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烽火科技助推5G关键技术研究及行业应用

2017-06-29  来源:人民邮电报  作者:夏燕

MU-MIMO和Beam-forming示意图

随着4G网络建设的持续发展,预计2017年年底全球4G覆盖率将超过50%。烽火科技作为LTE设备和解决方案的提供商,已帮助运营商完成了多个4G公用网络的部署和商用,同时积极推动4G技术的行业应用,参与了B-TrunC、LTE-M、LTE-R等行业标准的制定和推广,并成功将宽带LTE专网设备及解决方案应用到网络安全、轨道交通、宽带集群等多个方向,推进了各产业的发展。其中,用于武汉地铁六号线的全球首条LTE承载CBTC(列车控制信号)的地铁线路所使用车地无线通信系统就是由烽火科技提供的。

5G时代临近,全球多国政府和组织、学术界与工业界均已开始开展5G原型系统与关键技术的研发,预计将于2020年进入商业化部署阶段,届时可实现高达10 Gbps的传输速率、1000倍的系统容量提升和千亿设备的连接,以满足移动互联网和物联网高速发展对移动数据业务的需求。与2G、3G和4G技术的演进相比,5G技术已经不仅仅是追求传输速率的提升,而且是与各个垂直行业的应用相互结合,大带宽高速率、低时延高可靠、低功耗大连接等5G技术特点在不同行业中将有不同的需求,5G的行业推进一定不是技术驱动的产物,而是应用驱动的结果。

面对未来可能存在的应用,烽火科技正在加紧对5G关键技术的研究。目前,5G通信系统要实现速率和系统容量的提升,需通过开发新频谱资源、提高频谱效率和布置超密集网络等途径实现,因此需要开发新的无线传输技术。毫米波频段(30GHz-300GHz)具有较丰富的频谱资源,能够提供较大的信号带宽,同时在毫米波频段采用波束赋形(Beamforming)技术可以有效地克服毫米波传输问题,从而扩展毫米波通信的距离。

大规模MIMO(大规模阵列天线)技术能够深度挖掘空间维度资源,使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上与基站同时进行通信,从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱使用效率。因此,毫米波相控阵技术与大规模MIMO是实现5G传输目标的两项关键技术。烽火科技现阶段主要针对5G高频段毫米波小基站技术及5G大规模阵列天线技术展开研究。

5G高频段毫米波小基站技术

5G高频段毫米波小基站设备是实现5G通信传输目标的载体,而小型化低成本和全集成的毫米波相控阵收发机是5G通信实现大规模应用所必须突破的技术。烽火科技开展5G蜂窝小基站的原型设备以及所需的核心毫米波前端芯片的开发,并针对毫米波相控阵发射前端开展技术攻关,实现毫米波相控阵收发机的低成本设计。开发高效率毫米波功率放大器、新型高线性度有源移相器设计技术和衰减器等核心芯片组,同时将根据5G需求开发符合商用要求的蜂窝小基站原型机和产品。

由于目前5G通信还没有形成标准,因此没有统一的频率规划。考虑到频谱的可用性和技术实现的难易程度等因素,学术界与工业界对5G通信的研发多集中在28GHz、38GHz、45GHz和E-band等频段。烽火科技将在28GHz频段处,研究高集成度、高性能和低成本的毫米波相控阵发射前端,并以此形成多频段的毫米波技术开发平台;同时,通过对新型移动性管理、高频波束赋形、UDN等技术的深入研究,提出高低频融合组网及提升高频传输距离和覆盖范围的解决方案。

5G大规模阵列天线技术

大规模MIMO是5G关键技术之一,大规模MIMO实际就是大规模天线阵列,天线阵列单元达到64、128或更高的数量。由于更高频段的使用,天线的体积不会太大,对安装和使用不会造成困扰。大规模天线为无线网的覆盖和效率的提升提供了基础。

