是德科技 5G 无线通信技术及是德科技解决方案

从 1992年 GSM开始进入中国到现在，数字移动通信仅仅用 20多年的时间就已经全面地改变了我们的工作方式和生活方式，随着智能终端和平板电脑的普及，人们的工作和生活越来越依赖移动数据信息交换，同时物联网也逐步从概念走向现实，M2M信息交换使无线通信从传统电信领域飞速地扩展到金融，交通，电力，医疗，家居，工业控制，农业，环境保护等非电信行业，并且必将渗透到所以行业，而这些传统非电信行业的无线技术化是即信息革命后的又一次重大飞跃。这两个方面导致了无线通信数据传输需求的迅猛发展，统计显示 2012年全球移动数据流量大幅增长了 70%，达到了 8.85x1015TB，预计从2012年到 2017年将增长 13倍，到 2017年，全球通过无线通信方式传输的数据量将超过有线方式，将占到 55%，同时平均每部移动终端将产生 2.7 GB的数据流量，所以未来 5-10年的无线通信给现行的网络和设备带来极大的压力，目前的 3G和 4G都无法完全满足，于是业界提出了第 5代无线通信即 5G。中国IMT2020 5G白皮书就把 5G描述为以用户为中心构建的全方位信息生态系统，5G将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，便捷地实现人与万物的智能互联。 5G将为用户提供光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化，同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最终实现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景[1]。

业界已经提出一些 5G关键性能指标，主要包括用户峰值速率、用户体验速率，带宽、连接数密度、端到端时延、移动性等。

同时我们也认为 5G设备和应用将灵活地匹配不同的场景，因为针对速率，移动性，时延，成本，能耗等各个方面的要求在不同应用场景下有很大区别，如下面两张图所示比较。

左图是针对高速率数据传输场景，使用的技术重点在于实现高吞吐率，高流量密度，高频谱效率，短时延等，右图是针对物联网 M2M场景，使用的技术就偏重在低设备成本，高连接数，极长的电池寿命等。

由于物联网对速率和带宽要求较低，目前的无线技术可以很好地融合实现，本文主要探讨由超高速率传输所推动的 5G新技术带来的挑战以及是德科技为业界提供的5G全面解决方案。

2. 5G关键技术和测试方案

 

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，FullDuplex等，这些已经成为 5G无线传输方面的标志性技术，并且远远超过 4G，所以 5G从无线技术角度也被称为革命而不是演进。但是革命性的技术也给研发和测试带来了巨大的挑战，尤其是大规模MIMO，毫米波以及超宽带信号产生和接收分析使传统无线通信测试仪表很难满足要求。是德科技凭借超过 70年的测试测量仪表历史和领先的无线通信仪表平台，可以给业界提供最全面的 5G无线通信测试解决方案，可以覆盖各种 5G关键技术，以及包括器件测试，信道探测建模，信号模拟，信号接收分析，系统级仿真和验证等各种测试应用。

2.1 大规模 MIMO (Massive MIMO) 技术

多天线技术作为提高系统频谱效率和传输可靠性的有效手段，已经应用于LTE和WLAN等系统。根据信息论，天线数量越多，频谱效率和可靠性提升越明显，尤其是当发射天线和接收天线数量很大时，MIMO信道容量将随收发天线数中的最小值近似线性增长。在5G大规模MIMO中，基站配置数量非常大(通常几十到几百根，是现有系统天线数量的 1-2个数量级以上)的天线，可以在相同时频资源上同时服务很多用户。大规模 MIMO主要优点包括: 第一，大规模 MIMO大幅度提高频谱效率，第二，大规模 MIMO可将波束集中在很窄的范围内，从而大幅度降低干扰，第三，可大幅降低发射功率，从而提高功率效率，第四，当天线数量足够大时，最简单的线性预编码和线性检测器趋于最优，并且噪声和不相关干扰都可忽略不计。

