面向5G通信的射频关键技术探析

宁书德



面向5G通信的射频关键技术探析

宁书德

中通服建设有限公司，广东 广州 510000

现阶段，4G通信技术在我国得到了广泛的应用。随着科学技术的不断发展，新一代5G通信技术也将顺势而生。目前，我国各行业都将物联网技术与互联网技术巧妙地引入了企业中，完成了企业的升级和转型。在未来的日子里，5G通信技术将迎来黄金时期。根据自己多年的经验，对面向5G通信的射频关键技术进行了研究与阐述，希望能为5G通信技术的发展提供借鉴。

5G通信；射频技术；研究

引言

现阶段，我国居民使用的移动通信都是4G通信信号，与之前的移动通信技术相比，通信质量与通信功能都有了较大的提高。人们生活水平的不断提高，对移动通信技术也提出了更高的要求，4G通信技术已无法满足现代化社会对网络的发展需求，因此我国工业和信息化部也加快了5G通信技术的研究与规划进度。例如，5G在6 GHz以下频段规划方案以及5G技术试验毫米波段用频协调等。5G通信技术的网络速度将是现阶段的100倍，网络延迟也会下降50倍，密度提高10倍，能够推动通信行业的发展。5G通信技术还在研究阶段，发展尚不成熟。因此相关技术人员应加快研究速度，让5G通信尽快应用到人们的生活与工作中。

1 面向5G通信的射频关键技术分析

1.1 同频全双工技术

1.1.1 同频全双工收发机结构

5G通信系统的核心是射频收发机。同频全双工收发机是目前射频收发机中最先进的。FDD收发机的收发隔离必须通过双工器和滤波器来实现，而TDD收发机的时分双工操作必须通过收发切换开关来实现。同频全双工收发机能够省略双工器与切换开关，通过发射通道和接收通道的同频工作就能够实现。全双工系统的收发隔离主要与设备前端天线的隔离度和射频模块中接收和发射通道的设计相关[1]。同频全双工收发机能够打破双工器与切换开关的局限性，能够让发射通道与接收通道同时工作在一个频率。同频全双工收发机结构如图1所示。

图1 同频全双工收发机结构

1.1.2 同频全双工收发机自干扰问题

传统的FDD无线通信系统与TDD无线通信系统，一般采用半双工方式，主要是因为可以实现发射与接收之间的隔离。FDD无线通信系统能够抑制不想要的信号问题的原因是该系统将发射与接收分开建立，不在同一个频段。在TDD无线通信系统中，传送和接收在同一频率信道的不同时隙，用保证时间来分离接收和传送信道。同频全双工无线通信系统中的发射和接收是在同一个频段同时工作的，虽然打破了双工器与切换开关的局限性，但是在工作过程中会产生巨大的干扰，影响接收通道信号的接收，我们将这种干扰称之为同频全双工系统的自干扰[2-4]。同频双工收发机结构的自干扰主要是由环形器的端口隔离度有限而发生的泄漏引起的。收发天线分离同频双工收发机结构的自干扰主要是由发射天线与接收天线直达路径的响应与发射机近散射体而导致的发射杂散引起的。分离的收发天线频率响应测试结果如图2所示。

图2 分离的收发天线频率响应测试结果

1.1.3 同频全双工自干扰抵消技术

同频全双工自干扰问题严重阻碍了5G通信技术的发展，因此根据自干扰问题的具体原因，研发同频全双工自干扰抵消技术，进而推动我国5G通信技术的发展。现如今，相关专业人士经过不断努力，研发出了多种同频全双工自干扰抵消技术，主要采用数字域自干扰消除方法与模拟域自干扰消除方法。

数字域自干扰消除方法主要是利用ADC对各接收端的信号进行详细的采样，从而在数字域中实现自干扰抵消的效果，同时利用ADC将抵消信号转化到模拟域，然后通过附加的发射频道调制到射频将自干扰问题抵消。模拟域消除方法是利用在射频电路上合成的自干扰信号的等幅反相信号来实现的[5]。同频全双工自干扰抵消技术对同频全双工技术有着重要的价值与作用。同频全双工自干扰抵消技术的优势主要体现在以下几个方面。

