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本技术介绍参考了以下链接
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2017年03月31日

面向5G的低功耗技术
基于天线子阵列之间的编码技术,促进毫米波快速通信的实际应用

株式会社富士通研究所(注1)(以下简称,富士通研究所),面向第5代(5G)移动无线通信基站和接入点,试制了基于子阵列间编码技术的无线装置,并成功完成了向多台终端同时发送电波的验证实验。该子阵列间编码技术能够以与无线Wi-Fi相当的低功耗,实现每秒10Gb以上的高速通信。

开发背景

随着智能设备的普及,无线数据通信流量以1年近2倍的速度增加,预计到2020年左右,无线数据通信流量将是2010年的1000倍。因此,世界各国都在积极努力地开展5G移动无线通信技术的研究,以实现超过10Gbps的高速通信。

为了扩大通信容量,可以采取多种方式。比如通过减少手机基站和Wi-Fi接入点覆盖的区域半径,按照面积增加可通信的终端数量,或者利用宽的带宽等。

使用了数GHz带宽毫米波的高速通信,由于假定以数十米到数百米的间隔设置手机基站或Wi-Fi接入点,所以需要很多无线设备,无线设备的低功耗也显得尤为重要。

图1

图1  基于5G和Wi-Fi的网络配置

课题

现在,为实现5G超高速通信,毫米波段的使用和一种叫做Massive MIMO(Multiple Input Multiple Output)的技术成为关注的焦点。Massive MIMO技术通过控制多个天线元件,向各终端发送无线电波束。天线发出无线电波时,天线元件需要配备将数字信号转换成模拟信号的D/A电路,如果在毫米波段为每个天线元件分别配备一个D/A电路,就需要非常多的高速D/A电路,会导致耗电量大幅增加。

由模拟天线元件承担一部分信号处理,通过使用1条D/A电路对应多个天线元件,可以降低耗电量,但基于模拟和数字的混合方式,向终端发送的无线电波束会相互干扰,导致通信速度降低。例如天线元件为128个,波束复用数为8时,与数字方式相比,混合方式使用的D/A电路数量可以减少到1/16,但由于复用的波束相互干扰,通信速度最多会减慢到1/8。

开发的技术

富士通研究所发现,采用混合方式中的交错型结构可以消除不必要的辐射引发的波束间干扰,并将这一技术作为子阵列间编码方式。

交错型加大了连接到1条D / A电路的天线单元集合子阵列中的天线元件间隔,扩大了子阵列的范围。天线范围扩大后,波束会变细,天线元件间隔增大后,会产生不必要的辐射,称作“栅瓣”。当逐一设置子阵列元件时(图2),A、B的子阵列会分别沿两个方向,以电波的形式发射A、B的信号。

但A的2个方向的电波相位相同,为A/A,而B因为天线元件的位置关系,电波相位变成了B/-B。利用这一性质,可以在子阵列间采用合适的编码(图3),以消除干扰,实现波束复用。这时,向1个子阵列输入A+B的信号,向其他子阵列输入A–B的信号,在其中一个方向是(A+B)+(A–B)=2A,另一个方向则是(A+B)–(A–B)=2B,可以分别剥离出信号A和B。

这次,富士通研究所利用交错型混合方式,开发出了配备子阵列间编码的60GHz频带试制机,在实际测试中证明其生成了狭窄的复用波束,实现了超过10Gbps的高速通信(图4)。





图2
图3

图2 交错型混合光束复用

图3 子阵列间编码光束复用


图4

图4  子阵列间编码的实测效果

图5

图5  阵列天线板原型


效果

通过使用该技术,当很多用户在人员密集的场所同时通信时,可以将通信速度的降幅控制在最低限度,在观看高画质视频或上传拍摄的视频时,也能提供高速、通畅的通信环境。

该技术可同时实现高速通信和低功耗,对在狭窄区域安装大量手机基站和Wi-Fi接入点的毫米波高速通信的实际应用具有推动作用。


今后

富士通研究所还将继续推动毫米波无线电设备的高速化和码率的低功耗化,目标在2020年左右将这项技术投入实际应用。

注释

注1 株式会社富士通研究所:
社长 佐佐木 繁
总公司所在地 日本神奈川县川崎市