大规模 MIMO对传统测试仪表提出了挑战，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问题。是德科技的高性能射频和微波模块化仪表代表着无线通信测试的发展方向，支持多通道的信号产生和信号分析，通过灵活地组合和机箱级联扩展，可以支持从目前的 LTE/WLAN小规模 MIMO到大规模MIMO的测试要求，并且提供业界最高水平的测试指。考虑到不同用户的需求，是德科技分别提供针对射频频段和微波/毫米波频段的模块化仪表解决方案。

2.1.1大规模MIMO射频频段解决方案

是德科技 Massive MIMO射频频段解决方案是针对最高 6GHz的测试应用，核心硬件采用是德科技高性能 X系列矢量信号源和信号分析仪平台，模块化结构，具备与成熟的 X系列台式仪表相同的性能指标，软件也采用已经在行业广泛应用 Signal Studio信号产生平台和 X-app以及 89600矢量信号分析平台，还可以结合是德科技 SystemVue和ADS实现5G Massive MIMO信号产生和分析。

‾射频频段解决方案M9381A/M9391A

‾频率范围1M-6GHz

‾信号调制和分析带宽最高160MHz

‾信号产生和测量的幅度精度可达±0.3dB

‾信号源射频切换速度<220us

‾ LTE MIMO EVM<0.38%

 

‾ LTE MIMO同步精度<20ns

2.1.2大规模MIMO微波/毫米波频段解决方案

是德科技 Massive MIMO微波到毫米波频段解决方案支持宽带矢量信号产生最高达 67 GHz和宽带矢量信号接收分析最高达50 GHz的测试应用 (如果增加毫米波混频器扩展，可以支持超过 100 GHz频率范围)，采用是德科技宽带模块化仪表与微波毫米波台式仪表结合，完美地将毫米波频率范围与超宽带多通道信号产生和分析结合，提供业界最高性能与灵活性，软件采用已经在行业广泛应用 Signal Studio信号产生平台和 X-app以及89600矢量信号分析平台，还可以结合是德科技 SystemVue和ADS实现5G Massive MIMO信号产生和分析。[page]

‾微波到毫米波频段多通道信号产生 : M8190A/M8195A/PSG/Mixer

‾频率范围可支持包括28G，45G，60-90GHz等5G频段

‾信号产生带宽最高8GHz/20GHz

‾微波到毫米波频段多通道信号接收分析: M9362A-D01/M9703A/Mixer

 

‾频率范围可支持包括28G，45G，60-90GHz等5G频段

2.2 毫米波 mmWave 技术

随着无线通信的高速发展，射频频段频率资源已经非常紧张，而 5G超高速无线数据传输所需要的超宽信号带宽 (通常认为达到 500 M-3 GHz) 在传统的射频频段也难以得到满足，使得 5G走向微波和毫米波频段成为必然的选择。通常认为 26.5-300 GHz为毫米波频率，可用带宽超过 100 GHz。毫米波介于微波和光波之间，兼具二者优点。与激光相比，毫米波的传播受气候小。毫米波与微波相比波束更窄，空间分辨率极高。毫米波器件尺寸小，可以实现天线和设备的小型微型化。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。毫米波频段对测试测量的挑战包括系统级和器件级两个方面。系统级研发和验证需要毫米波和超宽带的信号产生和接收分析，信道探测和建模仿真，器件级则需要完整的矢量网络分析解决方案。

2.2.1信号产生和接收分析

是德科技提供业界最全面的微波到毫米波频段信号产生和接收分析解决方案，支持宽带矢量信号产生最高达 67 GHz和宽带矢量信号接收分析最高达50GHz的测试应用(如果增加毫米波混频器扩展，可以支持超过 100 GHz频率范围)，采用是德科技宽带任意波形发生器，高带宽示波器与微波毫米波台式仪表结合，完美地将毫米波频率范围与超宽带信号产生和分析结合，提供业界最高性能与灵活性，可以结合是德科技 89600，SystemVue和 ADS等软件平台实现 5G信号产生和分析，可以用于模拟 5G无线通信信号产生和接收，研究5G信道建模等。

