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移动通信技术如何向后5G和6G天线系统技术演进和

日期:2020-01-17 / 人气:

和成熟的关键时期。与此同时,移动通信向后5G和第六代移动通信系统(6G)演进,逐渐成为学术界和产业界关注的热点领域。

为促进信息与电子工程领域学术交流,提升我国天线与射频技术水平,促进我国天线系统产业发展,中国工程院信息与电子工程学部和中国通信学会联合举办第3期“信息与电子工程前沿论坛-后5G和6G天线系统技术演进与创新”。本期论坛由中国工程院院刊Engineering和Frontirsof InformaTIonTechnology & Electronic Engineering (FITEE)、西安电子科技大学、天线与微波技术重点实验室、天线系统产业联盟共同组织。

天线系统是移动通信系统的重要组成部分,为满足后5G及6G系统中更高接入速率、更低接入时延、更广更深的通信覆盖等需求,未来天线系统迫切需要在结构设计、微波计算、新材料应用等方面不断演进和创新,以解决更大规模、更高频段和更大带宽以及更低功率和更小尺寸等挑战,并掌握其天线传播特性及测试等方面的新方法,加速其产业应用和商业化进程。

在此背景下,中国工程院信息与电子工程前沿论坛聚焦“后5G和6G天线系统技术演进和创新”,针对后5G和6G天线系统前沿基础理论、关键共性技术以及产业应用等进行深入研讨。中国工程院信息与电子工程学部院士段宝岩、中国通信学会副理事长和秘书长张延川、浙江大学出版社社长鲁东明教授发表讲话。

中国科学院院士崔铁军表示,大规模天线阵列技术以及毫米波的全频谱接入技术可以很好的实现5G时代大容量的移动通信。不过,上述两种技术面临包括要使用大量射频器件、系统复杂度高,成本高等问题。因而如何尽量少用射频器件、天线数目,同时减少成本,成为后5G以及6G时代的讨论重点。为此崔铁军提出信息超材料的概念,进行空间和时间的时空二维编码,同时调控电磁波束和电磁频谱,可以对不同频谱的波束进行调控,这样可以做多通道无线通信。

澳大利亚工程院院士郭英杰认为,B5G时代,移动通信将实现从地面到太空,无缝集成。因为未来的无线通信天线需要实现低功耗、低成本、超带宽、高增益、可重构以及多波束等需求。对于此,郭英杰表示,由于其低成本和低能耗,模拟多波束天线G系统的主要候选者,同时可重构的漏波天线可以产生固定频率的波束扫描和多波束,另外需要更多创新的解决方案来增加获取可单独扫描的多波束的灵活性。

新加披工程院院士陈志宁表示,移动通信的天线G时代的全向天线G时代的平面天线G时代的多频段天线G时代的MIMO天线G时代的大规模阵列天线以及毫米波技术,那么往后的天线将向哪个方向演进?陈志宁表示,未来的天线的材料势必会从天然材料转向超材料,超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。

业界都说,毫米波将成为5G时代的必经之路,目前我国已经批准了24.75-27.5GHz和37-42.5GHz作为实验频段。东南大学教授洪伟指出,目前基于大规模MIMO的5G毫米波技术已趋于成熟,关键技术验证已基本完成,预计在2022年左右开始商用。到了6G时代,毫米波将是星间链路、用户链路、馈电链路的首选宽带传输技术。SpaceX的Starlink主要采用了Ka和Q波段。可以肯定,毫米波技术将是6G网络最重要的支持技术之一。不过受限于半导体工艺特性,在太赫兹频段,发射功率、接收机噪声系数、制造难度、成本等都是应用太赫兹需要突破的瓶颈。

中国电子科技集团公司第14研究所首席科学家周志鹏认为,毫米波电子系统无论在军事装备或民用电子领域,都具有广阔应用前景,随着技术发展,成本下降,毫米波系统将占据更多市场份额,甚至占据主导地位。与此同时,在移动通信领域中,5G通信领域中的毫米波应用发展潜力巨大,特别是在“天地一体化”和6G概念所提出的立体多维信息网络空间中,传统反射面体制的电子设备在灵活性上远不如先进相控阵体制,毫米波相控阵技术在替代此类应用方面,存在较大潜力。另外,随着多功能需求的发展,通信与雷达探测技术的融合也将进一步加深,同时,毫米波通信技术嵌入大型雷达,用于替代有线传输将成为可能。

