烽火科技助推5G關(guān)鍵技術(shù)研究及行業(yè)應(yīng)用

MU-MIMO和Beam-forming示意圖

隨著4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，預(yù)計(jì)2017年年底全球4G覆蓋率將超過50%。烽火科技作為LTE設(shè)備和解決方案的提供商，已幫助運(yùn)營商完成了多個(gè)4G公用網(wǎng)絡(luò)的部署和商用，同時(shí)積極推動(dòng)4G技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用，參與了B-TrunC、LTE-M、LTE-R等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定和推廣，并成功將寬帶LTE專網(wǎng)設(shè)備及解決方案應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)安全、軌道交通、寬帶集群等多個(gè)方向，推進(jìn)了各產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其中，用于武漢地鐵六號(hào)線的全球首條LTE承載CBTC（列車控制信號(hào)）的地鐵線路所使用車地?zé)o線通信系統(tǒng)就是由烽火科技提供的。

5G時(shí)代臨近，全球多國政府和組織、學(xué)術(shù)界與工業(yè)界均已開始開展5G原型系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，預(yù)計(jì)將于2020年進(jìn)入商業(yè)化部署階段，屆時(shí)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)10 Gbps的傳輸速率、1000倍的系統(tǒng)容量提升和千億設(shè)備的連接，以滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。與2G、3G和4G技術(shù)的演進(jìn)相比，5G技術(shù)已經(jīng)不僅僅是追求傳輸速率的提升，而且是與各個(gè)垂直行業(yè)的應(yīng)用相互結(jié)合，大帶寬高速率、低時(shí)延高可靠、低功耗大連接等5G技術(shù)特點(diǎn)在不同行業(yè)中將有不同的需求，5G的行業(yè)推進(jìn)一定不是技術(shù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)物，而是應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的結(jié)果。

面對(duì)未來可能存在的應(yīng)用，烽火科技正在加緊對(duì)5G關(guān)鍵技術(shù)的研究。目前，5G通信系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)速率和系統(tǒng)容量的提升，需通過開發(fā)新頻譜資源、提高頻譜效率和布置超密集網(wǎng)絡(luò)等途徑實(shí)現(xiàn)，因此需要開發(fā)新的無線傳輸技術(shù)。毫米波頻段（30GHz-300GHz）具有較豐富的頻譜資源，能夠提供較大的信號(hào)帶寬，同時(shí)在毫米波頻段采用波束賦形（Beamforming）技術(shù)可以有效地克服毫米波傳輸問題，從而擴(kuò)展毫米波通信的距離。

大規(guī)模MIMO（大規(guī)模陣列天線）技術(shù)能夠深度挖掘空間維度資源，使得網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)用戶可以在同一時(shí)頻資源上與基站同時(shí)進(jìn)行通信,從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜使用效率。因此，毫米波相控陣技術(shù)與大規(guī)模MIMO是實(shí)現(xiàn)5G傳輸目標(biāo)的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。烽火科技現(xiàn)階段主要針對(duì)5G高頻段毫米波小基站技術(shù)及5G大規(guī)模陣列天線技術(shù)展開研究。

5G高頻段毫米波小基站技術(shù)

5G高頻段毫米波小基站設(shè)備是實(shí)現(xiàn)5G通信傳輸目標(biāo)的載體，而小型化低成本和全集成的毫米波相控陣收發(fā)機(jī)是5G通信實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用所必須突破的技術(shù)。烽火科技開展5G蜂窩小基站的原型設(shè)備以及所需的核心毫米波前端芯片的開發(fā)，并針對(duì)毫米波相控陣發(fā)射前端開展技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)毫米波相控陣收發(fā)機(jī)的低成本設(shè)計(jì)。開發(fā)高效率毫米波功率放大器、新型高線性度有源移相器設(shè)計(jì)技術(shù)和衰減器等核心芯片組，同時(shí)將根據(jù)5G需求開發(fā)符合商用要求的蜂窩小基站原型機(jī)和產(chǎn)品。

