張樂 宋志強(qiáng)

【摘要】? ? 5G終端因其具有高速率，低時(shí)延，大連接等特點(diǎn)而廣受關(guān)注，但是因?yàn)槠浼夹g(shù)復(fù)雜，工作頻段組合多，解決終端干擾已經(jīng)成為5G終端應(yīng)用中需要有效解決的一大問題。本文首先分析了5G終端干擾的來源，并以內(nèi)部自干擾作為研究重點(diǎn)。結(jié)果表明終端中元器件PA的非線性特性為內(nèi)部干擾的主要因素。為了消除終端內(nèi)非線性特性以改善終端內(nèi)部干擾，給出了三種解決終端自干擾的方法：提升濾波器技術(shù)、使用數(shù)字預(yù)失真以及提高終端MIMO天線陣列的隔離度，三種方法的關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分別討論。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G終端? ? 自干擾? ? 非線性? ? 濾波器技術(shù)? ? 數(shù)字預(yù)失真? ? 天線隔離度

引言

隨著5G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，5G終端已如雨后春筍般涌現(xiàn)，根據(jù)中國(guó)移動(dòng)發(fā)布的《5G終端白皮書》顯示，5G終端市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2020年將超過億級(jí)水平[1]。5G網(wǎng)絡(luò)部署方式目前還是以NSA架構(gòu)為主，因此要求終端支持雙連接技術(shù)，采用雙射頻鏈路進(jìn)行雙收雙發(fā)來滿足同時(shí)連接4G與5G網(wǎng)絡(luò)的要求。

本質(zhì)上，3GPP在R12標(biāo)準(zhǔn)版本中提出的DC技術(shù)與CA技術(shù)均屬LTE多連接技術(shù)。雙連接作為NSA組網(wǎng)下實(shí)現(xiàn)互操作方案的關(guān)鍵技術(shù)，需終端在硬件上支持雙通道射頻同時(shí)連接LTE與5G NR網(wǎng)絡(luò)。因此LTE頻段和5G頻段在終端側(cè)并存時(shí)造成的干擾已經(jīng)成為5G終端應(yīng)用亟需解決的一大問題。

一、干擾類型

5G終端所受干擾類型主要分為外部干擾和內(nèi)部自干擾。外部干擾是來其自他無線通信系統(tǒng)的干擾，如Wi-Fi，藍(lán)牙、相鄰頻段衛(wèi)星地球站等。根據(jù)干擾源頻率的不同，來自外部干擾的類型可以分為同頻干擾和鄰頻干擾兩類。外部干擾大多數(shù)是由于小區(qū)基站部署策略的原因?qū)е碌?，解決這一問題往往需要配合基站端的各種抗干擾技術(shù)。因此對(duì)于5G終端，本文將討論的重點(diǎn)放在對(duì)終端內(nèi)部自干擾的分析。

在NSA架構(gòu)下，要求終端保持雙收雙發(fā)，即在LTE頻段和NR頻段保持上行雙連接。如果整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)較多的頻率分量，由于射頻器件的非線性等因素，上行的雙發(fā)會(huì)帶來下行諧波和互調(diào)干擾，造成接收端靈敏度下降。終端內(nèi)自干擾主要來源于射頻前端器件的非線性，整個(gè)射頻架構(gòu)中包含的非線性器件包括無源器件和有源器件，無源器件主要有濾波器、雙工器等，有源器件包括開關(guān)、PA（Power Amplifier，功率放大器）、調(diào)諧電路等。無源器件產(chǎn)生的諧波及互調(diào)干擾一般要弱于有源器件。而文獻(xiàn)[2]中的研究表明有源器件中PA是主要的非線性來源。

通常情況下，描述器件的非線性特性可以用如下輸入輸出信號(hào)的泰勒級(jí)數(shù)展開式表示：

如果兩個(gè)信號(hào)的互調(diào)產(chǎn)物落在了接收信號(hào)的頻段內(nèi)，對(duì)接收信號(hào)造成的干擾就叫做互調(diào)干擾。非線性導(dǎo)致的互調(diào)干擾示意圖如圖1所示。

二階互調(diào)失真以及三階互調(diào)對(duì)系統(tǒng)的非線性產(chǎn)物的貢獻(xiàn)最大，隨著互調(diào)產(chǎn)物的階數(shù)增大，互調(diào)產(chǎn)物的影響將會(huì)變得越來越小。

二、解決5G終端自干擾的方法

通過以上分析，5G終端自干擾主要來自終端里射頻器件的非線性產(chǎn)物，因此，解決5G終端自干擾的本質(zhì)就是消除射頻器件的非線性問題。目前比較有效的解決方法主要有提高濾波器技術(shù)、采用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)以及提高陣列天線隔離度等。

