速度，解決多場景靈活應(yīng)用、海量連接設(shè)備等多種問題。作為5G通信技術(shù)最核心的射頻技術(shù)，應(yīng)用和研究水平會(huì)對5G系統(tǒng)發(fā)展質(zhì)量產(chǎn)生直接影響[1]。因此，對5G通信射頻技術(shù)展開探究，希望能夠?yàn)橥苿?dòng)5G通信系統(tǒng)的快速發(fā)展提供借鑒。

現(xiàn)在開發(fā)5G射頻技術(shù)主要是利用空中接口的形式。5G網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)在毫米波信道中傳輸，通過有效控制信號(hào)，讓信號(hào)從傳輸速度相對較慢的3G路由器中通過。未來，毫米波頻將會(huì)成為5G射頻技術(shù)的發(fā)展趨勢，盡管多數(shù)時(shí)候會(huì)產(chǎn)生巨量信息吞吐問題，可是應(yīng)用價(jià)值依然較高。從1G到4G，所有動(dòng)力都依靠提升頻譜效率來獲得。5G以后，研發(fā)焦點(diǎn)放在不同頻譜技術(shù)的充分融合上[2]，為用戶提供系統(tǒng)化的網(wǎng)絡(luò)管理界面，并將頻譜技術(shù)應(yīng)用到單個(gè)流程中。在此過程中將會(huì)遇到各種各樣的問題，是以后亟待解決的重要問題。

5G通信系統(tǒng)尚處在研發(fā)階段，現(xiàn)在5G主要面對的關(guān)鍵技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和射頻傳輸技術(shù)，可以分成以下幾個(gè)方面。

1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模MIMO技術(shù)是指在5G通信系統(tǒng)中采用一定規(guī)模的天線陣列。通過多天線系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多信號(hào)傳播路徑，從而確保空間復(fù)用，有效提升系統(tǒng)射頻效率和可靠性。利用大規(guī)模的天線陣列實(shí)現(xiàn)多用戶波束智能賦型，并提升波束本身的定向性，將明顯提升空間分辨率。可以充分挖掘空間的維度資源，顯著提升頻譜效率。波束非常集中，可以降低對其他用戶的干擾，同時(shí)降低發(fā)射功率，有效提升功率效率。但是，天線數(shù)目和射頻通道的快速增加，為射頻系統(tǒng)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)和設(shè)計(jì)難度，尤其在射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上[3]。

2 同頻全雙工技術(shù)

同頻全雙工技術(shù)被看做是5G通信射頻技術(shù)中最具潛力、可以被充分挖掘頻譜資源的重要技術(shù)，將形成無線頻譜資源合理使用的全新局面。對比傳統(tǒng)FDD、TDD雙工形式，無線同頻全雙工技術(shù)的優(yōu)勢在于可以保證同頻段的同時(shí)收發(fā)，提升了無線頻譜資源的使用頻率，同時(shí)有利于實(shí)現(xiàn)對無線網(wǎng)絡(luò)物理層的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研發(fā)重點(diǎn)集中于充分挖掘和分析頻譜資源。普通形式的通信技術(shù)發(fā)展過程中，主要采用TDD形式的通信技術(shù)和FDD的通信技術(shù)。兩種形式的通信技術(shù)在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用，可對傳輸質(zhì)量和傳輸效率有著較高要求的5G通信技術(shù)而言，這兩種通信技術(shù)已經(jīng)難以滿足實(shí)際需要。因此，提升同頻全雙工通信技術(shù)的研究質(zhì)量，成為當(dāng)前5G通信技術(shù)的研究重點(diǎn)。