（1）射频域的抵消技术能够扩充接收机的容量，防止接收机出现饱和。抵消技术通过提高发射与接收之间的隔离，从而平衡干扰信号进入与接收时的强度。

（2）射频域的抵消技术能够打破收发机本振相位噪声与接收通道线性、非线性失真等问题的限制。

（3）射频域的抵消技术能够抵消发射机非线性失真引发的非线性自干扰问题。

想要实现射频全双工技术，就必须不断研究射频全双工自干扰抵消技术，充分利用数字技术与模拟技术来研发更多的自干扰抵消技术，从而推动我国射频全双工技术的发展。同频全双工自干扰抵消装置框图如图3所示。

图3 同频全双工自干扰抵消装置框图

1.2 大规模MIMO技术

大规模MIMO技术即多天线技术。现阶段，多天线技术已经得到了通信企业的广泛应用。例如，Wi-Fi无线通信系统与LTE无线通信系统中都应用了该技术。一般情况下，天线的数量不仅关系通信系统频谱效率与稳定性，而且还关系通信系统的传输速度，天线数量越多功能就越强。大规模MIMO技术必须将大量的天线设置在一个基站中，从而最大限度开发空间的维度资源，提高5G通信技术的频谱效率。基站中的天线可以选择部分价格实惠、耗电量小的天线组件，来节约投资成本。大规模MIMO技术是通过将通信波束集中在控制范围之内来降低干扰，从而降低通信发射功率，提高通信的功率效率。天线的数量越多，通信系统的线性检测与编码的质量就越高。射频中的大规模MIMO技术实现了5G通信系统的高频段，不仅提升了通信系统的容量，而且拓宽了网络覆盖的面积，同时提高了无线频谱的效率。5G 的LTE频谱分配图如表1所示。

1.3 毫米波频段移动通信系统

1.3.1 毫米波频段移动通信技术概述

表1 LTE 频谱分配表

随着现代化社会通信行业的不断发展，5G通信技术中的毫米波频段移动通信技术拓宽了5G通信技术的发展领域。现阶段，我国低频段频谱资源的利用空间已经几乎没有了，目前几乎很难遇到能够与之媲美的新型频段。5G通信的优势主要是频率的传输速度快，因此对传输带宽以及射频中的各个构件的要求也相对较高。毫米波频段技术能够满足5G通信系统的要求。毫米波的意思就是波长在毫米数量级中的电磁波。毫米波的频率一般在30～300 GHz范围之内。据相关调查结果，无线通信中的最大信号5G带宽类似于5%的载波频率，因此无线通信的最大信号带宽与载波频率成正比。在未来的日子里，5G通信的射频技术中毫米波段的28 GHz与60 GHz频段将会是利用率最高的频段。这两个频段中的各个信道的频谱带宽最高可达2 GHz，将会是现如今4G通信频谱带宽以及载波频率的10倍，使5G时代的用户不需要下载，就可以快速观看任何喜欢的电影以及视频等[6]。

1.3.2 衰减大、绕射能力弱的特性分析

虽然毫米波频段通信技术能够加快频率的传输速度，但是暴露在空气环境下的毫米波频段技术的效果会大大减弱，严重影响毫米波频段技术的绕射能力。通俗的说法就是，如果毫米波频段技术受到空气中各物质的影响，就会导致穿墙能力减弱。毫米波频段通信技术在空气和氧气作用下的共振率是60 GHz，能够降低附近终端之间产生的信号干扰。由此可见，毫米波频段技术并不适用于设置在露天基站距离远或者使用手机终端的场所。现阶段，5G通信技术的研发人员暂时将毫米波频段技术的使用定位于视野开阔的场所，采用传统的 6 GHz以下的频段来保证通信网络信号的覆盖面积。

1.3.3 毫米波波长小的特性分析

一般情况下，天线的长度决定了波段的波长，因为天线的长度与波段的波长是成正比的。毫米波波段的波长要比传统波频段技术中波段的波长小得多，因此毫米波频段的天线长度也要比传统波频段中的天线长度小得多。在5G通信系统中应用毫米波频段技术就能够实现在用户手机上随意配备毫米波天线阵列。通俗说法就是5G通信技术能够实现发射端、接收端分别配置不同数量的发射天线以及接收天线，从而大幅提高移动通信的质量与效果[7]。

