面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)探析

寧書德

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面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)探析

寧書德

中通服建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510000

現(xiàn)階段，4G通信技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新一代5G通信技術(shù)也將順勢(shì)而生。目前，我國(guó)各行業(yè)都將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)巧妙地引入了企業(yè)中，完成了企業(yè)的升級(jí)和轉(zhuǎn)型。在未來的日子里，5G通信技術(shù)將迎來黃金時(shí)期。根據(jù)自己多年的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究與闡述，希望能為5G通信技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。

5G通信；射頻技術(shù)；研究

引言

現(xiàn)階段，我國(guó)居民使用的移動(dòng)通信都是4G通信信號(hào)，與之前的移動(dòng)通信技術(shù)相比，通信質(zhì)量與通信功能都有了較大的提高。人們生活水平的不斷提高，對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)也提出了更高的要求，4G通信技術(shù)已無法滿足現(xiàn)代化社會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，因此我國(guó)工業(yè)和信息化部也加快了5G通信技術(shù)的研究與規(guī)劃進(jìn)度。例如，5G在6?GHz以下頻段規(guī)劃方案以及5G技術(shù)試驗(yàn)毫米波段用頻協(xié)調(diào)等。5G通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)速度將是現(xiàn)階段的100倍，網(wǎng)絡(luò)延遲也會(huì)下降50倍，密度提高10倍，能夠推動(dòng)通信行業(yè)的發(fā)展。5G通信技術(shù)還在研究階段，發(fā)展尚不成熟。因此相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)加快研究速度，讓5G通信盡快應(yīng)用到人們的生活與工作中。

1 面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 同頻全雙工技術(shù)

1.1.1 同頻全雙工收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)

5G通信系統(tǒng)的核心是射頻收發(fā)機(jī)。同頻全雙工收發(fā)機(jī)是目前射頻收發(fā)機(jī)中最先進(jìn)的。FDD收發(fā)機(jī)的收發(fā)隔離必須通過雙工器和濾波器來實(shí)現(xiàn)，而TDD收發(fā)機(jī)的時(shí)分雙工操作必須通過收發(fā)切換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。同頻全雙工收發(fā)機(jī)能夠省略雙工器與切換開關(guān)，通過發(fā)射通道和接收通道的同頻工作就能夠?qū)崿F(xiàn)。全雙工系統(tǒng)的收發(fā)隔離主要與設(shè)備前端天線的隔離度和射頻模塊中接收和發(fā)射通道的設(shè)計(jì)相關(guān)[1]。同頻全雙工收發(fā)機(jī)能夠打破雙工器與切換開關(guān)的局限性，能夠讓發(fā)射通道與接收通道同時(shí)工作在一個(gè)頻率。同頻全雙工收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 同頻全雙工收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1.2 同頻全雙工收發(fā)機(jī)自干擾問題

傳統(tǒng)的FDD無線通信系統(tǒng)與TDD無線通信系統(tǒng)，一般采用半雙工方式，主要是因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)發(fā)射與接收之間的隔離。FDD無線通信系統(tǒng)能夠抑制不想要的信號(hào)問題的原因是該系統(tǒng)將發(fā)射與接收分開建立，不在同一個(gè)頻段。在TDD無線通信系統(tǒng)中，傳送和接收在同一頻率信道的不同時(shí)隙，用保證時(shí)間來分離接收和傳送信道。同頻全雙工無線通信系統(tǒng)中的發(fā)射和接收是在同一個(gè)頻段同時(shí)工作的，雖然打破了雙工器與切換開關(guān)的局限性，但是在工作過程中會(huì)產(chǎn)生巨大的干擾，影響接收通道信號(hào)的接收，我們將這種干擾稱之為同頻全雙工系統(tǒng)的自干擾[2-4]。同頻雙工收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)的自干擾主要是由環(huán)形器的端口隔離度有限而發(fā)生的泄漏引起的。收發(fā)天線分離同頻雙工收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)的自干擾主要是由發(fā)射天線與接收天線直達(dá)路徑的響應(yīng)與發(fā)射機(jī)近散射體而導(dǎo)致的發(fā)射雜散引起的。分離的收發(fā)天線頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 分離的收發(fā)天線頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

1.1.3 同頻全雙工自干擾抵消技術(shù)