‾微波到毫米波频段信号产生: M8190A/M8195A/PSG/Mixer

‾频率范围可支持包括28G，45G，60-90GHz等5G频段

‾信号产生带宽最高8GHz/20GHz

‾微波到毫米波频段信号接收分析: Infiniium Scope/PSG/Mixer

‾频率范围可支持包括28G，45G，60-90GHz等5G频段

 

‾信号分析带宽最高63GHz

2.2.2毫米波器件测试解决方案

是德科技提供基于 N5247A/N5227A的10 MHz~110 GHz单次扫描解决方案，系统组成包括 N5247A/N5227A 微波/毫米波矢量网络分析仪，毫米波测试系统扩展控制器以及频率扩展端口模块。系统集成有直流偏置装置，可以精确地对被测器件的偏置状态进行控制，由于超宽的测量频率范围以及低至 10 MHz的下限测量频率，系统做时域测量时可以具有极高的时间分辨率，还可以精确地对施加在被测器件上的激励信号的功率进行控制，并能在1mm的测量端口上进行功率扫描。

‾单次扫描即可完成10MHz-110GHz扫描

‾ 1.0mm同轴连接器接口

‾超宽带矢量调制信号产生: M8190A/M8195A

‾信号产生带宽最高8GHz/20GHz

‾业界领先的同轴，夹具上和晶圆上校准技术

‾端口上可内置Kelvin bias tee

‾单次扫描即可完成10MHz-110GHz扫描

 

‾ 1.0mm同轴连接器接口

‾业界领先的同轴，夹具上和晶圆上校准技术

‾端口上可内置Kelvin bias tee

 

‾可选机械衰减器

‾功率稳幅

2.3 超宽带信号产生和分析

5G的核心目标是超高速无线数据传输，主要使用的物理层新技术包括非正交传输，基于滤波器组的多载波技术以及新型的调制编码，但是实现超高数据吞吐率的关键是超宽带信号调制 (通常认为达到 500 M-3 GHz)，这对传统仪表硬件的调制和分析带宽提出了很大的挑战。

目前针对 5G空中接口主要集中在软硬件性能验证和信道研究，所以需要真正达到超宽带信号调制的信号产生和接收分析，并且能够和最新物理层技术研究无缝结合，而传统仪表往往受到采样率和模拟带宽限制，同时常常缺乏灵活的软件平台构建新型物理层技术，从而很难真正验证从信源到信宿的数据吞吐性能以及毫米波和超宽带信道传播特性。

是德科技及时推出了目前业界最全面的超宽带信号产生和接收分析解决方案，包括最新推出的具备业界最高分析带宽的微波矢量信号分析仪 UXA，以及任意波宽带矢量信号产生平台最高带宽达 20GHz和宽带矢量信号接收分析平台最高带宽达 63GHz的测试应用，采用是德科技宽带任意波形发生器，高带宽示波器与 SystemVue系统仿真软件平台结合，通过 SystemVue强大的物理层技术构造仿真能力，可以完美地验证 5G空中接口数据吞吐性能以及超宽带信道传播特性。

‾超宽带矢量调制信号产生: M8190A/M8195A

 

‾信号产生带宽最高8GHz/20GHz

‾存储深度16G采样点

‾超宽带微波矢量信号分析仪: N9040B UXA

‾频率范围26.5GHz，分析带宽最高510GHz

‾超宽带矢量信号接收分析: Infiniium Scope/M9703A

 

‾信号分析带宽最高63GHz

‾超宽带矢量信号调制构造和仿真: SystemVue

2.4 波束赋形 Beamforming 技术

波束赋形 Beamforming 技术从 3G开始引入，在 4G中普遍应用，也是 5G的关键技术，区别是 5G使用更大规模的天线阵列，波束赋形精度更高，空间分辨率更高，抗干扰性和传输质量更好，发射功率更低，但是也对锁相精度和工作频率提出更高要求，同时针对波束赋形 Beamforming 的测试分析需要强大的矢量分析工具，能够通过矢量分析直接得到波束赋形结果。

