为5G而生：支持快速可靠通信的微型收发器！

导读

日本东京工业大学设计出了一个 28 GHz的微型收发器，它结合了波束成形技术与双极化多入多出技术。它将有助于改善5G和物联网设备的性能。

背景

如今，人类正处于一个信息大爆炸的年代。无线通信系统面临的数据量正在激增。随着物联网、车联网、工业4.0的不断发展，越来越多的手机、设备、汽车、机器都加入到无线通信网络中，使目前的移动通信系统面临严峻挑战。

因此，世界各国的科研院所、无线运营商和网络设备供应商等正在联合打造5G（第五代移动通信网络），它将为用户带来更高的带宽速率、更低更可靠的时延和更大容量的网络连接。

（图片来源：维基百科）

理论上讲，5G的网络速度将是4G的百倍甚至更多，峰值甚至可达到10Gb/s以上。5G将为人类带来更多的便利和乐趣，并将造福于许多新兴技术领域，例如：智能硬件、车联网、物联网、机器人、虚拟现实等。

日本，现在正在加紧努力，希望能在2020年东京奥运会与残奥会之前准备好5G。5G 服务将带来更高数据吞吐量的应用例如高清（HD）的现场视频直播，并将服务于那些夜以继日分享数据的数以万亿计的新型物联网设备，还将改善整个通信网络的速度和响应性。

创新

日本东京工业大学设计出了一个 28 GHz的收发器（transceiver），它结合了波束成形（beamforming）技术与双极化多入多出（MIMO）技术。这种微型收发器的尺寸测量值仅为3毫米乘以4毫米，它将有助于改善5G和物联网（IoT）设备的性能。

芯片以标准的65纳米CMOS工艺制备，占据的总面积仅为12平方毫米。（图片来源：日本东京工业大学）

技术

东京工业大学电气与电子工程系 Kenichi Okada 领导的科研团队设计过一个方案，该方案仔细研究了如何采用毫米波频谱支持5G的高速移动数据访问。

他们提出的 28 GHz 收发器结合了波束成形技术与双极化多入多出技术。这两项技术是这一创新的关键技术。

波束成形技术是一种基于天线阵列的信号预处理技术，它通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而获得明显的阵列增益。因此，波束成形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及干扰抑制方面都有很大的优势。

多入多出技术，是指发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量。双极化多入多出技术意味着它的天线阵列能同时响应水平和垂直的无线电波。

为5G而设计的新型收发器图像。收发器总共由水平(H1–4)和垂直(V1–4) 的阵列方向组成。（图片来源：东京工业大学）

价值

初步测试表明，采用64-QAM 调制方式，最大的数据速率可达15 Gb/s。这种数据速率比之前可用来比较的模型所实现的数据速率要高25%。

Okada 和他的研究小组持续采用极少的元件开发顶级的收发器，在仅为3毫米乘以4毫米的面积中实现了这一设计。芯片越小，对5G来说就越好，因为便携式传感器与设备中需要采用高性能、面积效率高的收发器。

Okada 解释道：“与传统的基于开关的双向方案相比，我们的双向放大器在收发器和接收器之间完全分享了级间匹配网络。于是，所需的片上面积被进一步缩小。”

(a) 传统的收发器结构 (b) 新开发的双向收发器结构，它要紧凑得多（图片来源：东京工业大学）

关键字

5G、通信、天线

参考资料

【1】https://www.titech.ac.jp/english/news/2019/043432.html

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