從 1992年 GSM開始進入中國到現(xiàn)在，數(shù)字移動通信僅僅用 20多年的時間就已經全面地改變了我們的工作方式和生活方式，隨著智能終端和平板電腦的普及，人們的工作和生活越來越依賴移動數(shù)據(jù)信息交換，同時物聯(lián)網也逐步從概念走向現(xiàn)實，M2M信息交換使無線通信從傳統(tǒng)電信領域飛速地擴展到金融，交通，電力，醫(yī)療，家居，工業(yè)控制，農業(yè)，環(huán)境保護等非電信行業(yè)，并且必將滲透到所以行業(yè)，而這些傳統(tǒng)非電信行業(yè)的無線技術化是即信息革命后的又一次重大飛躍。這兩個方面導致了無線通信數(shù)據(jù)傳輸需求的迅猛發(fā)展，統(tǒng)計顯示 2012年全球移動數(shù)據(jù)流量大幅增長了 70%，達到了 8.85x1015TB，預計從2012年到 2017年將增長 13倍，到 2017年，全球通過無線通信方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量將超過有線方式，將占到 55%，同時平均每部移動終端將產生 2.7 GB的數(shù)據(jù)流量，所以未來 5-10年的無線通信給現(xiàn)行的網絡和設備帶來極大的壓力，目前的 3G和 4G都無法完全滿足，于是業(yè)界提出了第 5代無線通信即 5G。中國IMT2020 5G白皮書就把 5G描述為以用戶為中心構建的全方位信息生態(tài)系統(tǒng)，5G將使信息突破時空限制，提供極佳的交互體驗，便捷地實現(xiàn)人與萬物的智能互聯(lián)。 5G將為用戶提供光纖般的接入速率，“零”時延的使用體驗，千億設備的連接能力，超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動性等多場景的一致服務，業(yè)務及用戶感知的智能優(yōu)化，同時將為網絡帶來超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最終實現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”的總體愿景[1]。
業(yè)界已經提出一些 5G關鍵性能指標，主要包括用戶峰值速率、用戶體驗速率，帶寬、連接數(shù)密度、端到端時延、移動性等。
同時我們也認為 5G設備和應用將靈活地匹配不同的場景，因為針對速率，移動性，時延，成本，能耗等各個方面的要求在不同應用場景下有很大區(qū)別，如下面兩張圖所示比較。
左圖是針對高速率數(shù)據(jù)傳輸場景，使用的技術重點在于實現(xiàn)高吞吐率，高流量密度，高頻譜效率，短時延等，右圖是針對物聯(lián)網 M2M場景，使用的技術就偏重在低設備成本，高連接數(shù)，極長的電池壽命等。
由于物聯(lián)網對速率和帶寬要求較低，目前的無線技術可以很好地融合實現(xiàn)，本文主要探討由超高速率傳輸所推動的 5G新技術帶來的挑戰(zhàn)以及是德科技為業(yè)界提供的5G全面解決方案。
2. 5G關鍵技術和測試方案
為了實現(xiàn) 5G無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苤笜?，需要采用革命性的無線技術，從深挖頻譜效率，功率效率和用戶數(shù)量角度提出了大規(guī)模 MIMO技術，從頻率資源和超高吞吐率所要求超寬帶調制的角度提出了使用毫米波頻段，從大幅度提高流量密度以及高頻段信號衰減的角度提出了超密集組網和協(xié)作式網絡，以及完全基于軟件無線電的新型物理層技術，包括 NOMA，F(xiàn)BMC，F(xiàn)ullDuplex等，這些已經成為 5G無線傳輸方面的標志性技術，并且遠遠超過 4G，所以 5G從無線技術角度也被稱為革命而不是演進。