是德科技提供目前业界最全面灵活的波束赋形 Beamforming 信号产生和接收分析解决方案，从传统的台式矢量信号源到最新推出的模块化解决方案，支持超宽带相参信号产生，同时是德科技业界独有的 89600B矢量信号分析平台软件具备全面的针对波束赋形 Beamforming 的测试分析，可以通过矢量分析直接得到波束赋形结果，结合 SystemVue系统仿真软件平台，可以完美构建5G波束赋形Beamforming测试和验证平台。

‾超宽带锁相矢量调制信号产生: M8190A/M8195A

 

‾信号产生带宽最高8GHz/20GHz

‾锁相矢量信号发生器: E8267D/E4438C/N5182B

‾锁相矢量调制信号频率最高: 44GHz

 

‾射频频段锁相接收机: N7109A(中移动指定智能天线测试仪)

‾超宽带锁相矢量信号接收分析: Infiniium Scope

‾微波宽带锁相信号接收分析: M9362A-D01/M9703A

 

‾锁相矢量仿真和验证分析: 89600B，SystemVue

波束赋形 Beamforming的关键性能取决于锁相精度， 4G LTE通常的锁相精度要求到小于 5度，即 2GHz载波时间偏差仅 7ps，5G对波束赋形 Beamforming要求更会超过 4G。是德科技 89600平台目前针对 N7109A平台提供的 Cross Channel Correction可以保证仪表的锁相精度偏差仅 0.1度，下图所示是 89600控制N7109A校正后的通道间幅度和相位差。[page]

2.5 5G 新物理层技术

5G在无线传输技术方面，将充分利用软件无线电架构，引入能够进一步挖掘频谱效率提升潜力的技术，如非正交多址接入技术，基于滤波器组的多载波技术，全双工技术，新型编码调制技术，新的波形设计技术等，其中很多技术相对于 3G/4G也是革命性的，虽然正交频分复用 OFDM (orthogonal frequencydi-vision multiplexing)是4G LTE以及 WLAN的核心技术，但是OFDM也存在下列不足之处。

‾ OFDM需要插入循环前缀以对抗多径衰落，从而导致无线资源的浪费

‾ OFDM对载波频偏的敏感性高，具有较高的峰均比

‾ OFDM各子载波必须具有相同的带宽

‾ OFDM各子载波之间必须保持同步

‾ OFDM各子载波之间必须保持正交，限制了频谱使用的灵活性

 

‾ OFDM技术采用方波作为基带波形，载波旁瓣大，当子载波同步不能严格保证的情况下相邻载波干扰严重

在 5G系统中，由于支撑高数据速率的需要，将可能需要高达500M-2GHz的带宽，但在较低的射频频段，难以获得连续的宽带频谱资源，而 OFDM技术难以实现对零散空白频谱的灵活利用，所以需要新的物理层技术实现5G的性能指标。

基于滤波器组的多载波 FBMC (Flter-bank Based Multicarrier)技术[2]被广泛关注，发射机通过合成滤波器组来实现多载波调制，接收机通过分析滤波器组来实现多载波解调。合成滤波器组和分析滤波器组由一组并行的成员滤波器构成，与 OFDM不同，FBMC各载波之间不再必须正交，也不需要插入循环前缀，各子载波带宽和各子载波之间的交叠程度可以灵活控制，各子载波之间也需要同步，这样同步和信道估计检测等可在各子载波上单独进行处理，非常适合于难以实现各用户之间严格同步的上行链路，并且可以灵活使用频谱。

非正交多址接入 NOMA技术是对 OFDM技术的改进，在发射端改变了原来单个时频资源 (例如资源块 RB)在同一时间只能由单一用户独占的方式，功率也可以由多个用户共享，相当于多个用户混合在一起，接收端需要采用干扰消除技术将不同用户区分开来。业界有实验验证NOMA可以进一步提高传输容量。

