借助适应性波束成形技术 5G系统克服微波传播挑战

作者： Thomas Cameron ADI半导体通讯事业群技术长

第五代行动通讯的频谱将可能于高频段运作，但讯号在高频段时，会受到大气衰减、阻隔和反射等影响，因此目前业界已积极研发波束成形技术、多重输入多重输出技术等，以及新的射频组件等，以减少高频讯号衰减的挑战。

随着5G的崛起，作为一名射频工程师，这真是一个令人感到兴奋的时刻。5G是下一代的无线通信系统，对工程界而言，当踏上这条通往5G的路时，也带来无数机会和挑战。5G同时代表着行动技术的演化和革命，它可达成由无线生态系统中各成员至今所刊出文件中所设定的各种高层次目标。

5G被广泛地视为是新一代的无线技术，可以将蜂巢式技术拓展到全新的使用情境、案例和垂直市场。虽然5G一般被视为是一种可提供包括高画质(HD)和超高画质(UltraHD)视频串流等超宽带服务的技术，但它也可将蜂巢式技术带进机器的世界。它可对自动驾驶车辆的发展贡献一已之力，且也可被用来连接到数以百万计的工业传感器和大量的穿戴式消费性设备等等。

朝5G进化的途径包括传统蜂巢频带中4G增强功能的增加，以及将频率向上延伸到3?6GHz范围中的新兴频带。大规模多重输入多输出(Massive MIMO)技术拥有产业的动力，并将从最初基于长程演进计划(LTE)的系统为起点，逐步展开演化，以采用为改善传输量、延迟和电池效率而设计的新波形。

妥善控制频谱　为实现5G通讯系统关键
频谱被认为是手机产业的命脉，但在传统蜂巢频带(6GHz以下)中的频谱是无法支持未来几年呈指数般增长的需求。因此，6GHz以上的频带目前正在研究之中，要测试频率分配在6GHz以上进行无线存取部署的可行性。虽然6GHz以下的可用共同全球频谱是以数百MHz为其数量级，但在20GHz以上的潜在频谱数量则是数十个GHz。此一频谱的控制被视为是要实现这种真正互联世界5G愿景的关键。

因此，5G的一个区段可能会在很高的频率(如毫米波)上运作，且也可能会采用新的、且不会与LTE向后兼容的空中接口技术。在主要产业参与者之间所讨论的频带包括较高的频带，如10GHz、28GHz、32GHz、43GHz、46?50GHz、56?76GHz和81?86GHz。

不过，这些频带目前仍处于建议阶段，而且在无线电系统定义和标准审议的工作之前，仍有许多关于通道建模的工作有待完成。国际电信联盟(ITU)最近发表一份5G标准化的计划，并设下将在2020年发布第一代IMT-2020年规格的目标。

有鉴于5G仍处于起步的阶段，在第一套商业系统部署之前，仍有许多关于通道建模、无线电架构定义和最后的芯片组发展等工作须完成。然而，虽然有些趋势和要求已取得一致意见，但也有待解决的问题，它们都将带领最终5G系统的发展。

适应性波束成形技术　克服5G传播挑战
以下将讨论在微波和毫米波频率上的5G存取系统。在微波频率实现无线电存取的主要障碍之一是要克服那些不利于传播(Propagation)的特性。在这些频率上的无线电传播将深受大气衰减、雨、阻隔(建筑、人、叶子)和反射等因素的影响。

微波的点对点连结已部署多年，但这些一般是视线系统(Line of Sight System)。由于它们是固定的，使得连结易于管理，而这样的系统已在近几年开始部署，以支持采用高阶调变方案的高传输量(Throughput)。此项技术将会持续发展下去，并将会利用微波链路技术，进入5G存取的领域。

在发展周期的早期，大家认为需要适应性波束成形技术(Adaptive Beamforming)来克服存取系统的传播挑战。不像点对点系统，波束成形须要适应使用者和环境，以便将负载传送给用户。业界普遍认为，混合式的多重输入多重输出系统会在微波和低毫米波频带使用，而在V频带和E频带(其中有充足的带宽)，系统可能只会采用波束成形来达成所需的传输量目标。

图1是混合波束成形发射器的高阶方块图。相反方向的运作则可想为是接收器。

图1　混合波束成形发射器的高阶方块图

多重输入多重输出编码是在数字的部分执行，伴随着典型的数字无线电处理。可能会有许多的多重输入多重输出路径会在来自馈入天线系统的数字部分处理；而这些数据串流会馈入天线系统。对每一数据串流而言，数字模拟转换器(DAC)会在基频或中频频率将讯号转换成模拟讯号，视所选的架构而定。该讯号在被向上转换(Upconverted)后，会被分成组成射频路径(Constituent RF Path)，以馈入个别的天线。在每一射频路径，该讯号会经过处理，以设置增益和相位来形成天线的引出射柱(Beam Out)。