【光电通信】5G频谱&基站&射频以及特性

今日光电 2024-05-15 18:04

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今日光电

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5G 3GPP全球频谱

3GPP为全球各个地区分配国际移动电信（IMT）频带。

5G频谱目前划分为两个频段：

7 GHz以下频段（FR1）
毫米波频段（FR2）

图1 全球5G 7 GHz以下频带使用情况

在6 GHz以上，更容易在毫米波频带找到100 MHz或以上的连续带宽。这种带宽通常集中在24 GHz、28 GHz、39 GHz直至80 GHz，5G允许的FR2信道带宽最高可达400 MHz。

图2所示为全球现有毫米波频带的可用情况。虽然6 GHz以上的频谱资源更多，但这些频率的传播条件更为复杂，往往需要基站与设备之间满足视距条件。另外，毫米波还需要高度方向性波束赋形和大规模MIMO天线，以便实时跟踪用户。

图2 全球5G 毫米波频带使用情况

5G频带

5G频带分为三个明确类别：

低频（410 MHz至1 GHz）

容量有限，但覆盖面积大，室内穿透率强；
峰值数据率最高约为200 Mbps。

中频（1 GHz至7 GHz）

适合城镇部署，增加容量；
峰值数据率最高约为2 Gbps。

高频（24 GHz至100 GHz，毫米波）

覆盖面积有限，但可能达到极高容量
峰值数据率最高约为10 Gbps。

图3 LTE-Advanced Pro与5G NR生态系统

毫米波等高频率频带最适合增强型移动宽带（eMBB）所需的短距离、低延时、超高容量传输。

不过，这些高频率频带传输距离短，更容易因为天气或物体原因而产生信号损耗，并且室内穿透率有限。这种毫米波蜂窝站网络设计就像4G的小型蜂窝，因为二者拥有相似的频率范围和覆盖率。

中频频谱平衡了多项能力，在城镇和郊区环境下能够补充毫米波。中频频谱的传输距离更远、传播特性更好，因此除了人口稠密地区，中频频谱还能在其他地区提供5G。另外，中频部署还有一个优势：运营商能够将中频能力添加到现有的4G蜂窝站区域，从而减少了在建筑物顶部或周边购买或租用空间产生的额外支出。

2 GHz以下的低频提供优秀的覆盖率和移动性。对于低频用户，可以使用载波聚合技术扩大带宽。低频非常适合互动通信和大规模机械类通信（mMTC）。低频频谱也很适合室内穿透。

频谱特许

三种频谱分配方法：

非特许频谱：LTE-U、LAA、eLAA、Wi-Fi、蓝牙、C-V2X、DSRC、CBRS
特许频谱：拍卖的已清理频谱
共享频谱：需要授权才能共享接入的频谱

可用的非特许频谱数量很大，远超特许频谱。目前，非特许频谱主要被用于Wi-Fi、点对点通信、传送或回传、读表及自动化。另外，国际上的非特许频谱还被预留给工业、科学和医疗应用。全世界的特许频谱都由原产国进行管理和管制；例如，美国联邦通信委员会（FCC）管理着美国的频谱。

非特许频谱的频带通常是共享频带。但是，为确保共享秩序，非特许频谱的使用存在一定限制。所有非特许频谱的用户都必须遵守相关规范，这些规范限制了允许的传输功率、辐射方向图、工作周期及接入程序，并确保在服务全体用户的同时减少干扰。共享5 GHz非特许频带的LAA和Wi-Fi就是其中一个例子。

5G射频技术

5G NR植根于4G LTE（长期演进）和Wi-Fi标准，是一种全新的射频接口与射频接入网络。关键技术有：

动态频谱共享技术
扩展正交频分复用技术（OFDM），一种将更多数字数据编码到多个载波频率的方法
多入多出技术（MIMO），其中包括同时利用多个天线的技术，以提高数据速度和减少误差
波束赋形技术，将来自多个天线的射频信号合并成一个指向特定设备或接收器的强信号；
小蜂窝技术或网络密致化技术，将多个蜂窝站点密集放置，以提高可用容量

