汪常娥

（廣東通宇通訊股份有限公司，廣東 中山 528437）

1 移動(dòng)通信發(fā)展歷程概述

我國(guó)移動(dòng)通信歷經(jīng)“2G跟蹤，3G突破，4G同步”各階段，于2016年1月成立互聯(lián)網(wǎng)會(huì)議（IEMeeting，IMT）2020（5G）推進(jìn)組，從5G業(yè)務(wù)、頻率、無線傳輸與組網(wǎng)技術(shù)、評(píng)估測(cè)試驗(yàn)證技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化及知識(shí)產(chǎn)權(quán)等各方面，全面發(fā)力5G[1]。工信部為5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)規(guī)劃4個(gè)頻段：3.3～3.6 GHz，4.8～5.0 GHz，24.75～27.5 GHz，37`42.5 GHz[1]。國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）的5G愿景，5G將會(huì)面向3大場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶場(chǎng)景、低時(shí)延高可靠場(chǎng)景和大連接低功耗場(chǎng)景[1]?？紤]人口因素我國(guó)5G應(yīng)用增加高密度覆蓋場(chǎng)景。國(guó)內(nèi)外廠商在世界移動(dòng)通信大會(huì)（Mobile World Congress，MWC）2015年會(huì)議上展示各自的5G進(jìn)展后，5G迅速成為業(yè)界焦點(diǎn)，在全球如火如荼展開。

4G雖然解決了無線互聯(lián)有無問題，但無法滿足不了無人駕駛汽車、VR以及物聯(lián)網(wǎng)等的大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而5G恰逢其時(shí)，是面向2020年以后的移動(dòng)通信需求的新一代通信系統(tǒng)。5G將會(huì)全面支持人與人、人與物、物與物的智能互聯(lián)。對(duì)消費(fèi)者而言，5G價(jià)值在于其擁有比4G長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）技術(shù)更快的速度（峰值速率可達(dá)幾十Gbps），如你可在1秒內(nèi)下載一部高清電影，而4G LTE可能要10分鐘。

2 關(guān)鍵技術(shù)

5G技術(shù)相對(duì)4G優(yōu)勢(shì)是全方位的，特別是毫米波、小基站、massive MIMO、全雙工、波束成形5大技術(shù)，其高性能、低時(shí)延、高容量特性尤其突出[2]。

2.1 毫米波

無線設(shè)備數(shù)量增加，頻譜資源稀缺，只能在窄頻譜上共享有限帶寬，極大地影響用戶體驗(yàn)。5G通信采用毫米波（26.5～300 GHz）技術(shù)，通過增加帶寬來提升速率。28 GHz可用帶寬約為1 GHz，而60 GHz可用帶寬則為2 GHz。毫米波在提升帶寬與信號(hào)質(zhì)量、覆蓋用戶方面的優(yōu)勢(shì)突出。

2.2 小基站

未來5G通信不再依賴大型基站，而采用小型基站，可約250 m設(shè)置一小基站，每城市可部署數(shù)千個(gè)形成密集網(wǎng)絡(luò)。小基站從其他基站接收信號(hào)并向任何位置的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，覆蓋大基站無法觸及的末梢通信，且小基站的功耗也大大降低，從而降低成本。

2.3 massive MIMO

多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)已用在某些4G基站。用戶對(duì)數(shù)據(jù)需求呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，特別對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸需求，約是4G LTE系統(tǒng)1 000倍的網(wǎng)絡(luò)容量、1 ms極低時(shí)延的大規(guī)模MIMO天線陣列系統(tǒng)被認(rèn)為是5G最具潛力的傳輸技術(shù)[2]。massive MIMO技術(shù)集成更多天線形成大規(guī)模天線陣列，意味著基站可同時(shí)向更多用戶發(fā)送、接收信號(hào)，將網(wǎng)絡(luò)容量提升數(shù)十倍或更大。但多天線也帶來更多干擾，而波束成形是解決此問題的關(guān)鍵[3]。

2.4 波束成形

massive MIMO技術(shù)將每天線陣列上集成更多天線，控制發(fā)出的電磁波在空間互相抵消或增強(qiáng)形成窄波束，將有限能量集中在特定方向，使傳輸距離更遠(yuǎn)，還可降低信號(hào)干擾，此方式稱為波束成形[3]。波束成形只瞄準(zhǔn)相應(yīng)的單用戶設(shè)備，大大降低能量損耗。波束成形技術(shù)固然能改善系統(tǒng)性能，增加接收距離，但同時(shí)也會(huì)增加設(shè)備成本和功耗。