但是革命性的技術也給研發(fā)和測試帶來了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是大規(guī)模MIMO，毫米波以及超寬帶信號產生和接收分析使傳統(tǒng)無線通信測試儀表很難滿足要求。是德科技憑借超過 70年的測試測量儀表歷史和領先的無線通信儀表平臺，可以給業(yè)界提供最全面的 5G無線通信測試解決方案，可以覆蓋各種 5G關鍵技術，以及包括器件測試，信道探測建模，信號模擬，信號接收分析，系統(tǒng)級仿真和驗證等各種測試應用。
2.1 大規(guī)模 MIMO (Massive MIMO) 技術
多天線技術作為提高系統(tǒng)頻譜效率和傳輸可靠性的有效手段，已經應用于LTE和WLAN等系統(tǒng)。根據(jù)信息論，天線數(shù)量越多，頻譜效率和可靠性提升越明顯，尤其是當發(fā)射天線和接收天線數(shù)量很大時，MIMO信道容量將隨收發(fā)天線數(shù)中的最小值近似線性增長。在5G大規(guī)模MIMO中，基站配置數(shù)量非常大(通常幾十到幾百根，是現(xiàn)有系統(tǒng)天線數(shù)量的 1-2個數(shù)量級以上)的天線，可以在相同時頻資源上同時服務很多用戶。大規(guī)模 MIMO主要優(yōu)點包括: 第一，大規(guī)模 MIMO大幅度提高頻譜效率，第二，大規(guī)模 MIMO可將波束集中在很窄的范圍內，從而大幅度降低干擾，第三，可大幅降低發(fā)射功率，從而提高功率效率，第四，當天線數(shù)量足夠大時，最簡單的線性預編碼和線性檢測器趨于最優(yōu)，并且噪聲和不相關干擾都可忽略不計。
大規(guī)模 MIMO對傳統(tǒng)測試儀表提出了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)臺式信號源和分析儀無法克服體積成本同步等多個方面問題。是德科技的高性能射頻和微波模塊化儀表代表著無線通信測試的發(fā)展方向，支持多通道的信號產生和信號分析，通過靈活地組合和機箱級聯(lián)擴展，可以支持從目前的 LTE/WLAN小規(guī)模 MIMO到大規(guī)模MIMO的測試要求，并且提供業(yè)界最高水平的測試指?？紤]到不同用戶的需求，是德科技分別提供針對射頻頻段和微波/毫米波頻段的模塊化儀表解決方案。
2.1.1大規(guī)模MIMO射頻頻段解決方案
是德科技 Massive MIMO射頻頻段解決方案是針對最高 6GHz的測試應用，核心硬件采用是德科技高性能 X系列矢量信號源和信號分析儀平臺，模塊化結構，具備與成熟的 X系列臺式儀表相同的性能指標，軟件也采用已經在行業(yè)廣泛應用 Signal Studio信號產生平臺和 X-app以及 89600矢量信號分析平臺，還可以結合是德科技 SystemVue和ADS實現(xiàn)5G Massive MIMO信號產生和分析。
‾射頻頻段解決方案M9381A/M9391A
‾頻率范圍1M-6GHz
‾信號調制和分析帶寬最高160MHz
‾信號產生和測量的幅度精度可達±0.3dB
‾信號源射頻切換速度<220us
‾ LTE MIMO EVM<0.38%
‾ LTE MIMO同步精度<20ns
2.1.2大規(guī)模MIMO微波/毫米波頻段解決方案
