钟科，郑毅，刘建军，王启星，刘光毅，杨光

（中国移动通信研究院，北京 100053）

5G高频段技术研发与试验

钟科，郑毅，刘建军，王启星，刘光毅，杨光

（中国移动通信研究院，北京 100053）

首先对5G高频通信的背景进行了简单回顾和梳理，其次针对5G高频段关键技术难点进行了深入的研究，最后对5G高频段目前的试验现状及测试结果进行了详细的分析。

高频段通信 数模混合波束赋形 波束跟踪 相位噪声 高频段试验

1 引言

从模拟通信一直到2G/3G/4G，通信频率都聚焦在3 GHz以内的低频率[1]，因为低频率的覆盖和穿透性能好。但低频段的可用频谱资源非常有限，从2G到4G，业界不断通过技术创新来提高低频段的频谱效率。到了5G时代，由于对峰值速率和小区容量的极致追求，仅仅通过提高频谱效率已经无法满足5G的需求[2]。因此，5G网络建设的关键思路就是高低频协调发展，即在低频的基础上，额外使用更高的频段和更大的带宽来满足下一代宽带移动通信的要求。5G的低频系统通常是指部署在6 GHz以下的系统，在中国目前确定为3.5 GHz或4.8 GHz左右。而5G的高频系统通常是指部署在6 GHz以上的系统，目前国内可能的高频频谱范围重点关注的是24.25 GHz—27.5 GHz和37 GHz—42.5 GHz的毫米波频段[3]。

为了满足5G的关键性能指标（峰值速率，体验速率，低时延等八项关键能力），需要使用更大范围的频谱资源，协调使用低频和高频频谱。5G可以使用比4G更加广泛的频谱资源，包括6 GHz以下的低频以及6 GHz—100 GHz的高频都是可以被考虑的频谱。此外，根据业务需求进行推算，考虑到现有分配频谱，5G还需要1 GHz以上的新增频谱来满足未来业务发展的需求。因此，在低频段和高频段都需要开发新的频谱资源。

基于5G的关键性能指标，可以大致估算出5G的频谱需求。以5G的eMBB（增强移动宽带）场景为例，在6 GHz以下低频段约需要1 GHz的频谱，而在高频的室外热点微站和室内热点需要大约14 GHz—20 GHz的总带宽。可以看出，5G对频谱资源，尤其是高频资源的需求是非常巨大的。从这个意义上来说，5G的发展在很大程度上依赖于可用的频谱资源。因此，高频段通信将成为5G发展的关键点及决胜点。

然而，将高频段应用到5G移动通信系统尚存在诸多挑战，如高频段无线信号具有较高的传输损耗，易受建筑、人、植物，甚至是雨滴等障碍物的遮挡，以及高的相位噪声，高频信道模型尚未确定，高频器件不成熟等诸多难题尚未解决。此外，针对高频段未知关键技术，方案和场景的试验验证对于高频段能否成功商用起到了决定性的作用。

2 5G高频段技术的研发

2.1 基于波束的高频段传输方式

由于高频载波波长较小，因此天线尺寸也较小。目前，在高频通信中通常采用高增益、窄波束天线技术。通过高增益阵列天线以基于波束的传播方式来克服高频通信覆盖差这一弱点[4]，如图1所示：

图1 高频段基于波束赋形的传播方式

同时，更大规模阵列天线使得高频网络覆盖波束会非常窄，与低频网络相比，高频需要能够更好地对准用户，这就涉及到波束的选取与跟踪的问题。当用户受到遮挡，则需要考虑波束的切换与恢复的问题。下文对高频通信中特有的数模混合波束赋形和波束跟踪进行研究。

（1）数模混合波束赋形

传统的MIMO系统，通常仅使用射频端全模拟的波束赋形方式或仅在基带使用全数字的波束赋形方式。利用大规模MIMO（天线数为上百个甚至数百上千个）可以同时获得空间复用增益和天线阵列增益。如果使用传统MIMO系统波束赋形的天线阵列架构，即每个天线阵子都需要连接一个射频链路，那么对于大规模MIMO系统来说，整个电路的硬件规模、功耗以及成本将随着天线阵子数的增加而急剧增加，而这对于高频毫米波的大规模MIMO系统来说是不可接受的。为了解决这个问题，对一种射频链路比天线阵子数少的混合波束赋形架构进行研究。

