提高5G終端抗自干擾能力的方法研究

張樂 宋志強

【摘要】? ? 5G終端因其具有高速率，低時延，大連接等特點而廣受關注，但是因為其技術復雜，工作頻段組合多，解決終端干擾已經成為5G終端應用中需要有效解決的一大問題。本文首先分析了5G終端干擾的來源，并以內部自干擾作為研究重點。結果表明終端中元器件PA的非線性特性為內部干擾的主要因素。為了消除終端內非線性特性以改善終端內部干擾，給出了三種解決終端自干擾的方法：提升濾波器技術、使用數字預失真以及提高終端MIMO天線陣列的隔離度，三種方法的關鍵技術及優缺點進行了分別討論。

【關鍵詞】? ? 5G終端? ? 自干擾? ? 非線性? ? 濾波器技術? ? 數字預失真? ? 天線隔離度

引言

隨著5G移動通信技術的發展，5G終端已如雨后春筍般涌現，根據中國移動發布的《5G終端白皮書》顯示，5G終端市場預計在2020年將超過億級水平[1]。5G網絡部署方式目前還是以NSA架構為主，因此要求終端支持雙連接技術，采用雙射頻鏈路進行雙收雙發來滿足同時連接4G與5G網絡的要求。

本質上，3GPP在R12標準版本中提出的DC技術與CA技術均屬LTE多連接技術。雙連接作為NSA組網下實現互操作方案的關鍵技術，需終端在硬件上支持雙通道射頻同時連接LTE與5G NR網絡。因此LTE頻段和5G頻段在終端側并存時造成的干擾已經成為5G終端應用亟需解決的一大問題。

一、干擾類型

5G終端所受干擾類型主要分為外部干擾和內部自干擾。外部干擾是來其自他無線通信系統的干擾，如Wi-Fi，藍牙、相鄰頻段衛星地球站等。根據干擾源頻率的不同，來自外部干擾的類型可以分為同頻干擾和鄰頻干擾兩類。外部干擾大多數是由于小區基站部署策略的原因導致的，解決這一問題往往需要配合基站端的各種抗干擾技術。因此對于5G終端，本文將討論的重點放在對終端內部自干擾的分析。

在NSA架構下，要求終端保持雙收雙發，即在LTE頻段和NR頻段保持上行雙連接。如果整個系統出現較多的頻率分量，由于射頻器件的非線性等因素，上行的雙發會帶來下行諧波和互調干擾，造成接收端靈敏度下降。終端內自干擾主要來源于射頻前端器件的非線性，整個射頻架構中包含的非線性器件包括無源器件和有源器件，無源器件主要有濾波器、雙工器等，有源器件包括開關、PA（Power Amplifier，功率放大器）、調諧電路等。無源器件產生的諧波及互調干擾一般要弱于有源器件。而文獻[2]中的研究表明有源器件中PA是主要的非線性來源。

通常情況下，描述器件的非線性特性可以用如下輸入輸出信號的泰勒級數展開式表示：

如果兩個信號的互調產物落在了接收信號的頻段內，對接收信號造成的干擾就叫做互調干擾。非線性導致的互調干擾示意圖如圖1所示。

二階互調失真以及三階互調對系統的非線性產物的貢獻最大，隨著互調產物的階數增大，互調產物的影響將會變得越來越小。

二、解決5G終端自干擾的方法

通過以上分析，5G終端自干擾主要來自終端里射頻器件的非線性產物，因此，解決5G終端自干擾的本質就是消除射頻器件的非線性問題。目前比較有效的解決方法主要有提高濾波器技術、采用數字預失真技術以及提高陣列天線隔離度等。

