面向5G通信的射频关键技术分析

黄显强（广东省电信规划设计院有限公司，广东广州，510630）

面向5G通信的射频关键技术分析

黄显强
（广东省电信规划设计院有限公司，广东广州，510630）

目前2G通信技术基本已经停用，3G通信技术得到普遍应用，4G通信技术也已经得到广泛推广和使用，通信行业的研究焦点从4G通信技术迅速转移到5G通信技术。本文结合5G通信技术的未来展望，分析了具有发展前景的大规模MIMO技术、毫米波频段移动通信技术、同频全双工技术三项面向5G通信的射频关键技术。

5G通信；射频；关键技术；毫米波

1 5G通信技术的未来展望

5G是英文单词缩写，它的意思是移动电话系统第五代即第五代通信技术是第四代通信技术4G之后的延伸，目前各国对5G通信尚处在研究中还未有任何国家的任何通信公司的公开规格或者官方文件提到5G，各国也尚未正式出台一个类似4G的具体标准。但是韩国、美国、欧盟和我国均在研发这种技术。截止到目前为止，有消息报道韩国已经成功研发5G通信技术，手机客户端在使用该技术后无线下载速度可达到3.6G每秒。1G等于1024M,1M等于1024K，1KB代表一个字符的容量，每秒3.6G的概念是下载一部DVD格式标准的电影只需几秒。韩国为这个技术命名为NOLA，韩国通信研究院专家称NOLA将作为铺设5G网络的基础技术，韩国的三星电子研究出的无线通信技术是目前最快的通信技术，三星电子宣布该公司研发的5G通信技术采用毫米波技术克服高频段传播难题，测试实验在两公里内每秒传输超过千兆字节数据，下载一部DVD标准规格的电影只需1秒，对第五代通信技术的研究成功取得突破性进展，据Gartner权威研究和分析机构预计，2020年家庭网络市场将达到979亿美元，韩国研发的第五代通信技术可帮助其在这一市场占领优势。欧盟数字议程连接部门副主管也介绍称也将计划借助5GPPP的力量帮助欧盟步入5G研发阶段预计将在2020年推出，并预计5G数据流量高峰大约在23年后出现。美国昨天也有消息称5G通信技术将在美国两个州进行试商用，国家政府将出资6亿美元帮助研发5G通信技术，英国萨里大学科学家也发消息称已经研发出最新最快的第五代通信技术，每秒可传达1万亿字节数据相当于125GB，比4G快了6.5万倍，下30部电影只需1秒。面对各国相继发布的研究成果，中国的华为也不甘示弱，在2015年投资6亿美元研究5G通信技术并在2016年11月17日的3GPP RAN187会议的5G短码方案讨论中，最终战胜列强成为5G控制信道EMBB场景编码最终方案。5G标准可由关键指标和一组关键技术共同定义。关键指标是指用户体验速率，一组5G的关键技术包括大规模天线，超密集组网，新型多址技术、全频谱接入及新型网络架构。图1为安卓设计的有关5G高速度结构图

图1 5G安卓结构示意图

2 面向5G通信的射频关键技术分析

2.1 大规模MIMO技术分析

大规模MIMO技术又称多天线技术，目前已经广泛应用到各种无线通信系统中，比如WIFI、LTE等。从理论上来讲，天线越多通信系统频谱效率、传输速率和可靠性就越高，在大规模MIMO技术中需要在一个基站中配置大量的天线，这些天线可以由一些价格低廉低功耗的天线组件实现，为大规模MIMO技术降低成本。将数量庞大的天线配置在一个基站中的优势是可进一步开发空间维度资源提高5G通信的频谱效率，将通信波束集中在规划范围内以减少不同小区或地方的干扰， 大幅度降低通信发射功率，提高5G通信的功率效率，而且天线的数量越庞大通信的线性编码、检测越优。大规模MIMO技术的优势为5G通信实现高频段移动通信提供了广阔前景，为5G数倍提升无线频谱效率、增大网络覆盖面积、增大通信系统容量，并且能够帮助通信运营商最大可能的利用已有站址及频谱资源。图2为我国中国移动、中国联通和中国电信关于5G的LTE频谱分配图。

2.2.3 毫米波波长小的特性分析

天线的物理尺寸与波段的波长成正比，因毫米波波段的波长与传统6GHz的频段波长相比要小很多，故此毫米波频段的物理天线比传统6GHz的频段物理天线可小很多，在未来的5G通信中若使用毫米波频段技术可实现随意配备移动手机上的毫米波天线阵列，换句话说即是在5G时代将实现发射端、接收端分别使用各种数量的发射天线和接受天线配置，从而提高通信质量。