大规模MIMO的大天线阵列所带来的高波束增益可以有效补偿高频段毫米波的大路损，提高链路预算[5]。如果仅需传输1个流/单用户，仅由全模拟波束赋形技术就可以实现，其实现仅需通过控制与天线阵子相连的移相器来调整波束的方向。然而，除了所支持流数/用户数的限制外，全模拟波束赋形在幅度的调整上也受到限制。因此，当在高频段需要进行多流/多用户传输以及灵活进行幅度的控制时，就需要利用到上述混合波束赋形的架构，其在射频端进行模拟波束赋形，同时在数字域进行数字波束赋形，而数字链路的数量比天线阵子和射频链路的数量少很多，同时射频链路也比天线阵子数少很多。这样就可以在带来空间复用增益的同时，保持合理的功耗和成本。

混合波束赋形通常包含由移相器组成的射频预编码部分和数字基带预编码部分，根据射频链路与天线阵子的连接方式，通常有两种混合波束赋形结构，即全连接方式和部分连接方式。全连接方式即每一射频链路都与所有的天线阵子相连接，而部分连接方式指的是每一射频链路仅与部分天线阵子相连接。全连接方式虽然控制灵活，但其复杂度非常高，不易实现。因此，目前高频样机通常采用部分连接的结构，在复杂度和性能上达到一个较好的折中，部分连接的混合波束赋形结构如图2所示。

（2）波束跟踪

高频由于频点高，传输信道损耗较大，需要利用波束赋形技术，将发射能量对准目标用户，来克服传播损耗，从而提高目标用户的解调信噪比，提高用户传输速率以及小区的覆盖范围。利用上述数模混合波束赋形的架构往往形成较窄的波束，在用户入网或发生小区间切换时需要选择波束。当用户发生移动或旋转时，需要调整波束，达到继续跟踪用户的目的。此外，当用户所处客观环境发生变化时，如发生阻挡时，需要挑选更加合适的波束供用户使用。因此，波束跟踪功能是高频通信的重要特性，如图3所示：

图2 高频段混合波束赋形架构示意图

图3 高频段波束跟踪示意图

对两种波束跟踪的控制方法进行研究：第一种方法是对于小区中每个目标用户采用非预设码本的波束进行跟踪（non-codebook based）；第二种方法是从预设码本的波束集合中为每个用户选取合适波束（codebook based）。

第一种方法为每个用户提供实时的波束赋形，需要实时测量用户信道变化情况，利用高频信道矢量进行波束赋形。通常这种方案都是利用TDD的信道互易性，获取信道特征。基站根据上行信道，经过复杂的数字信号处理，得到下行的权值。

第二种方法可以在预先定义的窄波束集合中，选择发射能量强的窄波束作为赋形波束。在高频通信中，通常需要为这种波束扫描过程定义特定参考信号，即波束跟踪参考信号，终端侧通过测量波束跟踪参考信号能量从而进行波束跟踪过程。波束跟踪导频设计，需要权衡波束跟踪速度以及导频开销。

第二种波束跟踪方法除了需要进行测量外，还需要根据波束测量结果进行决策，必要时进行波束切换。而这种波束跟踪过程按照波束是否在同一小区可分为小区内的波束跟踪以及小区间的波束跟踪。对于小区内的波束跟踪，因为希望波束跟踪过程要快，所以考虑在协议栈较低层来实现——在物理层进行测量，在媒体接入层进行决策以及切换。对于小区间波束跟踪，则需要高层介入、进行决策以及执行小区间波束跟踪。

对于波束跟踪过程，也可以采用多级跟踪方法，如首先进行较大范围较宽波束跟踪，然后在较宽波束基础上，进行位于较宽波束内较窄波束跟踪过程，从而提高跟踪速度。此外，对于波束跟踪过程，不同信道有可能采用不同波束，分别进行波束跟踪过程。

2.2 高频段相位噪声

（1）相位噪声的产生与影响

频率源内部的随机性白噪声、闪烁噪声等造成的频率源输出值的随机波动称为相位噪声[6]。在现实环境中，相位噪声在频率源的输出过程中不可避免，而高频段的相位噪声问题非常突出。与小于6 GHz的低频段通信系统相比，6 GHz—100 GHz高频段通信系统由于参考时钟源的倍频次数大幅增加以及器件工艺水平和功耗等原因，使得相位噪声也相应大幅增加。相位噪声会恶化收端SNR或EVM，造成大量误码，从而直接限制高阶星座调制的使用，严重影响系统容量[7]。相位噪声对单载波系统的影响如图4所示，相位噪声对OFDM的影响如图5所示。