同頻全雙工自干擾問題嚴(yán)重阻礙了5G通信技術(shù)的發(fā)展，因此根據(jù)自干擾問題的具體原因，研發(fā)同頻全雙工自干擾抵消技術(shù)，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)5G通信技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)如今，相關(guān)專業(yè)人士經(jīng)過不斷努力，研發(fā)出了多種同頻全雙工自干擾抵消技術(shù)，主要采用數(shù)字域自干擾消除方法與模擬域自干擾消除方法。

數(shù)字域自干擾消除方法主要是利用ADC對(duì)各接收端的信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)的采樣，從而在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)自干擾抵消的效果，同時(shí)利用ADC將抵消信號(hào)轉(zhuǎn)化到模擬域，然后通過附加的發(fā)射頻道調(diào)制到射頻將自干擾問題抵消。模擬域消除方法是利用在射頻電路上合成的自干擾信號(hào)的等幅反相信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的[5]。同頻全雙工自干擾抵消技術(shù)對(duì)同頻全雙工技術(shù)有著重要的價(jià)值與作用。同頻全雙工自干擾抵消技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）射頻域的抵消技術(shù)能夠擴(kuò)充接收機(jī)的容量，防止接收機(jī)出現(xiàn)飽和。抵消技術(shù)通過提高發(fā)射與接收之間的隔離，從而平衡干擾信號(hào)進(jìn)入與接收時(shí)的強(qiáng)度。

（2）射頻域的抵消技術(shù)能夠打破收發(fā)機(jī)本振相位噪聲與接收通道線性、非線性失真等問題的限制。

（3）射頻域的抵消技術(shù)能夠抵消發(fā)射機(jī)非線性失真引發(fā)的非線性自干擾問題。

想要實(shí)現(xiàn)射頻全雙工技術(shù)，就必須不斷研究射頻全雙工自干擾抵消技術(shù)，充分利用數(shù)字技術(shù)與模擬技術(shù)來研發(fā)更多的自干擾抵消技術(shù)，從而推動(dòng)我國(guó)射頻全雙工技術(shù)的發(fā)展。同頻全雙工自干擾抵消裝置框圖如圖3所示。

圖3 同頻全雙工自干擾抵消裝置框圖

1.2 大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模MIMO技術(shù)即多天線技術(shù)?，F(xiàn)階段，多天線技術(shù)已經(jīng)得到了通信企業(yè)的廣泛應(yīng)用。例如，Wi-Fi無線通信系統(tǒng)與LTE無線通信系統(tǒng)中都應(yīng)用了該技術(shù)。一般情況下，天線的數(shù)量不僅關(guān)系通信系統(tǒng)頻譜效率與穩(wěn)定性，而且還關(guān)系通信系統(tǒng)的傳輸速度，天線數(shù)量越多功能就越強(qiáng)。大規(guī)模MIMO技術(shù)必須將大量的天線設(shè)置在一個(gè)基站中，從而最大限度開發(fā)空間的維度資源，提高5G通信技術(shù)的頻譜效率?；局械奶炀€可以選擇部分價(jià)格實(shí)惠、耗電量小的天線組件，來節(jié)約投資成本。大規(guī)模MIMO技術(shù)是通過將通信波束集中在控制范圍之內(nèi)來降低干擾，從而降低通信發(fā)射功率，提高通信的功率效率。天線的數(shù)量越多，通信系統(tǒng)的線性檢測(cè)與編碼的質(zhì)量就越高。射頻中的大規(guī)模MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)了5G通信系統(tǒng)的高頻段，不僅提升了通信系統(tǒng)的容量，而且拓寬了網(wǎng)絡(luò)覆蓋的面積，同時(shí)提高了無線頻譜的效率。5G 的LTE頻譜分配圖如表1所示。

1.3 毫米波頻段移動(dòng)通信系統(tǒng)

