5G終端常見的干擾因素及控制方法

張嘉顯

蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009

0 引言

5G指的是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，與4G相比，5G具有更高的性能、更低的延遲和更高容量的特性。為了增加無線傳輸速率，5G在4G的基礎(chǔ)上開發(fā)了新的頻帶資源，但該頻率并不處于黃金頻段，因此，使用增加基站等方法克服了毫米波穿透力差、衰減大帶來的影響。盡管可以克服信號(hào)在傳輸過程中的種種阻礙，但有來自終端設(shè)備的接收部分的影響，終端有許多因素影響信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸與接收，需找到這些因素并積極克服。為此，文章主要研究有關(guān)終端內(nèi)部干擾，而對(duì)互干擾因素不做過多贅述。

1 5G終端常見的干擾因素

1.1 外部因素（互干擾）

隨著獨(dú)立移動(dòng)電池的發(fā)展，用戶將放棄有線電纜終端，取而代之的是獨(dú)立個(gè)體的移動(dòng)終端。如今，無線技術(shù)廣泛應(yīng)用于信息的下載和擴(kuò)展，軟件無線電技術(shù)的應(yīng)用也越來越成熟。干擾源和無線通信干擾的程度和結(jié)果也在實(shí)時(shí)增加，無線通信面臨著電子對(duì)抗顯著增強(qiáng)的嚴(yán)重情況。

相互干擾是對(duì)系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部所產(chǎn)生的電磁干擾，削弱了有用的信號(hào)，系統(tǒng)之間的相互干擾，即移動(dòng)發(fā)射臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所承擔(dān)的其他干擾接收機(jī)有用信號(hào)的同信道干擾，信道的功率、交換、碼分多址跳躍、碰撞、干擾阻塞。隨著不同通信方式的出現(xiàn)，以及用戶對(duì)不同服務(wù)需求的增加，頻譜資源日益有限，交叉干擾問題日益嚴(yán)重。

1.2 內(nèi)部因素（自干擾）

終端內(nèi)部干擾多是由于內(nèi)部非線性的器件，其中又分為有源非線性和無源非線性器件。有源器件產(chǎn)生的干擾比無源器件更強(qiáng)。邢金強(qiáng)[1]研究表明，功率放大器（PA）就是主要的非線性來源，在理想的PA中，一定的系數(shù)可以用來傳輸并放大輸入信號(hào)的功率。實(shí)際上，如果PA中的輸入信號(hào)輸出很低，線性放大可以得到很好的保證，但是如果輸入信號(hào)輸出很高，則非線性區(qū)域中的信號(hào)輸出會(huì)較差，高階變量的輸出將出現(xiàn)在非線性的域中，具體輸出形式如圖1所示。

圖1 PA的理想輸出與實(shí)際輸出比較

（1）諧波干擾。當(dāng)PA輸入端信號(hào)為monophone signal（即表達(dá)式為Acoswt，其中A為信號(hào)幅度，w為角度）時(shí)，PA輸出端信號(hào)會(huì)出現(xiàn)二次、三次甚至更高次的諧波分量。通常情況下此處只考慮二次諧波分量與三次諧波分量，階數(shù)越高，諧波產(chǎn)物的功率越低，自干擾問題越小。如果該諧波元素落在附近的接收波段，將導(dǎo)致相同或相鄰頻率的干擾，諸如此類的干擾較低的頻率發(fā)射，以較高頻率接收的情況下多有發(fā)生。當(dāng)發(fā)生干擾時(shí)，該諧波干擾會(huì)對(duì)接收模塊有影響，表現(xiàn)為降低接收部分對(duì)信號(hào)的敏感度，如圖2所示。

圖2 諧波干擾

（2）互調(diào)干擾。當(dāng)輸入的信號(hào)是一個(gè)two-tone signal時(shí)，即含有2個(gè)monophone signal（Acoswt+Acosw1t），輸出信號(hào)包含除兩個(gè)monophone signal產(chǎn)生的諧波分量外的幾個(gè)頻率分量，這些頻率分量形式如n1w1±n2w2。當(dāng)n1+n2=2時(shí)，被稱為二階互調(diào)產(chǎn)物，依此類推；特殊地，若二者之和為1，則稱其引起的干擾為諧波干擾。因此，如果兩段信號(hào)產(chǎn)物同時(shí)落在接收信號(hào)的頻率上，則接收信號(hào)的干擾被稱為互調(diào)干擾（也稱為協(xié)同干擾）。該干擾的示意如圖3所示。