全双工技术指同时同频进行双向通信的技术。由于在无线通信系统中存在固有的发射信号对接收信号的自干扰，传统设备由于技术条件的限制，不能实现同时同频的双向通信，上下行需要使用 TDD或FDD等双工方式进行区分，但是这样理论上就浪费了一半的无线资源。随着各种干扰抵消技术的发展和成熟，同频同时的全双工技术逐渐成为 5G热点技术，是 5G系统充分挖掘无线频谱资源的一个重要方向[2]。

是德科技 SystemVue作为系统级设计仿真环境，主要用于通信系统物理层技术的设计和验证。 SystemVue 结合是德科技测试仪表为下一代 5G无线通信系统建模，实现和验证建立了理想的，可扩展的环境。 SystemVue 从项目第一天开始创建虚拟系统和仿真模型进行验证，然后逐渐和硬件结合引入更多测量，SystemVue 可以和是德科技矢量信号源结合创建复杂信号波形，并仿真真实世界无线传播环境，还可以结合是德科技89600矢量信号分析 VSA平台，后者提供一整套信号分析工具对信号进行解调和矢量信号分析，从而可以为 5G研发构建从发射到接收的完整物理层，包括 NOMA，FBMC，全双工技术，编码调制等新技术都可以在这个环境进行设计和仿真，并可以在真实射频微波环境中得到验证。

2.6 超密集协作式异构网络 HetNet

由于 5G系统既包括革命性的新型无线传输技术，也包括现有的各种无线接入技术的后续演进，所以 5G网络必然是多种无线接入技术包括 5G，4G，LTE，UMTS和 WiFi等共存，既有负责基础覆盖的宏站，也有大量承担热点覆盖的低功率小站，即RRU，PicoCell和FemtoCell等多层覆盖的多无线接入技术异构网络。无线网络结构发展的经验证明，由于小区半径的缩小从而频谱资源的空间复用带来的频谱效率提升的增益远远大于语音编码技术和调制技术以及 MAC调度改进所带来的增益，但是5G不是进行简单的小区分裂，而是通过增加低功率节点数量的方式提升系统容量，根据流量密度和连接数性能要求增加密度，甚至将来激活用户数和站点数的比例达到 1:1，即每个激活的用户都将有一个服务节点，从而形成超密集异构网络。

5G是融合协同的多制式共存的异构网络，存在密集多层，多无线接入技术的共存，导致网络结构非常复杂，所以实现 5G网络的关键有两个方面。

‾大量采用FemtoCell和Small Cell等低功率节点设备

 

‾实现自组织，自动干扰协调和规避，自优化和自愈合的认知网络

针对 FemtoCell和Small Cell等低功率节点设备，是德科技 X系列矢量信号源配合Signal Studio信号产生软件，X系列矢量信号分析仪等产品以及被业界广泛用于 FemtoCell以及基站设备的研发和生产测试，同时是德科技还最新推出了业界第一款专门针对FemtoCell和微蜂窝基站设备测试及产线的综合测试仪，采用最新PXI架构模块化结构，可以实现对包括各种无线通信制式的并行高速测试，目前支持LTE FDD，LTE TDD，W-CDMA/HSPA/HSPA+，GSM/EDGE-Evo，TD-SCDMA，WLAN 802.11a/b/g/n/ac，并且具备良好的扩展升级能力。

针对各种认知网络应用，是德科技也具备长期的行业实践经验，例如已经支持欧盟 EN300328和EN301893的针对WLAN设备的 DFS和 Adaptivity测试，并且能够根据未来 5G需求灵活组建相应的测试平台。

参考文献

[1] IMT-2020(5G)推进组，5G愿景与需求白皮书

 

[2]尤肖虎，潘志文，高西奇，曹淑敏，邬贺铨，5G移动通信发展趋势与若干关键技术，中国科学:信息科学2014年第44卷第5期: 551-563