是德科技 Massive MIMO微波到毫米波頻段解決方案支持寬帶矢量信號產生最高達 67 GHz和寬帶矢量信號接收分析最高達50 GHz的測試應用 (如果增加毫米波混頻器擴展，可以支持超過 100 GHz頻率范圍)，采用是德科技寬帶模塊化儀表與微波毫米波臺式儀表結合，完美地將毫米波頻率范圍與超寬帶多通道信號產生和分析結合，提供業(yè)界最高性能與靈活性，軟件采用已經在行業(yè)廣泛應用 Signal Studio信號產生平臺和 X-app以及89600矢量信號分析平臺，還可以結合是德科技 SystemVue和ADS實現(xiàn)5G Massive MIMO信號產生和分析。
‾微波到毫米波頻段多通道信號產生 : M8190A/M8195A/PSG/Mixer
‾頻率范圍可支持包括28G，45G，60-90GHz等5G頻段
‾信號產生帶寬最高8GHz/20GHz
‾微波到毫米波頻段多通道信號接收分析: M9362A-D01/M9703A/Mixer
‾頻率范圍可支持包括28G，45G，60-90GHz等5G頻段
2.2 毫米波 mmWave 技術
隨著無線通信的高速發(fā)展，射頻頻段頻率資源已經非常緊張，而 5G超高速無線數(shù)據(jù)傳輸所需要的超寬信號帶寬 (通常認為達到 500 M-3 GHz) 在傳統(tǒng)的射頻頻段也難以得到滿足，使得 5G走向微波和毫米波頻段成為必然的選擇。通常認為 26.5-300 GHz為毫米波頻率，可用帶寬超過 100 GHz。毫米波介于微波和光波之間，兼具二者優(yōu)點。與激光相比，毫米波的傳播受氣候小。毫米波與微波相比波束更窄，空間分辨率極高。毫米波器件尺寸小，可以實現(xiàn)天線和設備的小型微型化。這些特點決定了毫米波是實現(xiàn) 5G超高速數(shù)據(jù)通信和超密集布網的關鍵技術。毫米波頻段對測試測量的挑戰(zhàn)包括系統(tǒng)級和器件級兩個方面。系統(tǒng)級研發(fā)和驗證需要毫米波和超寬帶的信號產生和接收分析，信道探測和建模仿真，器件級則需要完整的矢量網絡分析解決方案。
2.2.1信號產生和接收分析
是德科技提供業(yè)界最全面的微波到毫米波頻段信號產生和接收分析解決方案，支持寬帶矢量信號產生最高達 67 GHz和寬帶矢量信號接收分析最高達50GHz的測試應用(如果增加毫米波混頻器擴展，可以支持超過 100 GHz頻率范圍)，采用是德科技寬帶任意波形發(fā)生器，高帶寬示波器與微波毫米波臺式儀表結合，完美地將毫米波頻率范圍與超寬帶信號產生和分析結合，提供業(yè)界最高性能與靈活性，可以結合是德科技 89600，SystemVue和 ADS等軟件平臺實現(xiàn) 5G信號產生和分析，可以用于模擬 5G無線通信信號產生和接收，研究5G信道建模等。
‾微波到毫米波頻段信號產生: M8190A/M8195A/PSG/Mixer
‾頻率范圍可支持包括28G，45G，60-90GHz等5G頻段
‾信號產生帶寬最高8GHz/20GHz
‾微波到毫米波頻段信號接收分析: Infiniium Scope/PSG/Mixer
‾頻率范圍可支持包括28G，45G，60-90GHz等5G頻段
‾信號分析帶寬最高63GHz
2.2.2毫米波器件測試解決方案
是德科技提供基于 N5247A/N5227A的10 MHz~110 GHz單次掃描解決方案，系統(tǒng)組成包括 N5247A/N5227A 微波/毫米波矢量網絡分析儀，毫米波測試系統(tǒng)擴展控制器以及頻率擴展端口模塊。系統(tǒng)集成有直流偏置裝置，可以精確地對被測器件的偏置狀態(tài)進行控制，由于超寬的測量頻率范圍以及低至 10 MHz的下限測量頻率，系統(tǒng)做時域測量時可以具有極高的時間分辨率，還可以精確地對施加在被測器件上的激勵信號的功率進行控制，并能在1mm的測量端口上進行功率掃描。
‾單次掃描即可完成10MHz-110GHz掃描
