面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)分析

黃顯強(qiáng)（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州，510630）

面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)分析

黃顯強(qiáng)
（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州，510630）

目前2G通信技術(shù)基本已經(jīng)停用，3G通信技術(shù)得到普遍應(yīng)用，4G通信技術(shù)也已經(jīng)得到廣泛推廣和使用，通信行業(yè)的研究焦點(diǎn)從4G通信技術(shù)迅速轉(zhuǎn)移到5G通信技術(shù)。本文結(jié)合5G通信技術(shù)的未來展望，分析了具有發(fā)展前景的大規(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)三項(xiàng)面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)。

5G通信；射頻；關(guān)鍵技術(shù)；毫米波

1 5G通信技術(shù)的未來展望

5G是英文單詞縮寫，它的意思是移動(dòng)電話系統(tǒng)第五代即第五代通信技術(shù)是第四代通信技術(shù)4G之后的延伸，目前各國對5G通信尚處在研究中還未有任何國家的任何通信公司的公開規(guī)格或者官方文件提到5G，各國也尚未正式出臺(tái)一個(gè)類似4G的具體標(biāo)準(zhǔn)。但是韓國、美國、歐盟和我國均在研發(fā)這種技術(shù)。截止到目前為止，有消息報(bào)道韓國已經(jīng)成功研發(fā)5G通信技術(shù)，手機(jī)客戶端在使用該技術(shù)后無線下載速度可達(dá)到3.6G每秒。1G等于1024M,1M等于1024K，1KB代表一個(gè)字符的容量，每秒3.6G的概念是下載一部DVD格式標(biāo)準(zhǔn)的電影只需幾秒。韓國為這個(gè)技術(shù)命名為NOLA，韓國通信研究院專家稱NOLA將作為鋪設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)技術(shù)，韓國的三星電子研究出的無線通信技術(shù)是目前最快的通信技術(shù)，三星電子宣布該公司研發(fā)的5G通信技術(shù)采用毫米波技術(shù)克服高頻段傳播難題，測試實(shí)驗(yàn)在兩公里內(nèi)每秒傳輸超過千兆字節(jié)數(shù)據(jù)，下載一部DVD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的電影只需1秒，對第五代通信技術(shù)的研究成功取得突破性進(jìn)展，據(jù)Gartner權(quán)威研究和分析機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，2020年家庭網(wǎng)絡(luò)市場將達(dá)到979億美元，韓國研發(fā)的第五代通信技術(shù)可幫助其在這一市場占領(lǐng)優(yōu)勢。歐盟數(shù)字議程連接部門副主管也介紹稱也將計(jì)劃借助5GPPP的力量幫助歐盟步入5G研發(fā)階段預(yù)計(jì)將在2020年推出，并預(yù)計(jì)5G數(shù)據(jù)流量高峰大約在23年后出現(xiàn)。美國昨天也有消息稱5G通信技術(shù)將在美國兩個(gè)州進(jìn)行試商用，國家政府將出資6億美元幫助研發(fā)5G通信技術(shù)，英國薩里大學(xué)科學(xué)家也發(fā)消息稱已經(jīng)研發(fā)出最新最快的第五代通信技術(shù)，每秒可傳達(dá)1萬億字節(jié)數(shù)據(jù)相當(dāng)于125GB，比4G快了6.5萬倍，下30部電影只需1秒。面對各國相繼發(fā)布的研究成果，中國的華為也不甘示弱，在2015年投資6億美元研究5G通信技術(shù)并在2016年11月17日的3GPP RAN187會(huì)議的5G短碼方案討論中，最終戰(zhàn)勝列強(qiáng)成為5G控制信道EMBB場景編碼最終方案。5G標(biāo)準(zhǔn)可由關(guān)鍵指標(biāo)和一組關(guān)鍵技術(shù)共同定義。關(guān)鍵指標(biāo)是指用戶體驗(yàn)速率，一組5G的關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模天線，超密集組網(wǎng)，新型多址技術(shù)、全頻譜接入及新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。圖1為安卓設(shè)計(jì)的有關(guān)5G高速度結(jié)構(gòu)圖