由于目前5G通信還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)，因此沒有統(tǒng)一的頻率規(guī)劃?？紤]到頻譜的可用性和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難易程度等因素，學(xué)術(shù)界與工業(yè)界對(duì)5G通信的研發(fā)多集中在28GHz、38GHz、45GHz和E-band等頻段。烽火科技將在28GHz頻段處，研究高集成度、高性能和低成本的毫米波相控陣發(fā)射前端，并以此形成多頻段的毫米波技術(shù)開發(fā)平臺(tái)；同時(shí)，通過對(duì)新型移動(dòng)性管理、高頻波束賦形、UDN等技術(shù)的深入研究，提出高低頻融合組網(wǎng)及提升高頻傳輸距離和覆蓋范圍的解決方案。

5G大規(guī)模陣列天線技術(shù)

大規(guī)模MIMO是5G關(guān)鍵技術(shù)之一，大規(guī)模MIMO實(shí)際就是大規(guī)模天線陣列，天線陣列單元達(dá)到64、128或更高的數(shù)量。由于更高頻段的使用，天線的體積不會(huì)太大，對(duì)安裝和使用不會(huì)造成困擾。大規(guī)模天線為無線網(wǎng)的覆蓋和效率的提升提供了基礎(chǔ)。

大規(guī)模天線組網(wǎng)中，基站端擁有多根天線，通過數(shù)字信號(hào)處理自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)天線發(fā)射信號(hào)的相位和幅度，使其在手機(jī)接收點(diǎn)形成電磁波的疊加。這種利用數(shù)字信號(hào)處理產(chǎn)生的疊加效果就如同完成了基站端虛擬天線方向圖的構(gòu)造，因此稱為“波束成形”（Beam forming）。通過波束成形技術(shù)，發(fā)射能量可以匯集到用戶所在位置，而不向其他方向擴(kuò)散，并且基站可以通過監(jiān)測用戶的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，使最佳發(fā)射方向跟隨用戶的移動(dòng)，保證在任何時(shí)候手機(jī)接收點(diǎn)的電磁波信號(hào)都處于疊加狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，多天線的基站也可以同時(shí)瞄準(zhǔn)多個(gè)用戶，構(gòu)造朝向多個(gè)目標(biāo)客戶的不同波束，并有效減少各個(gè)波束之間的干擾。這種多用戶的波束成形在空間上有效地分離了不同用戶間的電磁波，這種對(duì)空間資源的充分挖掘，可以有效利用寶貴而稀缺的頻帶資源并且?guī)资兜靥嵘W(wǎng)絡(luò)容量。

大規(guī)模天線陣列在5G系統(tǒng)的應(yīng)用帶來網(wǎng)絡(luò)容量的大幅度提升，成為5G天線的主要形態(tài)，業(yè)界都在緊鑼密鼓地進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)研究，在大規(guī)模天線陣列的技術(shù)開發(fā)中，還需克服以下技術(shù)難題，才能更好地使天線性能服務(wù)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

1、輻射單元密集組陣，互耦強(qiáng)，帶來的各通道方向圖一致性差。在5G大規(guī)模天線陣列輻射陣的設(shè)計(jì)中，陣元之間的橫向間距僅為0.5λ，輻射單元之間的耦合效應(yīng)特別強(qiáng)，帶來方向圖形不規(guī)則變化，不同頻率之間的半功率波束寬度和增益跨度特別大。如果不解決這種方向圖形變的影響，那么在波束數(shù)字賦型過程中，即使賦予了理想的幅度和相位權(quán)值，其合成的方向圖也達(dá)不到理想形狀。烽火科技經(jīng)過多年研究已成功解決此問題，下圖的對(duì)比可以反饋出方向改善效果，改進(jìn)前陣元的水平半功率波束寬度跨度33.8~75°，且方向圖曲線變形嚴(yán)重，改進(jìn)后的陣元水平半功率波束寬度跨度85~96°，收斂性較好，方向圖曲線變得平滑。