2.2.4 节省成本和控制功耗的技术分析

5G通信的试商用的毫米波频段收发机芯片若使用CMOS工艺不但可以实现数字模块集成还可节约成本，CMOS工艺是指最

图2 LTE频谱分配图

2.2 毫米波频段移动通信技术分析

2.2.1 毫米波频段移动通信技术概述

第五代通信技术运用毫米波技术的未来展望图，随着通信行业的快速发展，各国的低频段频谱资源利用已经处于瓶颈口，未来5G时代很难找到与之相对应的新频段，而5G通信的特点是比4G更大的传输频率，这就需要更大的传输带宽，对射频的各种器件要求势必也会提高，面对这种难题毫米波频段技术被提上来成为5G通信射频关键技术之一。毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波，它的波频率大概在30GHz~300GHz之间。根据通信原理可知无线通信的最大信号5G带宽约等于5%的载波频率，故载波频率与无线通信的最大信号带宽成正比，在未来的5G通信中毫米波段的28GHz与60GHz频段是最有希望使用的两个频段毫米波频段的28GHz和60GHz频段每个信道的可用频谱带宽分别可达1GHz和2GHz，相比已经使用的4G-LTE频段最高载波频率在2GHz左右，最高可用频谱带宽仅在100MHz来说，若未来5G通信射频关键技术使用毫米波频段，它的频谱带宽将会轻而易举的翻上10倍，通信传输速率也将由此得到大量提升。换句话说，5G时代只要用户不怕高流量消耗可用手机5G在线轻松看蓝光品质电影。

2.2.2 衰减大绕射能力弱的特性分析

毫米频波段技术在空气中的衰减比较大，绕射能力相对也比较弱，也就是说若5G通信使用毫米频波段技术通信信号会被各种抵挡物阻拦，连基本的穿墙都不太可能实现。但是我们也可利用毫米频波段的这一特性，我的手机使用毫米频波段技术毫米波信号衰减厉害，其它人的手机发射出的毫米波信号衰减同样厉害，故此未来5G通信的毫米波频段系统在研发时大可不必重点考虑信号干扰处理问题，只要相邻两个终端保持一定距离即可。在空气中氧气的共振频率是60GHz，因此5G选择60GHz的毫米波频段完全可以避免相邻终端之间的信号干扰。当然毫米波频段技术的这一特性同时也注定其不适合在室外使用手机终端和在基站距离远的场合使用。目前我国开发商对5G通信的毫米波频段技术使用的规划是在户外开阔地带使用传统的6GHz以下的频段以确保通信信号覆盖率，在室内与微型基站结合使用以实现5G超高速数据传输。常用的集成电路制造工艺即半导体-氧化层-金属堆叠形成的半导体器件工艺。毫米波频段技术应用在5G通信中的收发机上要求CMOS器件可以在毫米波频段上工作，这对CMOS器件的信号灵敏度要求很高。CMOS器件是通过控制端调整输出流量的，若需要CMOS器件对毫米波的微弱信号做出快速反应就需要调大直流电流，相对的功耗的会较大。因此功耗与毫米波信号的强弱程度成正比，可根据毫米波信号强弱控制功耗。

2.3 同频全双工技术分析

同频全双工通信技术是指同时同频的进行双向通信技术，它可在相同的载波频率上同时收发数据，从理论上来讲比4G现有的技术提高一倍的频谱效率，但是在无线通信系统中，网络侧、终端侧有固定的信号自干扰会影响同频全双工技术在5G中的应用，因此需要引入天线独立、射频消除技术、数字消除技术等降低自干扰的影响能力到5G通信可接受的水平。就目前我国的技术条件来说尚无法实现同时同频双向通信，但是在未来随着器件技术、信号处理技术的快速发展，同频全双工技术在5G时代将得到最大限度的应用。

3 结束语

各国5G通信技术扔处在研究实验阶段，目前还未出台具体的5G通信技术标准，5G通信技术作为通信行业继4G通信技术之后新一轮全球移动通信技术竞争的开端，我国对5G通信的研发也越来越重视。本文结合5G通信技术的未来展望，分析了具有发展前景的大规模MIMO技术、毫米波频段移动通信技术、同频全双工技术三项面向5G通信的射频关键技术。

[1]尤肖虎，潘志文，高西奇,曹淑,邬贺铨.5G 移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学,2014(5):550-553.

[2]潘志文等．5G 移动通信发展趋势与若干关键技术 [J]．中国科学信息技术.2014（6）：155-156.

[3]周代卫，王正也，周宇．5G 终端业务发展趋势及技术挑战［J］．电信网技术，2015(3) : 64- 68．

[4]李革.我国5G移动通信的关键技术与发展趋势[J].科技创新，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