2.5 全雙工

全雙工技術(shù)是指收發(fā)機(jī)同時(shí)工作在同一頻率上，突破頻分雙工（Frequency Division Duplex，F(xiàn)DD）和時(shí)分雙工（Time Division Duplex，TDD）模式，是5G所需的高吞吐量和低延遲的關(guān)鍵技術(shù)，可提升頻譜效率。但也帶來一些挑戰(zhàn)。接收和發(fā)送信號(hào)的功率差異大，導(dǎo)致自干擾嚴(yán)重，因此解決首要問題是自干擾的抵消[2]。目前對(duì)全雙工系統(tǒng)的分析大多是單小區(qū)、用戶數(shù)比較少、發(fā)射功率和傳輸距離小的情況，缺乏對(duì)多小區(qū)、大用戶數(shù)等條件下的研究成果，因此在多小區(qū)、大動(dòng)態(tài)范圍下的全雙工的干擾消除技術(shù)以及與MIMO結(jié)合的技術(shù)等要深入研究的重要課題[2]。

3 massive MIMO天線技術(shù)介紹

3.1 massive MIMO—4G持續(xù)演進(jìn)到5G

未來基站天線有兩大趨勢(shì)：（1）天線從無源到有源，意味著天線會(huì)智能化、小型化、定制化。為降低成本節(jié)省空間，要求天線是多頻段、寬頻段、多波束、massive MIMO的。（2）天線系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，需考慮天線與系統(tǒng)兼容問題，而massive MIMO天線設(shè)計(jì)尤其重要。貝爾[3]實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)90年代提出多天線技術(shù)，3G時(shí)被引入無線通信領(lǐng)域，也是4G通信的鍵技術(shù)之一，后發(fā)展為大規(guī)模天線技術(shù)。

4G時(shí)代的massive MIMO技術(shù)已被認(rèn)為是4G部署以來最有效的技術(shù)，它利用LTE TDD頻譜的優(yōu)勢(shì)，在網(wǎng)絡(luò)性能方面獲得革命性突破：（1）采用massive MIMO頻譜效率比普通宏基站提高3～5倍，激勵(lì)運(yùn)營(yíng)商改變網(wǎng)建策略。（2）massive MIMO提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋的靈活性，可利用其水平、垂直覆蓋特性來滿足不同場(chǎng)景下的覆蓋。（3）massive MIMO與4G終端兼容，且支持向5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，提升現(xiàn)有投資的回報(bào)。

為滿足急速增長(zhǎng)的話務(wù)需求，使4G保持連續(xù)演進(jìn)，就要增加5G時(shí)代的天線數(shù)目，massive MIMO天線是未來5G信號(hào)傳輸?shù)摹案咚俟贰?。在話?wù)負(fù)荷高、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量大的場(chǎng)合如市區(qū)CBD、商業(yè)中心等，massive MIMO可提供較高的空間復(fù)用增益，較強(qiáng)的波束賦形能力，滿足區(qū)域內(nèi)的容量需求。高層建筑內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差，為滿足話務(wù)需求，massive MIMO具有以下特性：垂直面采用大量天線陣列，增強(qiáng)高層覆蓋；采用波束賦形增益彌補(bǔ)穿透損耗；按需對(duì)波束寬度、方向調(diào)整，降低區(qū)間干擾，增強(qiáng)3D覆蓋和容量。

3.2 massive MIMO利弊共存

massive MIMO的優(yōu)勢(shì)：（1）大幅提高網(wǎng)絡(luò)容量。在基站側(cè)配置眾多天線陣列，通過空間復(fù)用技術(shù)，在同一時(shí)頻資源上同時(shí)服務(wù)更多用戶，提升頻譜效率，滿足5G通信海量信息的傳輸需求。（2）大幅降低成本。一堆天線的疊加增益較高，降低每根天線發(fā)射功率，避免使用大動(dòng)態(tài)范圍功放，降低成本。（3）提高發(fā)射效率。根據(jù)香農(nóng)公式，將天線分組增加天線信道流數(shù)，提高公式第一項(xiàng)，就像是建起高架橋?qū)崿F(xiàn)信號(hào)并行傳輸。（4）大幅降低時(shí)延，低延時(shí)通信成為可能。（5）與毫米波技術(shù)完美合作。5G的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)—毫米波技術(shù)，其帶寬豐富，但衰減強(qiáng)烈，而波束成形技術(shù)正好補(bǔ)其短板[4]。

massive MIMO的弊端導(dǎo)致需要考慮以下問題：（1）如何降低不同功能模塊、不同頻段間的互擾。（2）如何去除MIMO系統(tǒng)的天線互耦。（3）如何去除天線和電路設(shè)計(jì)的相關(guān)性。（4）如何去除不同小區(qū)導(dǎo)頻干擾。（5）如何解決日益復(fù)雜的波束成形算法的硬件需求。為克服以上難點(diǎn)，世界各大機(jī)構(gòu)都加緊研發(fā)原型機(jī)如美國(guó)萊斯大學(xué)的Argos原型機(jī)、三星毫米波大規(guī)模天線原型機(jī)、瑞典隆德大學(xué)LuMaMi原型機(jī)等[4-5]。