2.1濾波器技術(shù)的提升

濾波器技術(shù)作為一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分，這種選頻特性在消除干擾噪聲方面有著舉足輕重的地位。濾波器的主要指標(biāo)包括中心頻率、工作帶寬、插入損耗、阻帶特性等。為了更好的消除非線性產(chǎn)物并保持整個(gè)終端的發(fā)射性能不受影響，在特定的工作頻率下，插入損耗應(yīng)該盡可能的小，而阻帶特性應(yīng)該足夠的大來滿足整個(gè)終端的要求。目前應(yīng)用于5G通信中的濾波器主要是聲表面波濾波器和體聲波濾波器以及未來5G新興濾波器技術(shù)XBAR。

2.2數(shù)字預(yù)失真技術(shù)

PA作為終端內(nèi)非線性產(chǎn)物的最大來源，線性化PA能夠從根本上優(yōu)化非線性特性。該技術(shù)是在PA前面通過硬件或者軟件的手段加入預(yù)失真分量，該預(yù)失真分量與經(jīng)過PA的失真分量幅值相等、相位相反，能夠正好抵消，從而使輸出信號(hào)為我們想要的理想線性化信號(hào)。

數(shù)字預(yù)失真的信號(hào)流圖如下圖2所示。數(shù)字源信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理單元和D/A模塊后變成模擬信號(hào)，然后與載波信號(hào)經(jīng)過上變頻器后進(jìn)入PA，PA的輸出將通過天線發(fā)射出去;同時(shí)，PA的輸出將被耦合一部分作為反饋信號(hào)，經(jīng)過下變頻器和A/D模塊后，進(jìn)入自適應(yīng)處理單元與源信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，得到輸出信號(hào)的失真程度，然后將此結(jié)果送入預(yù)失真處理單元進(jìn)行非線性化補(bǔ)償。

2.3 提高M(jìn)IMO天線系統(tǒng)隔離度

如上分析，終端內(nèi)部自干擾中的互調(diào)干擾一部來自發(fā)射天線和接收天線的耦合，而5G終端大多采用的都是天線陣列，因此提高收發(fā)天線陣列的隔離度也是解決干擾的關(guān)鍵技術(shù)之一。一種比較直觀的方法就是增加發(fā)射天線陣列和接收天線陣列的距離，在物理空間上減小信號(hào)的輻射，從而達(dá)到提高天線陣列隔離度的目的。但是，如果在空間有限的終端上，這種方法的實(shí)現(xiàn)是非常具有挑戰(zhàn)性的。目前減小天線耦合來提高M(jìn)IMO天線系統(tǒng)隔離度的方法有主要有如下三種方法[3]：

1）改變天線的電流分布，這種方法主要通過地面挖槽以及在天線間引入去耦枝節(jié)的方式來分別改變天線接地平面和天線信號(hào)的電流分布來提高天線的隔離度。

2）使用寄生原理，在MIMO天線單元中加入寄生元件來減小天線間的耦合，這種原理類似于寄生元件的濾波原理，這種方法對(duì)提高天線之間的隔離度效果較為顯著。

3）引入超材料[4]，超材料是根據(jù)有效媒介理論設(shè)計(jì)，能夠擁有負(fù)折射和實(shí)現(xiàn)完美透鏡能力從而改變電磁特性的特殊材料。

利用超材料的特殊性，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的單元結(jié)構(gòu)，使其對(duì)天線的電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生相應(yīng)的諧振，從而減小MIMO天線單元間的耦合，達(dá)到提高隔離度的目的。

在5G終端實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮體積、成本以及實(shí)現(xiàn)難易程度這些條件，選擇上述方法中的一種或者幾種方法結(jié)合來達(dá)到提高天線的隔離度，從而減小終端來自天線耦合產(chǎn)生的內(nèi)部自干擾。

三、總結(jié)

綜上所述，在當(dāng)今不斷發(fā)展的5G終端應(yīng)用中，解決內(nèi)部自干擾問題給終端的吞吐量以及射頻性能帶來的影響已經(jīng)顯得格外重要。在本文中，通過對(duì)終端內(nèi)部自干擾來源的分析，提出了解決問題的三種技術(shù)，即濾波技器術(shù)的提升、數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的應(yīng)用和提升MIMO天線的隔離度技術(shù)，并分別對(duì)比了這三種技術(shù)的優(yōu)劣。在實(shí)際解決5G終端內(nèi)部干擾的時(shí)候，應(yīng)綜合考慮體積、成本以及實(shí)現(xiàn)難易程度等因素來應(yīng)用這些技術(shù)。相信隨著更多技術(shù)的發(fā)展，5G終端內(nèi)部干擾將得到完美解決，從而為全面普及5G技術(shù)起到積極的推進(jìn)作用。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]中國(guó)移動(dòng).中國(guó)移動(dòng)5G終端白皮書[R].北京：全球合作伙伴大會(huì)5G創(chuàng)新合作峰會(huì)，2018.12

[2]邢金強(qiáng). LTE與5G NR終端互干擾研究[J].移動(dòng)通信， 2018 ，42（2）

[3]韓莉.高隔離度MIMO天線的研究與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州大學(xué)，2014.4：11-14

[4]李杰.新型寬帶MIMO天線的設(shè)計(jì)與研究[D].電子科技大學(xué)，2017.6：21-22