大规模天线组网中,基站端拥有多根天线,通过数字信号处理自动调节各个天线发射信号的相位和幅度,使其在手机接收点形成电磁波的叠加。这种利用数字信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线方向图的构造,因此称为“波束成形”(Beam forming)。通过波束成形技术,发射能量可以汇集到用户所在位置,而不向其他方向扩散,并且基站可以通过监测用户的信号,对其进行实时跟踪,使最佳发射方向跟随用户的移动,保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。在实际应用中,多天线的基站也可以同时瞄准多个用户,构造朝向多个目标客户的不同波束,并有效减少各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波,这种对空间资源的充分挖掘,可以有效利用宝贵而稀缺的频带资源并且几十倍地提升网络容量。

大规模天线阵列在5G系统的应用带来网络容量的大幅度提升,成为5G天线的主要形态,业界都在紧锣密鼓地进行相关的技术研究,在大规模天线阵列的技术开发中,还需克服以下技术难题,才能更好地使天线性能服务于网络应用。

1、辐射单元密集组阵,互耦强,带来的各通道方向图一致性差。在5G大规模天线阵列辐射阵的设计中,阵元之间的横向间距仅为0.5λ,辐射单元之间的耦合效应特别强,带来方向图形不规则变化,不同频率之间的半功率波束宽度和增益跨度特别大。如果不解决这种方向图形变的影响,那么在波束数字赋型过程中,即使赋予了理想的幅度和相位权值,其合成的方向图也达不到理想形状。烽火科技经过多年研究已成功解决此问题,下图的对比可以反馈出方向改善效果,改进前阵元的水平半功率波束宽度跨度33.8~75°,且方向图曲线变形严重,改进后的阵元水平半功率波束宽度跨度85~96°,收敛性较好,方向图曲线变得平滑。

2、多级校准及端口耦合带来的各射频通道幅度相位的偏差。在大规模天线阵列中,因为需要对各阵元的方向图进行数字合成,在合成前需保证各个通道的幅度和相位在合理的偏差范围内,如偏差较大则方向图合成效果不理想。一般要求各通道的幅度偏差在0.5dB,相位偏差在5°范围内。烽火科技对此问题在设计上采用针对性措施尽量减少不利影响:一是电路设计尽量对称设计,这样电路之间的耦合效果可以视为与结构对称;二是PCB板材选用薄板,微带电路线宽可以做窄,减少辐射损耗及耦合效果;三是控制加工误差,选用一致性好性能稳定的PCB原板;四是理论仿真结合实测结果进行设计修正。

3、超多端口带来的测试误差和测试效率低下。5G天线不同于4G天线,相对于4G天线有限的2~12个端口数且端口连接器为统一的标准接口,5G大规模天线一般达到64、128,甚至更多端口数。目前测试电路参数的矢量网络分析仪一般支持2/4端口,测试时需在天线其他待测端口外接负载,这样测试效率极其低下,即使在不做任何调试的情况下,仅测试一副64通道天线的数据就需要4~6小时,且测试时间过长会造成校准端口失效,影响测试数据的准确性。目前比较高效的方法是通过矢网可扩展端口外接多端口测试矩阵,辅以数据采集软件,根据测试矩阵开关设计的端口数,可以同时测试8/16/24端口,极大地提高测试效率,且提高测试精确度。

5G技术的行业应用前景展望

烽火科技于2015年加入由国家工信部、发改委等共同组成的IMT-2020(5G)推进工作组,积极开展5G前沿技术、标准策略的研究与推进工作。作为烽火科技下属全资子公司,武汉虹信通信技术有限责任公司具备多年2G、3G、4G网络射频和应用技术积累以及建设维护经验,是集团无线移动通信产业的承担者,同时我们也将继续加大5G通信系统关键技术的研发投入,针对5G网络应用需求,发挥自身优势,提供高效可靠的下一代通信技术主流解决方案。我们相信,随着5G技术的发展和演进,其必然会在各相关产业发展中起到越来越重要的作用。

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