中国信息通信科技集团有限公司陈山枝博士提到,B5G主要是陆地与卫星融合的移动通信,通过5G陆地移动通信与低轨卫星移动通信融合而成。B5G能够通过5G的低时延以及全球导航卫星技术实现高精度定位。同时B5G将实现通信与计算、存储的深度融合,降低时延,提升用户体验以及系统业务支撑能力。另外,B5G将实现通信与雷达的融合,实现一体化设计,从而降低成本、功耗,提高探测准确度,实现更全面的感知效果。而在6G方面,陈山枝认为6G将融合陆地无线移动通信、中高低轨卫星移动通信以及短距离直接通信等技术,融合通信与计算、导航、感知、智能等技术,通过智能化移动性管理控制,建立空、天、地海泛在移动通信网,实现全球泛在覆盖的高速宽带通信。目前中国信科正在NR-V2X,6G以及基于5G的地面和卫星综合移动通信领域开展研究工作。

北京邮电大学教授张建华表示,移动通信从1G发展到5G离不开无线信道的建模,信道研究的意义在于确定频谱以及探索新技术。张建华指出,3.5GHz从研究到成为全球5G频段经历了10余年,而通过对垂直维空域传播特性的探索、建模和分析,促进了3D MIMO技术从理论到应用的实现。到了6G时代更是如此,不过由于6G无线信道数据量急剧增加,各维度跨度大,建模复杂度也会提高。为了支撑6G潜在的技术研究和应用,基础性的是要探索和掌握信道的特性和模型。在张建华看来,B5G/6G信道研究应该重点倾向于太赫兹信道、工业物联网信道、空天地一体化信道以及智能化信道建模方法。

西安电子科技大学教授刘英指出,5G时代,物联网,人工智能,智慧城市等应用场景离不开大容量的需求,同时4K/8K超高清视频,AR/VR应用的不断涌现,使得人们对数据传输速率呈现指数级增长的需求。利用MIMO技术,能够有效提高信道容量和频谱利用率,同时不需要使用额外的频谱资源以及增加发射功率。当然在MIMO设计层面,需要满足尺寸紧凑,高隔离度,低ECC以及减少外部去耦结构使用的需求。针对这些需求,西安电子科技大学提出了基于共享口径模块多天线设计,并进行了相应的理论研究和测试验证。

众所周知5G时代,基站能耗大一直是困扰运营商建网的一大问题。清华大学教授陈文华从能耗的角度,阐述了功率放大器(PA)仍然对发射器效率起主要作用,必须不断提高平均效率。另外,Doherty拓扑在5G大规模MIMO发射器架构中仍然具有强大的潜力。同时功放模块或FEM将在5G massive MIMO中的数十个通道中流行。而为了提高整体效率,可以考虑权衡系统级别的效率和线性度,同时必须发明新颖的DPD线性化技术以降低系统复杂性和成本。

北京理工大学教授胡伟东认为,太赫兹科学和技术可以被广泛的应用到天文观测、大气遥感、军事应用、6G通信、汽车雷达、安全成像和生物医疗。经过多年的发展,太赫兹通信技术正从实验室阶段在向实际应用转型。目前,飞行器舱内高速WLAN和高速总线、飞行器间链路及行星原位链路受到美国等发达国家持续关注,太赫兹列入规划频段。同时,太赫兹部件正向单片集成化发展,尤其是220GHz以上部件,太赫兹频段的半导体仍以GaAs和InP等第二代半导体为主。另外,发达国家已经开始在更高频段(0.5THz)以上频段开展通信实验,尝试单片系统等,通信频谱抢占日超白热化。需要指出的是,太赫兹空间通信技术定点通信技术状态已经趋于成熟,需要进一步解决波束自适应跟踪和捷变控制问题。

北京邮电大学教授姚远表示,毫米波和太赫兹在军事和明用方面有着广泛的用途,但是相应的在天线测量方面挑战重重。为此,北京邮件大学自主设计和搭建的一套可工作在毫米波太赫兹频段下的紧缩场天线测试系统,该测试系统可以获得实时的系统位置参数,通过一系列稳向、同步与校准技术,保证测试结果的线G的天线测量需求进行了技术储备。

北京航空航天大学教授王正鹏表示,5G甚至是未来的B5G和6G对射频和天线提出全新的需求,也就对射频和天线测量提出了全新的挑战。近年来,为了满足测量需求,国内外各大厂商出现了多种基站天线相关OTA测量系统,各家形式不同,分别基于不同的空口测量技术。王正鹏介绍,国外厂商产品多成完整系列和完整系统,而国内产品以单品为主,影响力较低。为此,北京航空航天大学在空口测量领域进行深入研究,研制适用于Sub6G研发阶段平面波模拟器,研制适用于基站产线的平面波模拟器以及研究基于球形探头墙的信道仿真环境,并取得显著成绩。

5G已来,热面向未来的B5G以及6G的天线与射频技术,在本次论坛上,各位专家学者分别给出了相应的研究成果以及思考,在提出前沿基础理论、关键共性技术的同时,也是在为未来的产业应用铺路。

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