面向5G小基站的低功耗技术

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2018年08月08日

株式会社富士通研究所（注1）（以下简称：富士通研究所）开发出了一种面向基站的毫米波电路技术，可实现第5代移动通信系统（5G）要求的每秒超过10千兆比特（以下简称：Gbps）的高速通信，且功耗相当于Wi-Fi接入点。

开发背景

近年来，第5代移动通信系统（5G）的研究和开发正在全球范围内展开，目标于2020年左右实现商业化。其中，10Gbps的高速/大容量通信是5G的一个必要条件，为实现该条件，预计宽频带的毫米波段将会得到广泛使用。下面是一个预期的场景例子，假设在体育场提供一项服务：体育场中的每个用户可分别通过移动设备观看进球重播或各场馆内情况等的高清视频。

图1 5G大容量/高速无线

课题

毫米波一方面可以实现高速、大容量通信，另一方面，由于它具有单向性，基本不具备绕行障碍物的能力，所以在人群高度集中的地方，可以设想使用一种称为小基站（小小区）的方法，每隔数十米设置一个基站。这些基站通过使用称作波束赋形的技术（该技术基于多个天线单元可将电波集中在目标方向），对波束进行分割复用，可以分别同时与多个用户进行通信。

富士通研究所针对波束赋形技术，已经开发出了降低天线阵列功耗的子阵列间编码技术（注2），实现了高速、大容量、低功耗通信。但在体育场或车站附近等人群高度集中的地方设置多个基站时，要将其功耗控制在与Wi-Fi接入点相当的程度（10W左右），将会是一个挑战。

开发的技术

此次富士通研究所开发了一种技术，可将称为移相器（用于控制到天线单元的信号相位）的电路功耗减半。通过对开关电路和差分放大器进行组合，逐步减少构成移相电路的放大器数量，同时基于抑制电路电损耗的新毫米波电路，可将移相器部分的功耗降低一半。

移相器通过对每个天线单元的输入信号相位进行调整（0度到360度范围内），来确定从天线阵列输出的波束方向。通常，每个移相器需要4个放大器。

此次，富士通研究所成功开发出一种新型开关电路，将放大器数量减少到2个。该开关电路通过对输入信号进行正负号编码，可将输出信号的相位切换为0度与180度，或90度与270度。另外，为了减少波束间的干扰，通过测量移相器实际设置的相位和振幅，对偏差进行补偿，实现了低功耗和高精度的波束方向控制。

图2 小小区基站无线组件功能框图

图3 传统移相器

图4 开发的移相器

图5 开发的移相器芯片图

效果

利用该技术，在使用128个天线单元的情况下，移相器部分的功耗仅为3W，是传统技术功耗的一半。通过将该技术与已开发技术相结合，可实现超过10Gbps的低功耗高速通信，功耗仅10W左右，等同于Wi-Fi接入点。另外，通过在狭小区域内设置多个基站，即使在用户大量集中的车站或体育场等地，也可构建舒适的通信环境，将每个用户的通信速度下降程度控制在最小范围内。

今后

富士通研究所将面向小基站（小小区）的基站设备商业化，进行设备的研究开发及验证实验，目标于2020年左右在富士通实现产品化。

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

 注2子阵列间编码技术：

在波束赋形技术中，通过控制数字电路和模拟电路，减少电路数量并抑制功耗的混合方式存在以下问题：向多个终端发送的无线电波会相互干扰，导致通信速度降低。为此，富士通研究所开发了一项技术，通过减少干扰和抑制通信速度下降程度，实现低功耗。（2017年3月31日研究所技术介绍）