‾ 1.0mm同軸連接器接口
‾超寬帶矢量調制信號產生: M8190A/M8195A
‾信號產生帶寬最高8GHz/20GHz
‾業(yè)界領先的同軸，夾具上和晶圓上校準技術
‾端口上可內置Kelvin bias tee
‾單次掃描即可完成10MHz-110GHz掃描
‾ 1.0mm同軸連接器接口
‾業(yè)界領先的同軸，夾具上和晶圓上校準技術
‾端口上可內置Kelvin bias tee
‾可選機械衰減器
‾功率穩(wěn)幅
2.3 超寬帶信號產生和分析
5G的核心目標是超高速無線數(shù)據(jù)傳輸，主要使用的物理層新技術包括非正交傳輸，基于濾波器組的多載波技術以及新型的調制編碼，但是實現(xiàn)超高數(shù)據(jù)吞吐率的關鍵是超寬帶信號調制 (通常認為達到 500 M-3 GHz)，這對傳統(tǒng)儀表硬件的調制和分析帶寬提出了很大的挑戰(zhàn)。
目前針對 5G空中接口主要集中在軟硬件性能驗證和信道研究，所以需要真正達到超寬帶信號調制的信號產生和接收分析，并且能夠和最新物理層技術研究無縫結合，而傳統(tǒng)儀表往往受到采樣率和模擬帶寬限制，同時常常缺乏靈活的軟件平臺構建新型物理層技術，從而很難真正驗證從信源到信宿的數(shù)據(jù)吞吐性能以及毫米波和超寬帶信道傳播特性。
是德科技及時推出了目前業(yè)界最全面的超寬帶信號產生和接收分析解決方案，包括最新推出的具備業(yè)界最高分析帶寬的微波矢量信號分析儀 UXA，以及任意波寬帶矢量信號產生平臺最高帶寬達 20GHz和寬帶矢量信號接收分析平臺最高帶寬達 63GHz的測試應用，采用是德科技寬帶任意波形發(fā)生器，高帶寬示波器與 SystemVue系統(tǒng)仿真軟件平臺結合，通過 SystemVue強大的物理層技術構造仿真能力，可以完美地驗證 5G空中接口數(shù)據(jù)吞吐性能以及超寬帶信道傳播特性。
‾超寬帶矢量調制信號產生: M8190A/M8195A
‾信號產生帶寬最高8GHz/20GHz
‾存儲深度16G采樣點
‾超寬帶微波矢量信號分析儀: N9040B UXA
‾頻率范圍26.5GHz，分析帶寬最高510GHz
‾超寬帶矢量信號接收分析: Infiniium Scope/M9703A
‾信號分析帶寬最高63GHz
‾超寬帶矢量信號調制構造和仿真: SystemVue
2.4 波束賦形 Beamforming 技術
波束賦形 Beamforming 技術從 3G開始引入，在 4G中普遍應用，也是 5G的關鍵技術，區(qū)別是 5G使用更大規(guī)模的天線陣列，波束賦形精度更高，空間分辨率更高，抗干擾性和傳輸質量更好，發(fā)射功率更低，但是也對鎖相精度和工作頻率提出更高要求，同時針對波束賦形 Beamforming 的測試分析需要強大的矢量分析工具，能夠通過矢量分析直接得到波束賦形結果。
是德科技提供目前業(yè)界最全面靈活的波束賦形 Beamforming 信號產生和接收分析解決方案，從傳統(tǒng)的臺式矢量信號源到最新推出的模塊化解決方案，支持超寬帶相參信號產生，同時是德科技業(yè)界獨有的 89600B矢量信號分析平臺軟件具備全面的針對波束賦形 Beamforming 的測試分析，可以通過矢量分析直接得到波束賦形結果，結合 SystemVue系統(tǒng)仿真軟件平臺，可以完美構建5G波束賦形Beamforming測試和驗證平臺。
‾超寬帶鎖相矢量調制信號產生: M8190A/M8195A
‾信號產生帶寬最高8GHz/20GHz
‾鎖相矢量信號發(fā)生器: E8267D/E4438C/N5182B
‾鎖相矢量調制信號頻率最高: 44GHz
‾射頻頻段鎖相接收機: N7109A(中移動指定智能天線測試儀)
