烽火科技助推5G關(guān)鍵技術(shù)研究及行業(yè)應用

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，預計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，已幫助運營商完成了多個4G公用網(wǎng)絡(luò)的部署和商用，同時積極推動4G技術(shù)的行業(yè)應用，參與了B-TrunC、LTE-M、LTE-R等行業(yè)標準的制定和推廣，并成功將寬帶LTE專網(wǎng)設(shè)備及解決方案應用到網(wǎng)絡(luò)安全、軌道交通、寬帶集群等多個方向，推進了各產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其中，用于武漢地鐵六號線的全球首條LTE承載CBTC（列車控制信號）的地鐵線路所使用車地無線通信系統(tǒng)就是由烽火科技提供的。

5G時代臨近，全球多國政府和組織、學術(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)，預計將于2020年進入商業(yè)化部署階段，屆時可實現(xiàn)高達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，以滿足移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展對移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。與2G、3G和4G技術(shù)的演進相比，5G技術(shù)已經(jīng)不僅僅是追求傳輸速率的提升，而且是與各個垂直行業(yè)的應用相互結(jié)合，大帶寬高速率、低時延高可靠、低功耗大連接等5G技術(shù)特點在不同行業(yè)中將有不同的需求，5G的行業(yè)推進一定不是技術(shù)驅(qū)動的產(chǎn)物，而是應用驅(qū)動的結(jié)果。

面對未來可能存在的應用，烽火科技正在加緊對5G關(guān)鍵技術(shù)的研究。目前，5G通信系統(tǒng)要實現(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帶寬，同時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)中的多個用戶可以在同一時頻資源上與基站同時進行通信,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是實現(xiàn)5G傳輸目標的兩項關(guān)鍵技術(shù)。烽火科技現(xiàn)階段主要針對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)備是實現(xiàn)5G通信傳輸目標的載體，而小型化低成本和全集成的毫米波相控陣收發(fā)機是5G通信實現(xiàn)大規(guī)模應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)，并針對毫米波相控陣發(fā)射前端開展技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)毫米波相控陣收發(fā)機的低成本設(shè)計。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)計技術(shù)和衰減器等核心芯片組，同時將根據(jù)5G需求開發(fā)符合商用要求的蜂窩小基站原型機和產(chǎn)品。

由于目前5G通信還沒有形成標準，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)實現(xiàn)的難易程度等因素，學術(shù)界與工業(yè)界對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；同時，通過對新型移動性管理、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實際就是大規(guī)模天線陣列，天線陣列單元達到64、128或更高的數(shù)量。由于更高頻段的使用，天線的體積不會太大，對安裝和使用不會造成困擾。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)字信號處理自動調(diào)節(jié)各個天線發(fā)射信號的相位和幅度，使其在手機接收點形成電磁波的疊加。這種利用數(shù)字信號處理產(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，而不向其他方向擴散，并且基站可以通過監(jiān)測用戶的信號，對其進行實時跟蹤，使最佳發(fā)射方向跟隨用戶的移動，保證在任何時候手機接收點的電磁波信號都處于疊加狀態(tài)。在實際應用中，多天線的基站也可以同時瞄準多個用戶，構(gòu)造朝向多個目標客戶的不同波束，并有效減少各個波束之間的干擾。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)應用。

1、輻射單元密集組陣，互耦強，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特別強，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，下圖的對比可以反饋出方向改善效果，改進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重，改進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、多級校準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，因為需要對各陣元的方向圖進行數(shù)字合成，在合成前需保證各個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)。烽火科技對此問題在設(shè)計上采用針對性措施盡量減少不利影響：一是電路設(shè)計盡量對稱設(shè)計，這樣電路之間的耦合效果可以視為與結(jié)構(gòu)對稱；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)合實測結(jié)果進行設(shè)計修正。

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，相對于4G天線有限的2~12個端口數(shù)且端口連接器為統(tǒng)一的標準接口，5G大規(guī)模天線一般達到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，測試時需在天線其他待測端口外接負載，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，且測試時間過長會造成校準端口失效，影響測試數(shù)據(jù)的準確性。目前比較高效的方法是通過矢網(wǎng)可擴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)計的端口數(shù)，可以同時測試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）推進工作組，積極開展5G前沿技術(shù)、標準策略的研究與推進工作。作為烽火科技下屬全資子公司，武漢虹信通信技術(shù)有限責任公司具備多年2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)射頻和應用技術(shù)積累以及建設(shè)維護經(jīng)驗，是集團無線移動通信產(chǎn)業(yè)的承擔者，同時我們也將繼續(xù)加大5G通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)投入，針對5G網(wǎng)絡(luò)應用需求，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，其必然會在各相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起到越來越重要的作用。

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