1.3.1 毫米波頻段移動(dòng)通信技術(shù)概述

表1 LTE 頻譜分配表

隨著現(xiàn)代化社會(huì)通信行業(yè)的不斷發(fā)展，5G通信技術(shù)中的毫米波頻段移動(dòng)通信技術(shù)拓寬了5G通信技術(shù)的發(fā)展領(lǐng)域。現(xiàn)階段，我國(guó)低頻段頻譜資源的利用空間已經(jīng)幾乎沒有了，目前幾乎很難遇到能夠與之媲美的新型頻段。5G通信的優(yōu)勢(shì)主要是頻率的傳輸速度快，因此對(duì)傳輸帶寬以及射頻中的各個(gè)構(gòu)件的要求也相對(duì)較高。毫米波頻段技術(shù)能夠滿足5G通信系統(tǒng)的要求。毫米波的意思就是波長(zhǎng)在毫米數(shù)量級(jí)中的電磁波。毫米波的頻率一般在30～300?GHz范圍之內(nèi)。據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果，無線通信中的最大信號(hào)5G帶寬類似于5%的載波頻率，因此無線通信的最大信號(hào)帶寬與載波頻率成正比。在未來的日子里，5G通信的射頻技術(shù)中毫米波段的28?GHz與60?GHz頻段將會(huì)是利用率最高的頻段。這兩個(gè)頻段中的各個(gè)信道的頻譜帶寬最高可達(dá)2?GHz，將會(huì)是現(xiàn)如今4G通信頻譜帶寬以及載波頻率的10倍，使5G時(shí)代的用戶不需要下載，就可以快速觀看任何喜歡的電影以及視頻等[6]。

1.3.2 衰減大、繞射能力弱的特性分析

雖然毫米波頻段通信技術(shù)能夠加快頻率的傳輸速度，但是暴露在空氣環(huán)境下的毫米波頻段技術(shù)的效果會(huì)大大減弱，嚴(yán)重影響毫米波頻段技術(shù)的繞射能力。通俗的說法就是，如果毫米波頻段技術(shù)受到空氣中各物質(zhì)的影響，就會(huì)導(dǎo)致穿墻能力減弱。毫米波頻段通信技術(shù)在空氣和氧氣作用下的共振率是60?GHz，能夠降低附近終端之間產(chǎn)生的信號(hào)干擾。由此可見，毫米波頻段技術(shù)并不適用于設(shè)置在露天基站距離遠(yuǎn)或者使用手機(jī)終端的場(chǎng)所。現(xiàn)階段，5G通信技術(shù)的研發(fā)人員暫時(shí)將毫米波頻段技術(shù)的使用定位于視野開闊的場(chǎng)所，采用傳統(tǒng)的 6?GHz以下的頻段來保證通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的覆蓋面積。

1.3.3 毫米波波長(zhǎng)小的特性分析

一般情況下，天線的長(zhǎng)度決定了波段的波長(zhǎng)，因?yàn)樘炀€的長(zhǎng)度與波段的波長(zhǎng)是成正比的。毫米波波段的波長(zhǎng)要比傳統(tǒng)波頻段技術(shù)中波段的波長(zhǎng)小得多，因此毫米波頻段的天線長(zhǎng)度也要比傳統(tǒng)波頻段中的天線長(zhǎng)度小得多。在5G通信系統(tǒng)中應(yīng)用毫米波頻段技術(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)在用戶手機(jī)上隨意配備毫米波天線陣列。通俗說法就是5G通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射端、接收端分別配置不同數(shù)量的發(fā)射天線以及接收天線，從而大幅提高移動(dòng)通信的質(zhì)量與效果[7]。

1.3.4 節(jié)省成本和控制功耗的技術(shù)分析

現(xiàn)階段，5G通信技術(shù)研發(fā)人員為了節(jié)省成本和控制功能的消耗，在毫米波頻段收發(fā)機(jī)的芯片方面采用了CMOS工藝。這種工藝不僅能夠節(jié)省成本，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字模塊集成。5G通信系統(tǒng)中的收發(fā)機(jī)對(duì)于毫米波頻段技術(shù)也有一定的要求，要求CMOS器件必須在毫米波頻段上操作。這樣一來就提高了CMOS 器件信號(hào)對(duì)靈敏度的要求。CMOS 器件還能夠控制功耗，通過控制端來對(duì)流量進(jìn)行調(diào)整。如果想要CMOS 器件對(duì)毫米波的信號(hào)做出快速反應(yīng)，就必須調(diào)高直流的電流，因此毫米波信號(hào)的強(qiáng)弱具有控制功耗的功能。

1.3.5 毫米波發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在毫米波發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行全面的考慮。