‾超寬帶鎖相矢量信號接收分析: Infiniium Scope
‾微波寬帶鎖相信號接收分析: M9362A-D01/M9703A
‾鎖相矢量仿真和驗證分析: 89600B，SystemVue
波束賦形 Beamforming的關鍵性能取決于鎖相精度， 4G LTE通常的鎖相精度要求到小于 5度，即 2GHz載波時間偏差僅 7ps，5G對波束賦形 Beamforming要求更會超過 4G。是德科技 89600平臺目前針對 N7109A平臺提供的 Cross Channel Correction可以保證儀表的鎖相精度偏差僅 0.1度，下圖所示是 89600控制N7109A校正后的通道間幅度和相位差。
2.5 5G 新物理層技術
5G在無線傳輸技術方面，將充分利用軟件無線電架構，引入能夠進一步挖掘頻譜效率提升潛力的技術，如非正交多址接入技術，基于濾波器組的多載波技術，全雙工技術，新型編碼調制技術，新的波形設計技術等，其中很多技術相對于 3G/4G也是革命性的，雖然正交頻分復用 OFDM (orthogonal frequencydi-vision multiplexing)是4G LTE以及 WLAN的核心技術，但是OFDM也存在下列不足之處。
‾ OFDM需要插入循環(huán)前綴以對抗多徑衰落，從而導致無線資源的浪費
‾ OFDM對載波頻偏的敏感性高，具有較高的峰均比
‾ OFDM各子載波必須具有相同的帶寬
‾ OFDM各子載波之間必須保持同步
‾ OFDM各子載波之間必須保持正交，限制了頻譜使用的靈活性
‾ OFDM技術采用方波作為基帶波形，載波旁瓣大，當子載波同步不能嚴格保證的情況下相鄰載波干擾嚴重
在 5G系統(tǒng)中，由于支撐高數(shù)據(jù)速率的需要，將可能需要高達500M-2GHz的帶寬，但在較低的射頻頻段，難以獲得連續(xù)的寬帶頻譜資源，而 OFDM技術難以實現(xiàn)對零散空白頻譜的靈活利用，所以需要新的物理層技術實現(xiàn)5G的性能指標。
基于濾波器組的多載波 FBMC (Flter-bank Based Multicarrier)技術[2]被廣泛關注，發(fā)射機通過合成濾波器組來實現(xiàn)多載波調制，接收機通過分析濾波器組來實現(xiàn)多載波解調。合成濾波器組和分析濾波器組由一組并行的成員濾波器構成，與 OFDM不同，F(xiàn)BMC各載波之間不再必須正交，也不需要插入循環(huán)前綴，各子載波帶寬和各子載波之間的交疊程度可以靈活控制，各子載波之間也需要同步，這樣同步和信道估計檢測等可在各子載波上單獨進行處理，非常適合于難以實現(xiàn)各用戶之間嚴格同步的上行鏈路，并且可以靈活使用頻譜。
非正交多址接入 NOMA技術是對 OFDM技術的改進，在發(fā)射端改變了原來單個時頻資源 (例如資源塊 RB)在同一時間只能由單一用戶獨占的方式，功率也可以由多個用戶共享，相當于多個用戶混合在一起，接收端需要采用干擾消除技術將不同用戶區(qū)分開來。業(yè)界有實驗驗證NOMA可以進一步提高傳輸容量。
全雙工技術指同時同頻進行雙向通信的技術。由于在無線通信系統(tǒng)中存在固有的發(fā)射信號對接收信號的自干擾，傳統(tǒng)設備由于技術條件的限制，不能實現(xiàn)同時同頻的雙向通信，上下行需要使用 TDD或FDD等雙工方式進行區(qū)分，但是這樣理論上就浪費了一半的無線資源。隨著各種干擾抵消技術的發(fā)展和成熟，同頻同時的全雙工技術逐漸成為 5G熱點技術，是 5G系統(tǒng)充分挖掘無線頻譜資源的一個重要方向[2]。