3.3 有源天線技術(shù)、TDD左膀右臂

有源天線是將有源器件與天線集成于一體，可實(shí)現(xiàn)電磁波產(chǎn)生、變換、發(fā)射和接收等系統(tǒng)功能的裝置，具有集成度高、便于控制下傾角和波瓣寬度且支持多天線技術(shù)特點(diǎn)[3]。在LTE/LTE-A時(shí)代，有源天線技術(shù)為提升容量和覆蓋范圍添磚加瓦；在5G時(shí)代，massive MIMO系統(tǒng)也必然使用此技術(shù)，有限的天線資源無法滿足massive MIMO系統(tǒng)需求，有源天線技術(shù)為其鋪平道路。例子：鐵塔頂端水平方向上安裝的8個(gè)700 MHz的天線單元，間距為半波長(zhǎng)，水平長(zhǎng)度為1.7 m；LTE采用32個(gè)2.5 GHz的天線單元，間距為半波長(zhǎng)，水平長(zhǎng)度為1.9 m[6]。

massive MIMO系統(tǒng)建議采用TDD方案，優(yōu)勢(shì)突出。由于上下行信道的互易性，TDD基站可得到完整的非量化的下行信息，能適用于64個(gè)以上天線的波束賦形，從而能用波束賦形技術(shù)提升小區(qū)覆蓋和吞吐量，且TDD系統(tǒng)更靈活、準(zhǔn)確調(diào)度多用戶，來增加系統(tǒng)容量[7-8]。而FDD基站僅通過UE反饋的碼本得到量化的信道信息，制約其波束賦形和調(diào)度靈活性[5]。此外，TDD massive MIMO系統(tǒng)無需升級(jí)現(xiàn)有的商用3GPP R8/R9 UE即可使用，便于從4G演進(jìn)到5G網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省升級(jí)成本[5，7]。

3.4 massive MIMO測(cè)試

測(cè)量massive MIMO天線陣列功率的要求不曾在傳統(tǒng)場(chǎng)合出現(xiàn)過，該測(cè)試使用無線下載（Over the Air，OTA）測(cè)試實(shí)現(xiàn)，主要測(cè)試參數(shù)包括增益圖、輻射功率、接收機(jī)靈敏度、收發(fā)器/接收器特征和波束控制/波束跟蹤，任一項(xiàng)都會(huì)影響OTA測(cè)量[9]。由于沒有專用天線端口或射頻端口，因此OTA測(cè)量系統(tǒng)須能夠獲取相位，以便轉(zhuǎn)換到遠(yuǎn)場(chǎng)。兩種獲取相位的方法：（1）干涉測(cè)量：相位參考用已知相位的第二根天線。參考信號(hào)與含未知相位的被測(cè)設(shè)備信號(hào)混頻，信號(hào)后處理可獲得被測(cè)設(shè)備信號(hào)的相位，并用于近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)的變換[9]。（2）多個(gè)面或探頭：相位參考用第二個(gè)面，兩個(gè)測(cè)量半徑間至少間隔一個(gè)波長(zhǎng)，或用具有不同天線場(chǎng)特性的兩個(gè)探頭（兩探頭分開至少半個(gè)波長(zhǎng)以減小互耦）來代替多個(gè)面[9]。

某廠家提供的5G測(cè)試場(chǎng)—單反射面的小型緊縮場(chǎng)系統(tǒng)（僅供參考）介紹如下：設(shè)計(jì)靜區(qū)大小設(shè)計(jì)為0.8 m，形狀為圓柱形；靜區(qū)測(cè)試距離為4 m；測(cè)試頻率范圍6～110 GHz；幅度錐削1.0 dB；幅度波動(dòng)±0.5 dB（F＜40 GHz），±1.0 dB（F≥40 GHz）；相位波動(dòng)10°（F＜18 GHz），10°（F≥40 GHz）；交叉極化-30 dB，反射面尺寸為2.0 m×2.0 m；暗室尺寸為8 m×4 m×4 m；主反射面吸波材料垂直入射反射率≤-55 dB，選擇高度為0.6 m高聚氨酯角錐吸波材料。可優(yōu)化上述方案中的各項(xiàng)指標(biāo)，以滿足后期實(shí)際測(cè)試需求。

massive MIMO系統(tǒng)的射頻端口消失以及使用厘米波和毫米波頻率的特點(diǎn)，使得OTA測(cè)試成為表征massive MIMO陣列和內(nèi)部收發(fā)器性能的必要手段，通過何種方式進(jìn)行測(cè)試目前均未有清晰的技術(shù)途徑，3GPP標(biāo)準(zhǔn)也在技術(shù)研討中[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

盡管5G的勢(shì)頭遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過4G，但5G的未來仍充滿不確定性，現(xiàn)在需要將這些無線關(guān)鍵技術(shù)盡快完成實(shí)驗(yàn)階段，并推向?qū)嵱秒A段，預(yù)計(jì)2020年將其投入商用，可部分滿足未來移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，并帶來新的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。目前massive MIMO技術(shù)在一些典型場(chǎng)景下得到驗(yàn)證具有明顯優(yōu)勢(shì)，此技術(shù)為4G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)和未來5G網(wǎng)絡(luò)的部署奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著研究不斷深入，5G通信的關(guān)鍵技術(shù)將進(jìn)一步明確，未來幾年將飛速發(fā)展。

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