（1）發(fā)射功率

發(fā)射功率是毫米波發(fā)射機(jī)的核心所在。毫米波發(fā)射機(jī)前端的功放決定了發(fā)射機(jī)的功率。各個(gè)毫米波的發(fā)射通道的發(fā)射功率必須為10?dBm。中頻發(fā)射系統(tǒng)的毫米波前端的混頻器與增益的線性度決定了發(fā)射系統(tǒng)的輸出功率，因此對(duì)中頻發(fā)射機(jī)的輸出功率要求不高。

（2）發(fā)射雜散

發(fā)射雜散是毫米波發(fā)射機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。在設(shè)計(jì)過程中，如果帶外發(fā)射雜散過大，則會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成一定的影響，因此毫米波發(fā)射機(jī)對(duì)于發(fā)射雜散有著嚴(yán)格的要求。如圖4所示，發(fā)射雜散來源于毫米波前端射頻器的各種頻率分量，因此在毫米波前端中利用SIW濾波器濾除鏡像頻率以及其他的結(jié)合頻率分量。

圖4 毫米波發(fā)射機(jī)單通道結(jié)構(gòu)

（3）載波抑制

毫米波發(fā)射機(jī)的載波泄漏主要是由毫米發(fā)射機(jī)的本振泄漏而造成的。由于本振信號(hào)本身的空間串?dāng)_以及器件本身隔離度有限，因此會(huì)導(dǎo)致本振泄漏到射頻信號(hào)上。通常情況下，可以利用調(diào)整調(diào)制器的基帶直流偏移來對(duì)載波進(jìn)行抑制。

（4）發(fā)射功率控制動(dòng)態(tài)范圍

想要實(shí)現(xiàn)毫米波頻段的增益控制，不僅成本較高而且難度較大，可能造成毫米波前端復(fù)雜化，所以在實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的功率控制時(shí)，可以通過在中頻使用數(shù)控衰減器來完成。

（5）通道增益平坦度

毫米波頻段的通道平坦度直接影響信號(hào)的線性真實(shí)性。如果通道平坦度不夠，就將造成信號(hào)的線性失真，引發(fā)調(diào)制信號(hào)的碼間干擾。射頻器本身的特性以及電路的匹配對(duì)于通道的平坦度有著決定性作用，在設(shè)計(jì)過程中以及后期的電路調(diào)試過程中都要提高對(duì)各個(gè)器件的阻抗匹配的重視度。在毫米波發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，還要特別注意調(diào)制器基帶的調(diào)制帶寬應(yīng)滿足設(shè)計(jì)所需的帶寬需求。

2 總結(jié)

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)移動(dòng)通信的速度、質(zhì)量、功能等方面都提出了較高的要求。5G通信的誕生是現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。5G技術(shù)比現(xiàn)今的4G移動(dòng)通信技術(shù)更先進(jìn)，在用戶體驗(yàn)方面、傳輸延時(shí)方面、系統(tǒng)安全方面以及覆蓋性能方面等都有了顯著的提高。面向5G通信的射頻中的同頻全雙工技術(shù)與毫米波頻段技術(shù)的應(yīng)用，更加快了我國(guó)5G通信的發(fā)展速度，改善了我國(guó)移動(dòng)通信的質(zhì)量與效果。

[1]劉旭峰. 分析5G通信射頻關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國(guó)新通信，2018，20（2）：15.

[2]羅德宇. 面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2017（9）：151.

[3]陳河. 面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)探究[J]. 通訊世界，2018（3）：65-66.

[4]皮和平. 面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 通訊世界，2017（2）：16-17.

[5]黃顯強(qiáng). 面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 電子測(cè)試，2017（6）：68-69.

[6]宋剛. 面向5G移動(dòng)通信技術(shù)的射頻關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2017（8）：17-18.

[7]楊彬祺. 面向5G通信的射頻關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 南京：東南大學(xué)，2015.

Research on Key Technologies of RF for 5G Communication

Ning Shude

China Comservice Construction Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510000

At this stage, 4G communication technology has been widely used in China. With the continuous development of science and technology, a new generation of 5G communication technology will also take advantage of the trend. At present, all industries in China have introduced the Internet of Things technology and Internet technology into the enterprise, completing the upgrade and transformation of the enterprise. In the days to come, 5G communication technology will usher in its golden age. Based on author’s many years of experience, he has conducted in-depth research and elaboration on key RF technologies for 5G communication, hoping to provide reference for the development of 5G communication technology.

5G communication; radio frequency technology; research

TN929.5

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