1.3.4 节省成本和控制功耗的技术分析

现阶段，5G通信技术研发人员为了节省成本和控制功能的消耗，在毫米波频段收发机的芯片方面采用了CMOS工艺。这种工艺不仅能够节省成本，而且还能够实现数字模块集成。5G通信系统中的收发机对于毫米波频段技术也有一定的要求，要求CMOS器件必须在毫米波频段上操作。这样一来就提高了CMOS 器件信号对灵敏度的要求。CMOS 器件还能够控制功耗，通过控制端来对流量进行调整。如果想要CMOS 器件对毫米波的信号做出快速反应，就必须调高直流的电流，因此毫米波信号的强弱具有控制功耗的功能。

1.3.5 毫米波发射机结构设计

在毫米波发射机结构设计过程中，需要对以下几个方面进行全面的考虑。

（1）发射功率

发射功率是毫米波发射机的核心所在。毫米波发射机前端的功放决定了发射机的功率。各个毫米波的发射通道的发射功率必须为10 dBm。中频发射系统的毫米波前端的混频器与增益的线性度决定了发射系统的输出功率，因此对中频发射机的输出功率要求不高。

（2）发射杂散

发射杂散是毫米波发射机的一个关键指标。在设计过程中，如果带外发射杂散过大，则会对其他系统的正常运行造成一定的影响，因此毫米波发射机对于发射杂散有着严格的要求。如图4所示，发射杂散来源于毫米波前端射频器的各种频率分量，因此在毫米波前端中利用SIW滤波器滤除镜像频率以及其他的结合频率分量。

图4 毫米波发射机单通道结构

（3）载波抑制

毫米波发射机的载波泄漏主要是由毫米发射机的本振泄漏而造成的。由于本振信号本身的空间串扰以及器件本身隔离度有限，因此会导致本振泄漏到射频信号上。通常情况下，可以利用调整调制器的基带直流偏移来对载波进行抑制。

（4）发射功率控制动态范围

想要实现毫米波频段的增益控制，不仅成本较高而且难度较大，可能造成毫米波前端复杂化，所以在实现发射机的功率控制时，可以通过在中频使用数控衰减器来完成。

（5）通道增益平坦度

毫米波频段的通道平坦度直接影响信号的线性真实性。如果通道平坦度不够，就将造成信号的线性失真，引发调制信号的码间干扰。射频器本身的特性以及电路的匹配对于通道的平坦度有着决定性作用，在设计过程中以及后期的电路调试过程中都要提高对各个器件的阻抗匹配的重视度。在毫米波发射机结构设计过程中，还要特别注意调制器基带的调制带宽应满足设计所需的带宽需求。

2 总结

随着人们生活水平的不断提高，人们对移动通信的速度、质量、功能等方面都提出了较高的要求。5G通信的诞生是现代化社会发展的必然趋势。5G技术比现今的4G移动通信技术更先进，在用户体验方面、传输延时方面、系统安全方面以及覆盖性能方面等都有了显著的提高。面向5G通信的射频中的同频全双工技术与毫米波频段技术的应用，更加快了我国5G通信的发展速度，改善了我国移动通信的质量与效果。

[1]刘旭峰. 分析5G通信射频关键技术[J]. 中国新通信，2018，20（2）：15.

[2]罗德宇. 面向5G通信的射频关键技术研究[J]. 计算机产品与流通，2017（9）：151.

[3]陈河. 面向5G通信的射频关键技术探究[J]. 通讯世界，2018（3）：65-66.

[4]皮和平. 面向5G通信的射频关键技术研究[J]. 通讯世界，2017（2）：16-17.

[5]黄显强. 面向5G通信的射频关键技术分析[J]. 电子测试，2017（6）：68-69.

[6]宋刚. 面向5G移动通信技术的射频关键技术研究[J]. 中国高新技术企业，2017（8）：17-18.

[7]杨彬祺. 面向5G通信的射频关键技术研究[D]. 南京：东南大学，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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