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5G:寻找下一代无线基础设施

上网日期: 2015年05月22日 ?? 作者: Jean-Pierre Joosting,Kevin Cheng ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:5G标准? 无线基础设施? 毫米波?

现在还没有5G,也没有具体的5G标准。不过,对下一代无线网络应该具有什么样的性能,业界已经有了主意。所谓的5G网络,应该至少提供10倍于4G的容量,即下行到设备的峰值数据速率在1Gbps至10Gbps之间;零时延的用户体验,端到端的时延少于1ms;适用于高铁等高速移动场景等等。

现在业界已经有一些研究项目在开展,从这些项目可以了解到5G的需求,包括大规模MIMO、毫米波、超宽带信号产生和接收分析,以及波束赋形等技术的使用。

5G:寻找下一代无线基础设施《电子工程专辑》
图1:ADI公司亚洲区通信业务拓展经理解勇。

就像4G定义为3G性能的提升那样,为了满足支持如此高数据速率所要求的带宽,5G必须使用比目前更高的频率,这是无容置疑的。而且还需要显著缩小蜂窝的覆盖范围,以便尽可能高效地使用频谱。ADI公司亚洲区通信业务拓展经理解勇就非常赞同这个观点,他指出,由于5G频段越来越高,室内穿透能力将会变差,对小基站的需求将会加大。当然也会有节能环保的考虑,系统设备功耗要更低、体积更小。

据TE Connectivity公司产品管理总监John Spindler预计,5G将在2020年左右开始投入使用,但要想达到这一目标,需要在今后一两年内制订出5G规范。

TE Connectivity公司还透露,今年2月1日在位于美国亚利桑那州凤凰城的凤凰城大学体育场举行的第49届美国橄榄球联盟冠军赛已经用上了该公司开发的FlexWave Prism 和FlexWaveSpectrum分布式天线系统(DAS)。这次大批量部署的设备包括了96个主集线器、49个扩展集线器和225个远程天线单元,覆盖体育场馆、豪华包间和服务区域。该系统支持700、800、 850、1900和2100 MHz的LTE、 CDMA、EVDO和UMTS等各种服务。

John表示,借助DAS从3G升级到4G没有引起任何问题,因此,他希望升级到5G也是这样顺畅。然而,在展开真正的讨论之前,需要先确定5G的工作频率,并定义空中接口协议。虽然DAS可以直接用于5G,但射频部分需要升级,而大多数在用的基础设施可以复用。小蜂窝与此不同,它们希望不用升级硬件就能迎合5G的要求。

下一代无线基站面临的挑战

为了实现5G无线数据传输的性能指标,需要采用革命性的无线技术,从深挖频谱效率,功率效率和用户数量角度,提出了大规模MIMO技术;从频率资源和超高吞吐率所要求的超宽带调制的角度,提出了使用毫米波频段;从大幅度提高流量密度,以及高频段信号衰减的角度,提出了超密集组网和协作式网络,以及完全基于软件无线电的新型物理层技术,包括NOMA、FBMC、全双工等技术。

这些新技术将对下一代无线基站的形态带来很大的变化。“一方面,多天线技术经历了从无源到有源,从二维(2D)到三维(3D),从高阶MIMO到大规模阵列的发展,将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高。由于引入了有源天线阵列,基站侧可支持的协作天线数量可达到128根。”ADI的解勇表示,“此外,原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列,形成新颖的3D-MIMO技术,支持多用户波束智能赋型,减少用户间干扰,结合高频段毫米波技术,将进一步改善无线信号覆盖性能。另一方面,全双工技术将突破FDD和TDD频谱资源使用限制,使无线频谱效率提高一倍。但全双工技术需要具备极高的干扰消除能力,这对干扰消除技术提出了很大的挑战。” 

在5G大规模MIMO中,基站配置数量非常大的天线,这对传统测试仪表也提出了更大的挑战。因为传统台式信号源和分析仪无法克服体积、成本、同步等多个方面的问题。

通常都认为26.5GHz~300GHz为毫米波频率,可用带宽超过100GHz。毫米波介于微波和光波之间,兼具二者优点。再加上毫米波器件尺寸小,可以实现天线和设备的小型化。这些特点决定了毫米波是实现5G超高速数据通信和超密集布网的关键技术。但毫米波频段无论是在系统级,还是器件级都给测试测量带来了很大的挑战。

ADI公司的解勇认为5G在无线传输方面,将会充分利用软件定义无线电架构。他说,随着通信制式和射频频段越来越多,对软件定义无线电架构的共平台设计的需求将更为迫切。此外,从技术发展趋势来看,软件定义无线电技术毫无疑问将会大规模应用于蜂窝基站系统。现在亟需突破的是超宽带功放技术。

5G:寻找下一代无线基础设施《电子工程专辑》
图2:IDT高级产品营销经理William Qi。

对此,IDT高级产品营销经理William Qi持相同观点,在他看来,软件定义无线电在未来是一个比较受欢迎的应用,不过也会遇到一些挑战,尤其是在较高射频范围时。“当然,它也需要多种射频前端来构建更好的性能。”他这样表述。

在软件定义无线电这块,ADI日前推出了集多种功能于一体的完整无线电设计方案AD9361,它包括FPGA夹层卡(FMC)和广泛的设计资源(Gerber文件、参考代码、Linux示例应用和驱动程序以及设计支持包),并联合赛灵思、安富利合作开发基于SDR架构的参考设计。

AD9361集成2个通道的直接变频射频接收器和发射器、模拟滤波,数据转换器,、频率合成器以及系统校准功能,工作频率范围70MHz~6GHz,支持从200kHz~56MHz的通道带宽,相比竞争方案,频率范围增加69%,通道宽带增加111%,且具有高度的可编程能力。两个独立的直接变频接收器拥有出色的噪声系数(<2.5dB)和线性度指标。每个接收和发射子系统也都拥有独立的自动增益控制、直流失调校正、正交校正和数字滤波功能,消除了在数字基带中提供这些功能的必要性。此外,AD9361还拥有灵活的手动增益模式,支持外部控制。

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