是德科技 SystemVue作為系統(tǒng)級設計仿真環(huán)境，主要用于通信系統(tǒng)物理層技術的設計和驗證。 SystemVue 結合是德科技測試儀表為下一代 5G無線通信系統(tǒng)建模，實現(xiàn)和驗證建立了理想的，可擴展的環(huán)境。 SystemVue 從項目第一天開始創(chuàng)建虛擬系統(tǒng)和仿真模型進行驗證，然后逐漸和硬件結合引入更多測量，SystemVue 可以和是德科技矢量信號源結合創(chuàng)建復雜信號波形，并仿真真實世界無線傳播環(huán)境，還可以結合是德科技89600矢量信號分析 VSA平臺，后者提供一整套信號分析工具對信號進行解調和矢量信號分析，從而可以為 5G研發(fā)構建從發(fā)射到接收的完整物理層，包括 NOMA，F(xiàn)BMC，全雙工技術，編碼調制等新技術都可以在這個環(huán)境進行設計和仿真，并可以在真實射頻微波環(huán)境中得到驗證。
2.6 超密集協(xié)作式異構網絡 HetNet
由于 5G系統(tǒng)既包括革命性的新型無線傳輸技術，也包括現(xiàn)有的各種無線接入技術的后續(xù)演進，所以 5G網絡必然是多種無線接入技術包括 5G，4G，LTE，UMTS和 WiFi等共存，既有負責基礎覆蓋的宏站，也有大量承擔熱點覆蓋的低功率小站，即RRU，PicoCell和FemtoCell等多層覆蓋的多無線接入技術異構網絡。無線網絡結構發(fā)展的經驗證明，由于小區(qū)半徑的縮小從而頻譜資源的空間復用帶來的頻譜效率提升的增益遠遠大于語音編碼技術和調制技術以及 MAC調度改進所帶來的增益，但是5G不是進行簡單的小區(qū)分裂，而是通過增加低功率節(jié)點數(shù)量的方式提升系統(tǒng)容量，根據(jù)流量密度和連接數(shù)性能要求增加密度，甚至將來激活用戶數(shù)和站點數(shù)的比例達到 1:1，即每個激活的用戶都將有一個服務節(jié)點，從而形成超密集異構網絡。
5G是融合協(xié)同的多制式共存的異構網絡，存在密集多層，多無線接入技術的共存，導致網絡結構非常復雜，所以實現(xiàn) 5G網絡的關鍵有兩個方面。
‾大量采用FemtoCell和Small Cell等低功率節(jié)點設備
‾實現(xiàn)自組織，自動干擾協(xié)調和規(guī)避，自優(yōu)化和自愈合的認知網絡
針對 FemtoCell和Small Cell等低功率節(jié)點設備，是德科技 X系列矢量信號源配合Signal Studio信號產生軟件，X系列矢量信號分析儀等產品以及被業(yè)界廣泛用于 FemtoCell以及基站設備的研發(fā)和生產測試，同時是德科技還最新推出了業(yè)界第一款專門針對FemtoCell和微蜂窩基站設備測試及產線的綜合測試儀，采用最新PXI架構模塊化結構，可以實現(xiàn)對包括各種無線通信制式的并行高速測試，目前支持LTE FDD，LTE TDD，W-CDMA/HSPA/HSPA+，GSM/EDGE-Evo，TD-SCDMA，WLAN 802.11a/b/g/n/ac，并且具備良好的擴展升級能力。
針對各種認知網絡應用，是德科技也具備長期的行業(yè)實踐經驗，例如已經支持歐盟 EN300328和EN301893的針對WLAN設備的 DFS和 Adaptivity測試，并且能夠根據(jù)未來 5G需求靈活組建相應的測試平臺。
參考文獻
[1] IMT-2020(5G)推進組，5G愿景與需求白皮書
[2]尤肖虎，潘志文，高西奇，曹淑敏，鄔賀銓，5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關鍵技術，中國科學:信息科學2014年第44卷第5期: 551-563
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