动态频谱共享

频谱共享是向5G SA迁移过程中的一个重要组成部分。动态频谱共享技术是促使移动网络运营商快速启用5G的“催化剂”。有了动态频谱共享技术，承运商能够在当前4G LTE使用的频带内启用5G。动态频谱技术让现有的LTE运营商能够同时运营5G NR和LTE。有了动态频谱共享技术，运营商不必为4G LTE或5G分割频谱，而是可以在这两种技术之间共享频谱。这让运营商能够智能化地、灵活地、快速地在现有4G网络范围内推出和增加5G。动态频谱共享技术让5G和4G LTE能够同时在同一频带运行，它是一项改变游戏规则的技术。

频分复用（OFDM）

3GPP选择扩展频分复用技术，同时在上行链路和下行链路为5G添加循环前缀频分复用（CP-OPDM）波型。

CP-OFDM技术利用多个平行窄带子载波来传输信息，而不使用单个宽带载波。

CP-OFDM能够面向复杂程度较低的接收器延展。
在一些最重要的5G性能指标上（例如：与多天线技术的兼容性），CP-OFDM排名最高。
CP-OFDM的时域控制良好，这一点对于低延时关键应用和时分双工（TDD）部署具有重要意义。
与其他波形相比，CP-OFDM对于相位噪声和多普勒效应（频率变化与波长变化）的耐受性更强。
CP-OFDM在MIMO空间复用上的效率更高，这相当于提高了频谱效率。
在大规范部署条件下，CP-OFDM非常适合上行链路传输。

5G MIMO与大规模MIMO

MIMO技术有效地、重复地利用同一带宽，以便传输更多数据，实现对频谱更加高效的利用。

大规模MIMO有助于：

防止在非理想方向上传输数据，减轻干涉
减少延时，从而提高速度和可靠性
减少通知和连接的衰落与掉线
同时服务大规模用户群
推出二维波束赋形

大规模MIMO不仅能够增加蜂窝容量和蜂窝效率，还能利用锐利天线波束方向图（由多个天线元素组成）平行发送和接收射频信号。在采用大规模MIMO技术的基站，每条数据流都有独特的辐射方向图，因此不会相互干涉。每条数据流的信号强度都按照目标用户设备的方向传送；在其他用户设备的方向，信号强度则被减少，以降低干涉。

波束赋形

波束赋形技术对天线阵列中的单根天线的量级和相位进行适当加权，利用多根天线来控制波形的传送方向，为5G带来显著优势。由于波束赋形技术是大规模MIMO系统使用的一项技术，因此有时“波束赋形”与“大规模MIMO”这两个术语可以互换使用。

波束赋形技术被用于毫米波频谱，基本频率在24 GHz以上。该频谱使用的是200至400 MHz的宽信道带宽，因此提供了超高的数据传输速度。承运商将使用该技术部署5G固定无线接入服务（FWA），作为“最后一英里”连接解决方案，为家庭和企业提供高速连接。

固定无线接入毫米波有一个缺点：雨、植物或建筑物等，都可能造成毫米波信号衰减（即：信号强度损失）。在这些情况下，有时候难以保持用户设备处于视距范围，因此会造成信号延迟、衰减以及到达信号发生变化。不过，波束赋形技术有助于减少这些负面效果，如图4所示。

通过利用大规模MIMO和波束赋形技术带来的多条路径，即使在视距受限的情况下，也可以对天线元素与用户设备之间的空间信道进行定性及数字化编码和解码，从而有助于减少信号损失。