2.1濾波器技術的提升

濾波器技術作為一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分，這種選頻特性在消除干擾噪聲方面有著舉足輕重的地位。濾波器的主要指標包括中心頻率、工作帶寬、插入損耗、阻帶特性等。為了更好的消除非線性產物并保持整個終端的發射性能不受影響，在特定的工作頻率下，插入損耗應該盡可能的小，而阻帶特性應該足夠的大來滿足整個終端的要求。目前應用于5G通信中的濾波器主要是聲表面波濾波器和體聲波濾波器以及未來5G新興濾波器技術XBAR。

2.2數字預失真技術

PA作為終端內非線性產物的最大來源，線性化PA能夠從根本上優化非線性特性。該技術是在PA前面通過硬件或者軟件的手段加入預失真分量，該預失真分量與經過PA的失真分量幅值相等、相位相反，能夠正好抵消，從而使輸出信號為我們想要的理想線性化信號。

數字預失真的信號流圖如下圖2所示。數字源信號經過預處理單元和D/A模塊后變成模擬信號，然后與載波信號經過上變頻器后進入PA，PA的輸出將通過天線發射出去;同時，PA的輸出將被耦合一部分作為反饋信號，經過下變頻器和A/D模塊后，進入自適應處理單元與源信號進行對比，得到輸出信號的失真程度，然后將此結果送入預失真處理單元進行非線性化補償。

2.3 提高MIMO天線系統隔離度

如上分析，終端內部自干擾中的互調干擾一部來自發射天線和接收天線的耦合，而5G終端大多采用的都是天線陣列，因此提高收發天線陣列的隔離度也是解決干擾的關鍵技術之一。一種比較直觀的方法就是增加發射天線陣列和接收天線陣列的距離，在物理空間上減小信號的輻射，從而達到提高天線陣列隔離度的目的。但是，如果在空間有限的終端上，這種方法的實現是非常具有挑戰性的。目前減小天線耦合來提高MIMO天線系統隔離度的方法有主要有如下三種方法[3]：

1）改變天線的電流分布，這種方法主要通過地面挖槽以及在天線間引入去耦枝節的方式來分別改變天線接地平面和天線信號的電流分布來提高天線的隔離度。

2）使用寄生原理，在MIMO天線單元中加入寄生元件來減小天線間的耦合，這種原理類似于寄生元件的濾波原理，這種方法對提高天線之間的隔離度效果較為顯著。

3）引入超材料[4]，超材料是根據有效媒介理論設計，能夠擁有負折射和實現完美透鏡能力從而改變電磁特性的特殊材料。

利用超材料的特殊性，設計出相應的單元結構，使其對天線的電場和磁場產生相應的諧振，從而減小MIMO天線單元間的耦合，達到提高隔離度的目的。

在5G終端實際應用中，需要綜合考慮體積、成本以及實現難易程度這些條件，選擇上述方法中的一種或者幾種方法結合來達到提高天線的隔離度，從而減小終端來自天線耦合產生的內部自干擾。

三、總結

綜上所述，在當今不斷發展的5G終端應用中，解決內部自干擾問題給終端的吞吐量以及射頻性能帶來的影響已經顯得格外重要。在本文中，通過對終端內部自干擾來源的分析，提出了解決問題的三種技術，即濾波技器術的提升、數字預失真技術的應用和提升MIMO天線的隔離度技術，并分別對比了這三種技術的優劣。在實際解決5G終端內部干擾的時候，應綜合考慮體積、成本以及實現難易程度等因素來應用這些技術。相信隨著更多技術的發展，5G終端內部干擾將得到完美解決，從而為全面普及5G技術起到積極的推進作用。

參? 考? 文? 獻

[1]中國移動.中國移動5G終端白皮書[R].北京：全球合作伙伴大會5G創新合作峰會，2018.12

[2]邢金強. LTE與5G NR終端互干擾研究[J].移動通信， 2018 ，42（2）

[3]韓莉.高隔離度MIMO天線的研究與實現[D].蘇州大學，2014.4：11-14

[4]李杰.新型寬帶MIMO天線的設計與研究[D].電子科技大學，2017.6：21-22