5G要實(shí)現(xiàn)20Gbps的峰值速率，主要利用了更大的帶寬和更多的數(shù)據(jù)流。高頻段容易獲得超過100MHz的連續(xù)帶寬，并且高頻段的天線陣子長(zhǎng)度短（波長(zhǎng)的一半），有利于在合理尺寸的天線上實(shí)現(xiàn)多流空分復(fù)用（SDMA）傳輸，而波束賦形正是該復(fù)用方式的最重要的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。在4G階段，我們使用的智能天線都是采用數(shù)字波束賦形技術(shù)，該技術(shù)能夠獲得較大的天線增益，并且可以支持多流、多用戶的不同傳輸模式（TM）。數(shù)字波束賦形的幅度和相位權(quán)值作用于基帶（中頻）信號(hào)，即發(fā)射端工作于進(jìn)入DAC之前，接受端工作于ADC之后。因此，要求天線陣列數(shù)與射頻（RF）鏈一一對(duì)應(yīng)，即每條RF鏈路都需要一套獨(dú)立的DAC/ADC、混頻器、濾波器和功放器。當(dāng)5G大規(guī)模陣列天線需要128個(gè)、甚至256個(gè)陣列之后，就存在嚴(yán)重的問題——RF鏈越多需要的尺寸越大、功耗也越大，因此無法滿足實(shí)際建網(wǎng)的需要。

數(shù)字波束賦形

模擬波束賦形

模擬波束賦形技術(shù)將幅度和相位權(quán)值作用于模擬信號(hào)，在發(fā)射端，數(shù)字信號(hào)（RF鏈）經(jīng)過DAC之后先由功分器分解為多路模擬信號(hào)之后再賦形；在接收端，多個(gè)天線陣子的模擬信號(hào)先合并（合路器）之后再進(jìn)入ADC。由于多路模擬信號(hào)共用一套DAC/ADC、功分器和混頻器，整個(gè)系統(tǒng)的功耗就顯著下降。同時(shí)，功放器和濾波器可以細(xì)化到每一個(gè)陣列，可以采用小功率，但線性度更好的器件來代替。

盡管模擬波束賦形有這么多的優(yōu)勢(shì)，但在5G建網(wǎng)初期仍有可能還是以數(shù)字波束賦形技術(shù)為主。在已有的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，天線是無源器件，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，定位為基站設(shè)備的配套器件。但在5G網(wǎng)絡(luò)中，天線將成為有源器件，內(nèi)置有功分器、合路器、移相器、功放器和濾波器等一系列器件，天線的技術(shù)含量將明顯提升。天線不再只是簡(jiǎn)單的配套器件，而是實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵器件之一。

降低功耗和支持具有許多尺寸小的元件的天線陣列的能力被認(rèn)為是5G商業(yè)化的關(guān)鍵，目前存在的主要技術(shù)難點(diǎn)有：

一、高頻有源器件

高頻、大帶寬的天線主要在衛(wèi)星、軍用雷達(dá)中使用，國(guó)內(nèi)在這方面相對(duì)能力較差。美國(guó)擁有高頻寬帶濾波器技術(shù)、高頻模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器技術(shù)全球領(lǐng)先的公司，如LINEAR、Analog、TI、Xilinx等，這些高頻器件一般為IC芯片，也是美國(guó)限制對(duì)華高技術(shù)出口的產(chǎn)品之一。

二、相位噪聲抑制

移相器的處理精度決定了各模擬波束的一致性，對(duì)于天線器件的性能有決定性的作用。相位噪聲就是由于移相器的相位、幅度誤差和相位變化引入的。鎖相環(huán)（PLL）產(chǎn)生的是寬帶、穩(wěn)定的相位噪聲，對(duì)系統(tǒng)性能影響較大。晶體振蕩器（TCXO）產(chǎn)生的是窄帶、非穩(wěn)定的相位噪聲，可以通過信道估計(jì)給予消除（通過相位噪聲跟蹤參考信號(hào)（PTRS））。相位噪聲對(duì)于毫米波影響尤為顯著，會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的頻譜效率。

三、分布式功放

不同于數(shù)字波束賦形技術(shù)往往采用單一的高功率放大器，其技術(shù)門檻高，能耗大。模擬波束賦形技術(shù)可以分布式功放器相結(jié)合，以多個(gè)低功率放大器代替一個(gè)高功率放大器，即有有利于降低成本，也能夠提供系統(tǒng)的健壯性。德國(guó)的一家研究所開發(fā)出了一種以氮化鎵(GaN)技術(shù)制造的高功率放大器電晶體。

綜上，5G的天線將與RRU深度集成，并且成為整個(gè)系統(tǒng)中比較有技術(shù)含量的關(guān)鍵器件之一。不管采用哪種波束賦形技術(shù)，天線都將與RRU實(shí)現(xiàn)一體化——采用數(shù)字波束賦形技術(shù)端口數(shù)量太大需要集成，采用模擬波束賦形技術(shù)RRU的部分射頻處理需要下沉到天線而集成。