提高5G终端抗自干扰能力的方法研究

张乐 宋志强

【摘要】    5G终端因其具有高速率，低时延，大连接等特点而广受关注，但是因为其技术复杂，工作频段组合多，解决终端干扰已经成为5G终端应用中需要有效解决的一大问题。本文首先分析了5G终端干扰的来源，并以内部自干扰作为研究重点。结果表明终端中元器件PA的非线性特性为内部干扰的主要因素。为了消除终端内非线性特性以改善终端内部干扰，给出了三种解决终端自干扰的方法：提升滤波器技术、使用数字预失真以及提高终端MIMO天线阵列的隔离度，三种方法的关键技术及优缺点进行了分别讨论。

【关键词】    5G终端    自干扰    非线性    滤波器技术    数字预失真    天线隔离度

引言

随着5G移动通信技术的发展，5G终端已如雨后春笋般涌现，根据中国移动发布的《5G终端白皮书》显示，5G终端市场预计在2020年将超过亿级水平[1]。5G网络部署方式目前还是以NSA架构为主，因此要求终端支持双连接技术，采用双射频链路进行双收双发来满足同时连接4G与5G网络的要求。

本质上，3GPP在R12标准版本中提出的DC技术与CA技术均属LTE多连接技术。双连接作为NSA组网下实现互操作方案的关键技术，需终端在硬件上支持双通道射频同时连接LTE与5G NR网络。因此LTE频段和5G频段在终端侧并存时造成的干扰已经成为5G终端应用亟需解决的一大问题。

一、干扰类型

5G终端所受干扰类型主要分为外部干扰和内部自干扰。外部干扰是来其自他无线通信系统的干扰，如Wi-Fi，蓝牙、相邻频段卫星地球站等。根据干扰源频率的不同，来自外部干扰的类型可以分为同频干扰和邻频干扰两类。外部干扰大多数是由于小区基站部署策略的原因导致的，解决这一问题往往需要配合基站端的各种抗干扰技术。因此对于5G终端，本文将讨论的重点放在对终端内部自干扰的分析。

在NSA架构下，要求终端保持双收双发，即在LTE频段和NR频段保持上行双连接。如果整个系统出现较多的频率分量，由于射频器件的非线性等因素，上行的双发会带来下行谐波和互调干扰，造成接收端灵敏度下降。终端内自干扰主要来源于射频前端器件的非线性，整个射频架构中包含的非线性器件包括无源器件和有源器件，无源器件主要有滤波器、双工器等，有源器件包括开关、PA（Power Amplifier，功率放大器）、调谐电路等。无源器件产生的谐波及互调干扰一般要弱于有源器件。而文献[2]中的研究表明有源器件中PA是主要的非线性来源。

通常情况下，描述器件的非线性特性可以用如下输入输出信号的泰勒级数展开式表示：

如果两个信号的互调产物落在了接收信号的频段内，对接收信号造成的干扰就叫做互调干扰。非线性导致的互调干扰示意图如图1所示。

二阶互调失真以及三阶互调对系统的非线性产物的贡献最大，随着互调产物的阶数增大，互调产物的影响将会变得越来越小。

二、解决5G终端自干扰的方法

通过以上分析，5G终端自干扰主要来自终端里射频器件的非线性产物，因此，解决5G终端自干扰的本质就是消除射频器件的非线性问题。目前比较有效的解决方法主要有提高滤波器技术、采用数字预失真技术以及提高阵列天线隔离度等。

2.1滤波器技术的提升

滤波器技术作为一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分，这种选频特性在消除干扰噪声方面有着举足轻重的地位。滤波器的主要指标包括中心频率、工作带宽、插入损耗、阻带特性等。为了更好的消除非线性产物并保持整个终端的发射性能不受影响，在特定的工作频率下，插入损耗应该尽可能的小，而阻带特性应该足够的大来满足整个终端的要求。目前应用于5G通信中的滤波器主要是声表面波滤波器和体声波滤波器以及未来5G新兴滤波器技术XBAR。

2.2数字预失真技术

PA作为终端内非线性产物的最大来源，线性化PA能够从根本上优化非线性特性。该技术是在PA前面通过硬件或者软件的手段加入预失真分量，该预失真分量与经过PA的失真分量幅值相等、相位相反，能够正好抵消，从而使输出信号为我们想要的理想线性化信号。

数字预失真的信号流图如下图2所示。数字源信号经过预处理单元和D/A模块后变成模拟信号，然后与载波信号经过上变频器后进入PA，PA的输出将通过天线发射出去;同时，PA的输出将被耦合一部分作为反馈信号，经过下变频器和A/D模块后，进入自适应处理单元与源信号进行对比，得到输出信号的失真程度，然后将此结果送入预失真处理单元进行非线性化补偿。

2.3 提高MIMO天线系统隔离度

如上分析，终端内部自干扰中的互调干扰一部来自发射天线和接收天线的耦合，而5G终端大多采用的都是天线阵列，因此提高收发天线阵列的隔离度也是解决干扰的关键技术之一。一种比较直观的方法就是增加发射天线阵列和接收天线阵列的距离，在物理空间上减小信号的辐射，从而达到提高天线阵列隔离度的目的。但是，如果在空间有限的终端上，这种方法的实现是非常具有挑战性的。目前减小天线耦合来提高MIMO天线系统隔离度的方法有主要有如下三种方法[3]：

1）改变天线的电流分布，这种方法主要通过地面挖槽以及在天线间引入去耦枝节的方式来分别改变天线接地平面和天线信号的电流分布来提高天线的隔离度。

2）使用寄生原理，在MIMO天线单元中加入寄生元件来减小天线间的耦合，这种原理类似于寄生元件的滤波原理，这种方法对提高天线之间的隔离度效果较为显著。

3）引入超材料[4]，超材料是根据有效媒介理论设计，能够拥有负折射和实现完美透镜能力从而改变电磁特性的特殊材料。

利用超材料的特殊性，设计出相应的单元结构，使其对天线的电场和磁场产生相应的谐振，从而减小MIMO天线单元间的耦合，达到提高隔离度的目的。

在5G终端实际应用中，需要综合考虑体积、成本以及实现难易程度这些条件，选择上述方法中的一种或者几种方法结合来达到提高天线的隔离度，从而减小终端来自天线耦合产生的内部自干扰。

三、總结

综上所述，在当今不断发展的5G终端应用中，解决内部自干扰问题给终端的吞吐量以及射频性能带来的影响已经显得格外重要。在本文中，通过对终端内部自干扰来源的分析，提出了解决问题的三种技术，即滤波技器术的提升、数字预失真技术的应用和提升MIMO天线的隔离度技术，并分别对比了这三种技术的优劣。在实际解决5G终端内部干扰的时候，应综合考虑体积、成本以及实现难易程度等因素来应用这些技术。相信随着更多技术的发展，5G终端内部干扰将得到完美解决，从而为全面普及5G技术起到积极的推进作用。

参  考  文  献

[1]中国移动.中国移动5G终端白皮书[R].北京：全球合作伙伴大会5G创新合作峰会，2018.12

[2]邢金强. LTE与5G NR终端互干扰研究[J].移动通信， 2018 ，42（2）

[3]韩莉.高隔离度MIMO天线的研究与实现[D].苏州大学，2014.4：11-14

[4]李杰.新型宽带MIMO天线的设计与研究[D].电子科技大学，2017.6：21-22