图4 相位噪声对单载波系统的影响

图5 相位噪声对OFDM的影响

对相位噪声的产生及其影响进行分析研究。通常，有用信号与本振信号在时域相乘，进行上下变频，上下变频示意图如图6所示：

图6 上下变频示意图

上述时域相乘的过程对应频域相卷积，基带信号与理想本振信号频域卷积的示意图如图7所示。

图7 基带信号与理想本振信号频域卷积示意图

实际的本振信号相位受噪声的影响，其频谱会具有一定的带宽，基带信号与实际本振信号频域卷积示意图如图8所示。

图8 基带信号与实际本振信号频域卷积示意图

本振信号的产生如图9所示，主要是由参考时钟源倍频得到[8]。倍频电路通常由锁相环实现，其作用是把参考时钟源的频率变换成所需本振信号的频率。当锁相环处于锁定状态时，所需本振信号的频率约等于参考时钟源的频率乘以倍频次数N。

图9 本振信号的产生

除了器件工艺水平和功耗等影响因素外，所需本振信号的相位噪声也与参考时钟源的相位噪声近似地以N为倍数成正比。因此，相位噪声对于高频段通信的影响也比低频段通信大很多，因为高低频段的倍频次数相差非常大。例如，如果所需的本振信号频率为30 GHz，则其相位噪声比3 GHz的相位噪声近似大10倍，如图10所示。

（2）相位噪声主要应对方式

提出4种高频段相位噪声的可能应对方法：

图10 3 GHz和30 GHz频段相位噪声对比

1）引入相位噪声补偿参考信号及估计补偿算法

该方法即在高频段发送端专门引入相位跟踪参考信号（Phase-Tracking Reference Signal，PTRS)，然后在接收端使用PTRS来估计和补偿相位噪声。从2016年5G标准化开始便提出高频段需要引入专门的PTRS，在此领域已提交大量的标准化文稿，并且也申请了相关专利。目前3GPP关于PTRS的设计主要包括时频域密度及图案配置，上下行不同波形（即OFDM和DFT-s-OFDM）分开设计，多端口的复用，与其它RS的共存和准同位（Quasi Co-Location，QCL）等。

2）增大载波间隔：降低由相噪引起的ICI或ISI

该方法也是高频段系统设计中用来对抗相位噪声和高多普勒频偏的方式之一。相位噪声会造成ICI和ISI，当增大了载波间隔，会降低ICI和ISI，减少相噪的影响。目前高频段可能的载波间隔为60 kHz、120 kHz、240 kHz，比目前LTE的15 kHz载波间隔大很多。

3）限制调制阶数：调制阶数越高，相噪对其影响越严重

该方法和方法2一样，也是一种被动地对抗相位噪声的方式。因为调制阶数越高，对相位的偏差越敏感，同时由于高频段有很大的可用带宽，因此高频段频谱效率并不是首先需要保证的指标。因此合理地控制高频段的调制阶数，可以有效地降低收发端的处理复杂度和对器件的指标要求，而大带宽可以有效地保证高频段所需的高吞吐量。

4）提升本振器件质量，降低相噪

该方法是通过提高成本，提升工艺和增加功耗体积为代价，来降低相位噪声的大小。例如，目前高频段不同的制造工艺如CMOS、GaAs、SiGe和GaN的成本和功耗不同，所产生的相噪大小也不相同。考虑到成本的限制，可以在用户端采用成本较低的基于CMOS的设计，而在基站端可以采用成本较高的基于GaAs或GaN的设计来降低相噪水平。

2.3 高频段系统设计

其它高频段设计的关键问题包括所采用的波形、帧结构、参数集（numerology）、大带宽以及高低频融合组网/双连接等。

为了保证系统设计的一致性，对于6 GHz—40 GHz的载波频率，与小于6 GHz载波频率一样可以统一使用OFDM的波形设计。而对于大于40 GHz的载波频率，相位噪声和多普勒频移等问题非常突出，考虑到单载波波形比多载波波形对相位噪声的影响要小，可以使用单载波波形的设计来减小相位噪声和多普勒频移的影响。

高频段帧结构和参数集的设计主要与子载波间隔和高频的直射传播相关，即高频段大子载波间隔（60 kHz、120 kHz及240 kHz）将使得符号长度和帧长度变短，而高频的波束赋形传播方式加上直射的传播路径使得高频段的时延扩展比低频段小，可能会使得CP的长度等设计发生变化。

高频段有大量可用的连续带宽，单个载波的最大带宽在3GPP中目前被规定为400 MHz，通过载波聚合等技术可达到GHz的带宽。相比于4G中单个载波的最大带宽为20 MHz，高频段可能需要进行关于大带宽的系统设计。