图4 大规模MIMO与波束赋形。

网络密致化

无线基础设施网络包含众多元素，有大蜂窝基站、地铁蜂窝基站，还有室内外分布式天线系统和小蜂窝基站。这些元素在异质网络（HetNet）环境下共同工作，如图5所示。

图5 无线基础设施异质网络与小蜂窝基站集成

密致化是一种通过增强蜂窝站点提高可用蜂窝容量的技术。这种蜂窝可以是微蜂窝或小蜂窝，以应对网络容量紧张的区域。另外，这些蜂窝还可以分担周边大基站和微基站的通信流量。

小蜂窝基站是一种将蜂窝基站拆分成更小型群组的迷你基站。另外，还可根据覆盖面积的大小，细分为皮蜂窝基站、微蜂窝基站和飞蜂窝基站，并且这些基站既可以设在室内，也可以设在室外（表1）。

表1 基站类型

微蜂窝基站与小蜂窝基站之间存在重要区别：

微蜂窝基站有一条大型数据管道通向网络。
小蜂窝基站则将这条管道拆分成覆盖一定区域的多条小型管道。
小蜂窝基站的主要目标是提高大蜂窝基站的边缘数据容量或者覆盖大蜂窝不能覆盖的区域（覆盖不良），最终目标是完善数据、速度和网络效率。

图5所示为小蜂窝集成网络。

图5 小蜂窝集成网络

小蜂窝

提高数据容量，尤其是高端购物区或城市中心区等高度稠密的区域。
消除了高成本的屋顶系统和设备或租用成本。
提高了手机性能。

在讨论密致化与小蜂窝基站时，我们需要考虑到物联网设备使用多种无线技术进行连接。小蜂窝基站的实施以及众多设备的互联，将构成大规模、超可靠、低延时机械类通信（MTC）的一个关键方面。

物联网的传输类型大致分为以下四种：

有线传输
中短距离无线传输（从蓝牙到网状网络Wi-Fi、ZigBee）
长距离无线传输（4G LTE和5G蜂窝），低功率广域网（LPWAN）
卫星传输

5G NR频谱载波聚合

载波聚合是一种将两个以上载波合并成一条数据信道，以增加数据容量的技术。通过利用现有网络频谱，载波聚合技术让运营商能够提供更高的上行链路和下行链路数据率，因此能够提高网络性能和确保高质量用户体验。载波聚合为4G提高用户数据吞吐量做出重要贡献，在5G起到同样重要的作用。

5G 载波聚合将提供带有非对称上下载功能的多重连接能力，并且在毫米波频率提供高达700 MHz的信道带宽。在7 GHz以下频带，可以利用4条100 Mhz信道，实现400 MHz瞬时带宽。

在频分双工（FDD）或时分双工（TDD）条件下，每条分量载波能够获得1.4 Mhz、3 Mhz、5 Mhz、10 Mhz、15 MHz或20 MHz带宽。因此，如果有5条20 MHz分量载波，那么利用载波聚合，最高可以实现100 MHz带宽。在时分双工条件下，分量载波的带宽和数量必须在上下行链路保持相同。4G LTE-Advanced Pro能够提供最高100 MHz带宽，支持32条分量载波，因此最高带宽可以达到640 MHz。在5G NR条件下，还有另外一个载波聚合方案，该方案被称为“双重连接”，该方案能够聚合4G LTE和5G NR频带。

射频前端技术

一个典型的射频前端由开关、滤波器、放大器及调谐组件组成。这些技术设备的尺寸不断减小，并且相互集成度不断加大。结果，在手机、小蜂窝、天线阵列系统、Wi-Fi等5G应用中，射频前端正在变成一个复杂的、高度集成的系统封包。

氮化镓技术

氮化镓（GaN）是一种二进制III/V族带隙半导体，非常适合用于高功率、耐高温晶体管。氮化镓功率放大器技术的5G通信潜力才刚刚显现。

氮化镓具有高射频功率、低直流功耗、小尺寸及高可靠性等优势，让设备制造商能够减小基站体积。反过来，这又有助于减少5G基站信号塔上安装的天线阵列系统的重量，因此可以降低安装成本。另外，氮化镓还能在各种毫米波频率上，轻松支持高吞吐量和宽带宽。