盡管網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展速度較快，但是使用通信網(wǎng)絡(luò)的人群數(shù)量持續(xù)提升，導(dǎo)致了傳輸?shù)男畔⒘考眲∨蛎洠畔鬏斔俾始哟?，產(chǎn)生了信息堵塞情況，影響通信網(wǎng)絡(luò)的合理化使用。新型同頻全雙工技術(shù)能夠有效解決該問題，提升通信質(zhì)量。實(shí)際研究過程中，該技術(shù)是使用、接收以及發(fā)送相關(guān)信號(hào)的主要形式，實(shí)現(xiàn)了從單向傳輸向雙向傳輸?shù)霓D(zhuǎn)變，有效提升了通信工程的頻譜資源利用率和5G通信技術(shù)的發(fā)展速度[4]。同頻全雙工技術(shù)面臨的突出問題是同頻段同時(shí)接收或者發(fā)送所產(chǎn)生的自干擾。如何消除自干擾，成為全雙工中最重要的內(nèi)容。當(dāng)前，合理化使用數(shù)字域和射頻域的自干擾抵消形式和無線抵消形式，能夠保證同頻全雙工通信的實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室可以保證1.87倍的數(shù)據(jù)吞吐量。該技術(shù)的一項(xiàng)重要難點(diǎn)問題在于與MIMO系統(tǒng)的有效融合上。從多天線系統(tǒng)角度來看，消除自干擾的難度會(huì)隨著天線數(shù)量的提升而增加，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨著較大困難。

3 毫米波頻段技術(shù)

5G通信系統(tǒng)的高網(wǎng)絡(luò)容量和高傳輸速率，需要有相應(yīng)的頻譜資源加以保障。3 GHz下的低頻段頻譜較為擁堵，高頻段頻譜資源相對豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)高速無線通信，同時(shí)能滿足5G通信系統(tǒng)對傳輸速率和容量的基本要求。伴隨微波毫米波集成電路的持續(xù)發(fā)展，射頻通信技術(shù)不斷成熟，毫米波通信必然會(huì)成為移動(dòng)通信的主要技術(shù)形式。毫米波頻段是5G通信系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向之一，很多國家和相關(guān)研究部門對毫米波頻段通信技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證與研究工作。同時(shí)，毫米波通信技術(shù)能夠整合MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)多波束賦型，可以提供良好的空間分辨率，有效提升了頻譜使用效率[5]。

空氣中，毫米波頻段技術(shù)會(huì)出現(xiàn)較大幅度的衰減，繞射能力也較弱。換言之，如果5G通信利用毫米頻波段技術(shù)會(huì)被阻礙物所抵擋，穿墻功能相對較差。但是，能夠使用毫米頻波段的這一特征拉近不同終端之間的距離。空氣中氧氣的共振頻率通常為60 GHz，以此為依據(jù)，5G通信系統(tǒng)選擇60 GHz毫米波頻段，能夠有效避免終端信號(hào)干擾的問題。顯然，該特征不能在手機(jī)終端與基站距離較遠(yuǎn)的情況下使用[6]。我國開發(fā)商對5G通信系統(tǒng)使用毫米波頻段技術(shù)通常應(yīng)用于開闊區(qū)域，利用傳統(tǒng)6 GHz以下頻段保證通信信號(hào)的整體覆蓋。在室內(nèi)則和微型基站充分結(jié)合，從而保證5G超高速的數(shù)據(jù)傳輸。

4 終端直通技術(shù)

傳統(tǒng)蜂窩通信系統(tǒng)組網(wǎng)將所有基站作為核心，使用多個(gè)扇區(qū)保證小區(qū)的整體覆蓋。但是，每個(gè)基站本身的數(shù)據(jù)容量相對有限，對今后的數(shù)據(jù)密度要求高。使用終端直通技術(shù)能夠有效降低基站內(nèi)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)的靈活性[7]。過去采用的方式是將基站作為核心提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，5G背景下，傳統(tǒng)方式難以滿足不同環(huán)境下大量用戶設(shè)備的業(yè)務(wù)發(fā)展需求。終端直通技術(shù)無需基站的幫助就能夠?qū)崿F(xiàn)通信終端的直接通信，有效拓展了網(wǎng)絡(luò)的接入與連接形式。

5 結(jié) 論

5G通信技術(shù)發(fā)展直接影響了當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程，盡管現(xiàn)在5G通信技術(shù)已經(jīng)取得了一定成績，可是5G相關(guān)技術(shù)研發(fā)過程中，依然面臨著眾多技術(shù)方面的難題。所以，需要研發(fā)人員積極提升自身專業(yè)素養(yǎng)，結(jié)合目前5G技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，有效加強(qiáng)5G通信技術(shù)的研發(fā)質(zhì)量。