圖1 5G安卓結(jié)構(gòu)示意圖

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)又稱多天線技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各種無線通信系統(tǒng)中，比如WIFI、LTE等。從理論上來講，天線越多通信系統(tǒng)頻譜效率、傳輸速率和可靠性就越高，在大規(guī)模MIMO技術(shù)中需要在一個(gè)基站中配置大量的天線，這些天線可以由一些價(jià)格低廉低功耗的天線組件實(shí)現(xiàn)，為大規(guī)模MIMO技術(shù)降低成本。將數(shù)量龐大的天線配置在一個(gè)基站中的優(yōu)勢是可進(jìn)一步開發(fā)空間維度資源提高5G通信的頻譜效率，將通信波束集中在規(guī)劃范圍內(nèi)以減少不同小區(qū)或地方的干擾， 大幅度降低通信發(fā)射功率，提高5G通信的功率效率，而且天線的數(shù)量越龐大通信的線性編碼、檢測越優(yōu)。大規(guī)模MIMO技術(shù)的優(yōu)勢為5G通信實(shí)現(xiàn)高頻段移動(dòng)通信提供了廣闊前景，為5G數(shù)倍提升無線頻譜效率、增大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積、增大通信系統(tǒng)容量，并且能夠幫助通信運(yùn)營商最大可能的利用已有站址及頻譜資源。圖2為我國中國移動(dòng)、中國聯(lián)通和中國電信關(guān)于5G的LTE頻譜分配圖。

2.2.3 毫米波波長小的特性分析

天線的物理尺寸與波段的波長成正比，因毫米波波段的波長與傳統(tǒng)6GHz的頻段波長相比要小很多，故此毫米波頻段的物理天線比傳統(tǒng)6GHz的頻段物理天線可小很多，在未來的5G通信中若使用毫米波頻段技術(shù)可實(shí)現(xiàn)隨意配備移動(dòng)手機(jī)上的毫米波天線陣列，換句話說即是在5G時(shí)代將實(shí)現(xiàn)發(fā)射端、接收端分別使用各種數(shù)量的發(fā)射天線和接受天線配置，從而提高通信質(zhì)量。

2.2.4 節(jié)省成本和控制功耗的技術(shù)分析

5G通信的試商用的毫米波頻段收發(fā)機(jī)芯片若使用CMOS工藝不但可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字模塊集成還可節(jié)約成本，CMOS工藝是指最

圖2 LTE頻譜分配圖

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)概述

第五代通信技術(shù)運(yùn)用毫米波技術(shù)的未來展望圖，隨著通信行業(yè)的快速發(fā)展，各國的低頻段頻譜資源利用已經(jīng)處于瓶頸口，未來5G時(shí)代很難找到與之相對應(yīng)的新頻段，而5G通信的特點(diǎn)是比4G更大的傳輸頻率，這就需要更大的傳輸帶寬，對射頻的各種器件要求勢必也會(huì)提高，面對這種難題毫米波頻段技術(shù)被提上來成為5G通信射頻關(guān)鍵技術(shù)之一。毫米波是指波長在毫米數(shù)量級的電磁波，它的波頻率大概在30GHz~300GHz之間。根據(jù)通信原理可知無線通信的最大信號(hào)5G帶寬約等于5%的載波頻率，故載波頻率與無線通信的最大信號(hào)帶寬成正比，在未來的5G通信中毫米波段的28GHz與60GHz頻段是最有希望使用的兩個(gè)頻段毫米波頻段的28GHz和60GHz頻段每個(gè)信道的可用頻譜帶寬分別可達(dá)1GHz和2GHz，相比已經(jīng)使用的4G-LTE頻段最高載波頻率在2GHz左右，最高可用頻譜帶寬僅在100MHz來說，若未來5G通信射頻關(guān)鍵技術(shù)使用毫米波頻段，它的頻譜帶寬將會(huì)輕而易舉的翻上10倍，通信傳輸速率也將由此得到大量提升。換句話說，5G時(shí)代只要用戶不怕高流量消耗可用手機(jī)5G在線輕松看藍(lán)光品質(zhì)電影。