高频段系统设计的主要问题是考虑高低频融合组网/双连接的问题。通常来说，低频频率用于保证覆盖的连续性以及支持高速移动下的通信，而高频频率用于提供热点地区极致的用户速率和容量。在高频信号受到遮挡的情况下在4G和5G连接信号之间进行智能切换，减少移动终端用户因毫米波信号质量不佳而造成的用户体验下降。因此在5G建网初期，不可避免地会涉及到4G低频和5G高频之间，以及5G低频和5G高频之间的高低频融合组网/双连接问题。这样可以使得4G到5G之间可以平滑过渡，又不造成已有4G资源浪费以及避免5G初期独立组网所带来的覆盖问题。

2.4 高频段其它关键问题

高频技术应用首先面临的问题是缺少对高频信道模型的深入研究[9]。从2014年到现在学术界以及产业界都在组织力量进行高频信道模型的探索工作。从2014年开始，中国移动通信研究院基于自有和与仪表厂商合作开发的专用信道测量设备对高频信道模型进行研究并进行了大量的测试验证工作，成为第一波拥有实际测试数据和文稿输出的公司。测试结果和国内外的公司和高校进行交流和融合，成果也以联合文稿的形式的推入3GPP和ITU，对推动高频信道模型的形成做出了贡献。提出的典型城市微小区和室内多个频点（3.5 GHz—28 GHz）的数据已被包括在3GPP和ITU的标准中。

3GPP于2015年启动高频信道模型的研究工作，基于城市宏蜂窝（包含室外覆盖室内）、微蜂窝（包含室外覆盖室内）、室内办公室这三种典型部署场景，建立了高频信号的传播模型以及快衰落模型，形成了TR38.900和TR38.901两个模型规范。讨论中，3GPP还对已有的3D MIMO信道模型TR36.873进行了扩展，引入了室内和郊区模型。高频信道模型除了基本的大尺度衰落模型以及快衰模型，还考虑了高频传播特有的超大带宽特性、遮挡特性、空间一致性、多频点的相关性。其中，遮挡特性是为了模拟由于移动物体的遮挡导致空间信号传播的变化；而空间一致性是为了服务于高频波束搜索和波束跟踪技术的性能评估。值得一提的是，3GPP的信道模型中还对室外覆盖室内的穿透损耗进行了建模，该模型包含了建筑中通常采用的保温玻璃（镀膜）的穿透特性。在该模型下，30 GHz室外覆盖室内将面临约37 dB的损耗。这也将导致高频室外覆盖室内将面临巨大的挑战，进而影响到5G的部署策略以及站型的规划。high loss和low loss穿透损损耗模型如图11所示。

图11 高损耗和低损耗穿透损耗模型

高频的频谱分配一直都是产业关心的内容。国际上备受推崇的28 GHz在WRC-15大会上并没有被列入5G候选频谱，而国内近期也发布了基于WRC-15大会结论的高频候选频谱24.75 GHz—27.5 GHz、37 GHz—42.5 GHz的意见征集。很多射频器件与具体的频点是强相关的，比如功放、滤波器、升/降频模块的设计等。具体的候选频谱没有确定，器件厂家就很难投入研发与生产，也将导致整机产品的滞后。

高频产品的器件一直被认为是高频应用的一大挑战[10]。高频功率放大器的输出功率、功率效率将影响实际产品的输出功率、覆盖范围以及耗电。如果需要采用小功率的功放，则可能需要在基站的每个天线阵子背后采用一个功放，这将影响产品射频部分的设计。ADC和DAC采样速率在很大程度上取决于系统带宽，高速的转化器价格昂贵，减少转换器的数目将影响数字通道的个数，从而要求基站采用非全数字的赋形方式，即基于模拟的波束赋形。而模拟波束赋形的性能在很大程度上也将依赖于高速移相器的指标。上述这些不同，都将使得5G基站和终端产品与4G低频的产品有显著的不同。

3 5G高频段技术试验

原型样机的开发和测试对于方案验证、产品实现能力、未来部署方式都有很好的验证和借鉴意义，特别是对于5G高频这种在技术方案以及硬件实现上都存在较大可拓展空间的情况。截止到目前为止包含国内外的多家公司皆提供了不同频点的样机进行室内和室外的测试。针对高频部署主要关心的问题包括：高频的覆盖能力、遮挡损耗、波束搜索和跟踪能力、多用户和多流的传输能力等。这里以两个频点室内和室外测试场景为例，说明高频外场试验的进展。

室内场景采用28 GHz样机进行室内传输速率以及覆盖性能的测试。28 GHz样机采用相控阵天线，波束赋形主要基于相控阵的模拟波束赋型的方案。终端侧采用较少阵子数的天线阵列。数据传输时，需要基站和终端的波束进行对准。