圖3 互調(diào)干擾

移動(dòng)通信系統(tǒng)的互調(diào)干擾和諧波干擾類似，也主要研究二階、三階的干擾，這是由于三階差分系統(tǒng)以上的系統(tǒng)產(chǎn)生的非線性產(chǎn)物的影響與階數(shù)成反比，具體原因由于篇幅問題不再贅述。

2 5G終端干擾因素的控制方法

2.1 外部因素控制

天線工作時(shí)所處的各種電磁條件和環(huán)境一直是無線通信系統(tǒng)的核心組成部分，一直以來都是人們密切關(guān)注的焦點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)5G通信系統(tǒng)的高速、低時(shí)間延遲、高可靠性、超大容量等優(yōu)勢(shì),必須先考慮在天線系統(tǒng)中應(yīng)用的電磁相容（EMC）問題。一方面，無論是基站天線系統(tǒng)還是移動(dòng)終端天線系統(tǒng)，都難免存在帶外雜散信號(hào)的干擾；另一方面，天線模塊對(duì)通信系統(tǒng)中其他模塊產(chǎn)生的同頻、鄰頻電磁噪聲尤為敏感，從而影響天線的工作性能[2]。

傳統(tǒng)雷達(dá)僅采用一些普通材料來保護(hù)天線和通信系統(tǒng)不受整個(gè)環(huán)境的影響，需在傳統(tǒng)雷達(dá)的基礎(chǔ)上引入新的設(shè)計(jì)理念，保持雷達(dá)設(shè)計(jì)的電磁接口具有電磁特性。近年來，人工電磁超曲面的研究取得了一定的進(jìn)展，使得設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)和電磁特性的高性能雷達(dá)成為可能，頻率選擇表面（FSS）具有基本輪廓、成本低、加工工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微波器件、雷達(dá)、天線反射面等電磁尺度領(lǐng)域。

2.2 內(nèi)部因素

（1）數(shù)字預(yù)失真（DPD）技術(shù)。DPD全稱為Digital Pre-Distortion，是通過數(shù)學(xué)建模提前補(bǔ)償PA的非線性和記憶效應(yīng)。該技術(shù)是通過將PA與一預(yù)失真元件級(jí)聯(lián)，即非線性失真函數(shù)被嵌入數(shù)字和數(shù)字基帶信號(hào)處理域，具有與放大器顯示相同的失真量，但功能與PA的相反。結(jié)合這兩種非線性失真特性，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)高度線性、無失真的系統(tǒng)。同時(shí)，由于PA的失真特性（非線性特性隨時(shí)間、偏壓、溫度、器件等因素的變化），需要使用反饋機(jī)制對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，并用以勘正預(yù)失真算法以進(jìn)行校準(zhǔn)。完成上述兩步后可使輸出端的信號(hào)轉(zhuǎn)化為未失真（經(jīng)非線性補(bǔ)償）信號(hào)。

（2）PA后的濾波器。該方法也分為兩部分，一部分是在PA后增加濾波器，另一部分是將PA后濾波器的技術(shù)進(jìn)行提升。前一部分是在PA輸出端加一諧波濾波器來抑制諧波，但很難完全消除該P(yáng)A輸出端的諧波信號(hào)，因此需提升濾波器技術(shù)，更好地消除非線性帶來的影響，并減少濾波器給終端接收與發(fā)射性能的影響。目前5G通信中使用的濾波器主要有聲表面波濾波器和聲體積波濾波器，也在向5G新興濾波技術(shù)Xbar邁進(jìn)。

（3）增加干擾消除電路。參考全雙工自干擾消除方法[3]，如模擬域名移除法、數(shù)字域名移除法等。在模擬電路方面，通過模擬電路設(shè)計(jì)，對(duì)自身干擾信號(hào)進(jìn)行再構(gòu)成和將再構(gòu)成后的內(nèi)部干擾信號(hào)直接從接收信號(hào)中減去。在數(shù)字領(lǐng)域中，主要依靠自我干擾的方法預(yù)測(cè)和重組自我干擾的人數(shù)，在接收信號(hào)的過程中減少自身干擾作用，將剩余的部分消除。

3 結(jié)束語

綜上所述，在5G終端網(wǎng)絡(luò)中存在一定的問題，相關(guān)人員需要找出這些問題，并結(jié)合相關(guān)知識(shí)解決問題，或?qū)⑵浜侠砝棉D(zhuǎn)化。文章針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)存在的問題，在當(dāng)前的知識(shí)層面上尋找合適的方法進(jìn)行解決，提出了對(duì)終端外部的保護(hù)，對(duì)終端內(nèi)部運(yùn)用DPD技術(shù)、架設(shè)濾波器及電路的方法將該影響降至最低甚至消除，以期積極推進(jìn)5G技術(shù)的發(fā)展。