2.2.2 衰減大繞射能力弱的特性分析

毫米頻波段技術(shù)在空氣中的衰減比較大，繞射能力相對也比較弱，也就是說若5G通信使用毫米頻波段技術(shù)通信信號(hào)會(huì)被各種抵擋物阻攔，連基本的穿墻都不太可能實(shí)現(xiàn)。但是我們也可利用毫米頻波段的這一特性，我的手機(jī)使用毫米頻波段技術(shù)毫米波信號(hào)衰減厲害，其它人的手機(jī)發(fā)射出的毫米波信號(hào)衰減同樣厲害，故此未來5G通信的毫米波頻段系統(tǒng)在研發(fā)時(shí)大可不必重點(diǎn)考慮信號(hào)干擾處理問題，只要相鄰兩個(gè)終端保持一定距離即可。在空氣中氧氣的共振頻率是60GHz，因此5G選擇60GHz的毫米波頻段完全可以避免相鄰終端之間的信號(hào)干擾。當(dāng)然毫米波頻段技術(shù)的這一特性同時(shí)也注定其不適合在室外使用手機(jī)終端和在基站距離遠(yuǎn)的場合使用。目前我國開發(fā)商對5G通信的毫米波頻段技術(shù)使用的規(guī)劃是在戶外開闊地帶使用傳統(tǒng)的6GHz以下的頻段以確保通信信號(hào)覆蓋率，在室內(nèi)與微型基站結(jié)合使用以實(shí)現(xiàn)5G超高速數(shù)據(jù)傳輸。常用的集成電路制造工藝即半導(dǎo)體-氧化層-金屬堆疊形成的半導(dǎo)體器件工藝。毫米波頻段技術(shù)應(yīng)用在5G通信中的收發(fā)機(jī)上要求CMOS器件可以在毫米波頻段上工作，這對CMOS器件的信號(hào)靈敏度要求很高。CMOS器件是通過控制端調(diào)整輸出流量的，若需要CMOS器件對毫米波的微弱信號(hào)做出快速反應(yīng)就需要調(diào)大直流電流，相對的功耗的會(huì)較大。因此功耗與毫米波信號(hào)的強(qiáng)弱程度成正比，可根據(jù)毫米波信號(hào)強(qiáng)弱控制功耗。

2.3 同頻全雙工技術(shù)分析

同頻全雙工通信技術(shù)是指同時(shí)同頻的進(jìn)行雙向通信技術(shù)，它可在相同的載波頻率上同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，從理論上來講比4G現(xiàn)有的技術(shù)提高一倍的頻譜效率，但是在無線通信系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)、終端側(cè)有固定的信號(hào)自干擾會(huì)影響同頻全雙工技術(shù)在5G中的應(yīng)用，因此需要引入天線獨(dú)立、射頻消除技術(shù)、數(shù)字消除技術(shù)等降低自干擾的影響能力到5G通信可接受的水平。就目前我國的技術(shù)條件來說尚無法實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻雙向通信，但是在未來隨著器件技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，同頻全雙工技術(shù)在5G時(shí)代將得到最大限度的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

各國5G通信技術(shù)扔處在研究實(shí)驗(yàn)階段，目前還未出臺(tái)具體的5G通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，5G通信技術(shù)作為通信行業(yè)繼4G通信技術(shù)之后新一輪全球移動(dòng)通信技術(shù)競爭的開端，我國對5G通信的研發(fā)也越來越重視。本文結(jié)合5G通信技術(shù)的未來展望，分析了具有發(fā)展前景的大規(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)三項(xiàng)面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)。

[1]尤肖虎，潘志文，高西奇,曹淑,鄔賀銓.5G 移動(dòng)通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國科學(xué),2014(5):550-553.

[2]潘志文等．5G 移動(dòng)通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù) [J]．中國科學(xué)信息技術(shù).2014（6）：155-156.

[3]周代衛(wèi)，王正也，周宇．5G 終端業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢及技術(shù)挑戰(zhàn)［J］．電信網(wǎng)技術(shù)，2015(3) : 64- 68．

[4]李革.我國5G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢[J].科技創(chuàng)新，2016（1）：156-158.

Analysis of key technologies for 5G communication based on RF

Huang Xianqiang（Guangdong Telecom Planning & Design Institute Co., Ltd., Guangzhou Guangdong, 510630）

The current 2G communication technology has been disabled, 3G communication technology has been widely used, 4G communication technology has been widely promoted and used, the communications industry research focus from the 4G communication technology is rapidly transferred to the 5G communication technology. In this paper, based on the future prospect of 5G communication technology, three key technologies of 5G, which are the development of large-scale MIMO technology, millimeter wave band mobile communication technology and the same frequency full duplex technology, are analyzed.

5G communication；RF；Key technology；Millimeter wave