28 GHz样机在室内直射的覆盖情况下，可以获得3.66 Gb/s的传输速率。在室内非直射的情况下，基站可以利用墙面或者玻璃的反射，依然可以获取20 dB～30 dB的SNR，并获取较高的传输速率。本次测试的样机以单用户MIMO为主，后续的样机将引入多用户MIMO传输。

为了能够获取最好的波束，样机支持波束扫描和切换功能，能够保证波束切换前后保持RSRP变化在3 dB以内，并进一步保证用户速率不会因为位置变化而降低。室内受场景的限制，最大拉远距离为35 m，此时速率可以维持在1 Gb/s左右。非直射情况下，室内依然可以覆盖到最远的35 m。通过样机的测试还获取了室内不同材料的穿透损耗，例如，植被、人体的遮挡损耗等，具体如表1和表2所示。穿透损耗的测试为后续网络规划以及对抗信道的非理想性提供了有效的数据参考。

表1 28 GHz不同材质的穿透损耗

表2 28 GHz植被和人体的遮挡损耗

室外场景以15 GHz样机为例，该样机基站侧采用4 panel发送，共512个阵子，终端采用4个方向的全向天线，基站最高支持256QAM的传输方式，并且最多可以支持8流传输。室外好点可以支持11.4 Gb/s的传输速率，并在部分时间达到4流的传输方式。

在室外直射和非直射的场景下，该样机可以最远覆盖350 m左右。在直射的情况下，依然可以维持用户约190 Mb/s的传输速率，但是在该位置非直射的情况下，用户速率较低。为保证用户业务的连续传输，基站会根据用户的位置更新下行波束。

该样机的外场测试验证了高频（15 GHz）室外的覆盖能力。同时，利用基站和终端的天线极化和隔离度，可以在空间中依然采用4流的传输方式，这为后续高频能否使用多流传输提供了参考。同时，在测试中也验证了利用2个波束分别覆盖不同用户的多用户MIMO的传输方案。而通过波束的切换，能够保证用户在室外移动的情况下也能够始终保持与基站的连接。而样机中对于高阶调制的使用，进一步验证了高频段的相位噪声，频偏等基本上都可以通过良好的器件指标以及相应参考符号的引入进行克服。

基于样机的外场测试，可以获得不同建筑物的穿透损耗、人体等其他物体在高频的遮挡损耗，这都将为高频的覆盖以及对抗非理想特性提供参考。通过样机室内室外的测试，可以了解基于当前功率假设下，单小区的覆盖范围。而多流传输的测试，更是为后续高频能否使用高rank传输提供了验证。

4 结束语

文章首先对高频段通信的背景做了简要介绍，阐明了5G中高频段通信的重要性。其次，对5G高频段技术中的波束赋形和相位噪声问题进行了重点研究分析，包括高频段主要使用的数模混合波束赋形和波束跟踪，以及相位噪声的产生和应对方式。随后，对高频系统中的其它重要问题，比如所采用的波形、帧结构、参数集、大带宽以及高低频融合组网/双连接等进行了简要分析研究。再者，对高频信道模型、频谱分配以及器件现状做了分析介绍。最后，在高频样机的室内外测试中，充分验证了高频在室内外的覆盖能力，高频非视线传输方式，多流的传输能力，波束搜索和跟踪能力，这些技术验证解答了高频实际部署的可行性，并且为后续的技术研究提供了更多的参考。

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Technology Research and Trial for 5G High-Frequency Systems

ZHONG Ke, ZHENG Yi, LIU Jianjun, WANG Qixing, LIU Guangyi, YANG Guang
(China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China)

First, the background of 5G high-frequency communications were reviewed and addressed. Then, key technical difficulties of 5G high frequency were investigated. Finally, the trial status and test results of 5G high frequency at present were analyzed in depth.

high-frequency communications digital-analog hybrid beamforming beam tracking phase noise high-frequency trial

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.18.008

TN929.5

A

1006-1010(2017)18-0040-08

钟科,郑毅,刘建军,等. 5G高频段技术研发与试验[J]. 移动通信, 2017,41(18): 40-47.

2017-06-22

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

钟科：工程师，博士毕业于电子科技大学，现任职于中国移动通信研究院，工作内容为移动通信系统的物理层设计、标准化研究以及样机开发和试验，研究方向为信号处理、通信系统设计和机器学习。

郑毅：工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任职于中国移动通信研究院，主要从事物理层相关的研究工作，研究方向为5G高频技术、高频信道模型、MIMO等。

刘建军：高级工程师，博士毕业于中科院研究生院，现任职于中国移动通信研究院，主要从事移动通信无线物理层研究工作，研究方向为LTE演进技术与标准、5G新技术研究与产业推进等。