2、多級(jí)校準(zhǔn)及端口耦合帶來的各射頻通道幅度相位的偏差。在大規(guī)模天線陣列中，因?yàn)樾枰獙?duì)各陣元的方向圖進(jìn)行數(shù)字合成，在合成前需保證各個(gè)通道的幅度和相位在合理的偏差范圍內(nèi)，如偏差較大則方向圖合成效果不理想。一般要求各通道的幅度偏差在0.5dB,相位偏差在5°范圍內(nèi)。烽火科技對(duì)此問題在設(shè)計(jì)上采用針對(duì)性措施盡量減少不利影響：一是電路設(shè)計(jì)盡量對(duì)稱設(shè)計(jì)，這樣電路之間的耦合效果可以視為與結(jié)構(gòu)對(duì)稱；二是PCB板材選用薄板，微帶電路線寬可以做窄，減少輻射損耗及耦合效果；三是控制加工誤差，選用一致性好性能穩(wěn)定的PCB原板；四是理論仿真結(jié)合實(shí)測結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)修正。

3、超多端口帶來的測試誤差和測試效率低下。5G天線不同于4G天線，相對(duì)于4G天線有限的2~12個(gè)端口數(shù)且端口連接器為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，5G大規(guī)模天線一般達(dá)到64、128，甚至更多端口數(shù)。目前測試電路參數(shù)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一般支持2/4端口，測試時(shí)需在天線其他待測端口外接負(fù)載，這樣測試效率極其低下，即使在不做任何調(diào)試的情況下，僅測試一副64通道天線的數(shù)據(jù)就需要4~6小時(shí)，且測試時(shí)間過長會(huì)造成校準(zhǔn)端口失效，影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。目前比較高效的方法是通過矢網(wǎng)可擴(kuò)展端口外接多端口測試矩陣，輔以數(shù)據(jù)采集軟件，根據(jù)測試矩陣開關(guān)設(shè)計(jì)的端口數(shù)，可以同時(shí)測試8/16/24端口，極大地提高測試效率，且提高測試精確度。

5G技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用前景展望

烽火科技于2015年加入由國家工信部、發(fā)改委等共同組成的IMT-2020（5G）推進(jìn)工作組，積極開展5G前沿技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)策略的研究與推進(jìn)工作。作為烽火科技下屬全資子公司，武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司具備多年2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)射頻和應(yīng)用技術(shù)積累以及建設(shè)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，是集團(tuán)無線移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的承擔(dān)者，同時(shí)我們也將繼續(xù)加大5G通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)投入，針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，發(fā)揮自身優(yōu)勢，提供高效可靠的下一代通信技術(shù)主流解決方案。我們相信，隨著5G技術(shù)的發(fā)展和演進(jìn)，其必然會(huì)在各相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起到越來越重要的作用。

生成海報(bào)

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容主要來自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網(wǎng)站出現(xiàn)的信息，均僅供參考。本網(wǎng)站將盡力確保所提供信息的準(zhǔn)確性及可靠性，但不保證有關(guān)資料的準(zhǔn)確性及可靠性，讀者在使用前請(qǐng)進(jìn)一步核實(shí)，并對(duì)任何自主決定的行為負(fù)責(zé)。本網(wǎng)站對(duì)有關(guān)資料所引致的錯(cuò)誤、不確或遺漏，概不負(fù)任何法律責(zé)任。任何單位或個(gè)人認(rèn)為本網(wǎng)站中的網(wǎng)頁或鏈接內(nèi)容可能涉嫌侵犯其知識(shí)產(chǎn)權(quán)或存在不實(shí)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)及時(shí)向本網(wǎng)站提出書面權(quán)利通知或不實(shí)情況說明，并提供身份證明、權(quán)屬證明及詳細(xì)侵權(quán)或不實(shí)情況證明。本網(wǎng)站在收到上述法律文件后，將會(huì)依法盡快聯(lián)系相關(guān)文章源頭核實(shí)，溝通刪除相關(guān)內(nèi)容或斷開相關(guān)鏈接。