氮化镓技术最适合实现高有效等向辐射基站功率（EIRP），如图6所示。美国联邦通信委员会定义了非常高的EIRP限值，规定对于28GHz和39GHz频带，每100MHz带宽需要达到75 dBm功率。相关设备的搭建既要满足这些目标，又要将成本、尺寸、重量和功率等保持在移动网络运营商的预算范围内。氮化镓技术是关键；相比于其他技术，氮化镓技术在达到以上高EIRP值时，使用的元件更少，并且输出功率更高。

图6 半导体技术与EIRP需求的适应性比较

对于高功率基站应用，相比于锗硅（SiGe）或硅（Si）等其他功率放大器技术，在相同EIRP目标值下，氮化镓技术的总功率耗散更低，如图7所示。氮化镓减少了整体系统的重量和复杂性，同时还仍保持较低功耗，因此更适合塔上安装系统的设计。

氮化镓技术的部分重要属性：

可靠性与结实性

氮化镓的功率效率更高，因此降低了热量输出。氮化镓的带隙宽，能够耐受更高的工作温度，因此可以减少紧凑区域的冷却需求。由于氮化镓能够在塔上应用（例如：天线阵列系统）的高温条件下工作，因此可以不需要冷却风扇，以及/或者可以减少散热器的体积。历史上，冷却风扇由于其机械性质，一直是造成外场故障的首要原因。大型散热器不仅硬件本身构成重大成本，并且由于重量原因，还可能带来额外的人力成本。使用氮化镓可以让人们不再使用这些高成本的散热办法。

图7 氮化镓减少了基站设计的复杂性，降低了成本

低电流消耗

氮化镓降低了工作成本，产生的热量也更少。另外，低电流还有助于减少系统功耗和降低电源需求。再者，由于功耗降低，服务提供商也减少了运营支出。

功率能力

相比于其他半导体技术，氮化镓设备提供更高的输出功率。市场的发展趋势以及对于基站高功率输出的需求，更加有利于氮化镓技术的发展。

频率带宽

氮化镓拥有高阻抗和低栅极电容，能够实现更大的工作带宽和更高的数据传输速度。另外，氮化镓技术还在3 GHz以上拥有良好的射频性能，其他技术（例如：硅）在这个频率范围的性能却不佳。氮化镓模块和功率放大器提供的宽带性能，能够支持5G前所未有的带宽需求。

集成

5G需要体积更小的解决方案，这促使供应商将大规模、包含多个技术的离散式射频前端，替换成单体式全面集成解决方案。氮化镓制造商开始抓住这个潮流，开发那些能够将收发链条整合到单一封装的全面集成解决方案。这进一步减少了系统的体积、重量和上市时间。

体声波滤波器技术

由于新增频带和载波聚合，再加上蜂窝通信必须与许多其他无线标准共存的事实，干涉问题比以往更加严重。要减少频带与标准之间的干涉，滤波器技术是关键。

表面声波滤波器和体声波滤波器具有占位面积小、性能优异、经济适用等优势，在移动设备滤波器市场上居于主导地位。

体声波滤波器最适合1 GHz至6 GHz的频段，表面声波滤波器最适合1GHz以下的频段。

体声波和表面声波能够减少LTE、Wi-Fi、自动通信以及新的7 GHz以下5G频率的干涉，同时又能满足制造商严格的体积和性能标准。

体声波技术的一项优势就是散热，如图8所示。如前所述，放大器功率的增加导致热量的增加。如果为补偿系统功率损耗或信号范围问题而增加放大器的功率，则发送滤波器产生的热量也将增加。该热量对滤波器的性能和工作寿命都有不利影响，并且会在衰减区域和传输频带造成频率偏移。体声波技术有助于减轻这一问题，因为SMR体声波滤波器（BAW-SMR）产生垂直热通量，有助于将热量导离设备。在高频率下，反射器层变得更薄，这更加有助于体声波谐振器的散热。