背景

如今，人類正處於一個信息大爆炸的年代。無線通信系統面臨的數據量正在激增。隨着物聯網、車聯網、工業4.0的不斷髮展，越來越多的手機、設備、汽車、機器都加入到無線通信網絡中，使目前的移動通信系統面臨嚴峻挑戰。

因此，世界各國的科研院所、無線運營商和網絡設備供應商等正在聯合打造5G（第五代移動通信網絡），它將爲用戶帶來更高的帶寬速率、更低更可靠的時延和更大容量的網絡連接。

（圖片來源：維基百科）

理論上講，5G的網絡速度將是4G的百倍甚至更多，峯值甚至可達到10Gb/s以上。5G將爲人類帶來更多的便利和樂趣，並將造福於許多新興技術領域，例如：智能硬件、車聯網、物聯網、機器人、虛擬現實等。

日本，現在正在加緊努力，希望能在2020年東京奧運會與殘奧會之前準備好5G。5G 服務將帶來更高數據吞吐量的應用例如高清（HD）的現場視頻直播，並將服務於那些夜以繼日分享數據的數以萬億計的新型物聯網設備，還將改善整個通信網絡的速度和響應性。

創新

日本東京工業大學設計出了一個 28 GHz的收發器（transceiver），它結合了波束成形（beamforming）技術與雙極化多入多出（MIMO）技術。這種微型收發器的尺寸測量值僅爲3毫米乘以4毫米，它將有助於改善5G和物聯網（IoT）設備的性能。

芯片以標準的65納米CMOS工藝製備，佔據的總面積僅爲12平方毫米。（圖片來源：東京工業大學）

技術

東京工業大學電氣與電子工程系 Kenichi Okada 領導的科研團隊設計過一個方案，該方案仔細研究瞭如何採用毫米波頻譜支持5G的高速移動數據訪問。

他們提出的 28 GHz 收發器結合了波束成形技術與雙極化多入多出技術。這兩項技術是這一創新的關鍵技術。

波束成形技術是一種基於天線陣列的信號預處理技術，它通過調整天線陣列中每個陣元的加權係數產生具有指向性的波束，從而獲得明顯的陣列增益。因此，波束成形技術在擴大覆蓋範圍、改善邊緣吞吐量以及幹擾抑制方面都有很大的優勢。

多入多出技術，是指發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現多發多收，在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下，可以成倍的提高系統信道容量。雙極化多入多出技術意味着它的天線陣列能同時響應水平和垂直的無線電波。

下圖所示：爲5G而設計的新型收發器圖像。收發器總共由水平(H1–4)和垂直(V1–4) 的陣列方向組成。

（圖片來源：東京工業大學）

價值

初步測試表明，採用64-QAM 調製方式，最大的數據速率可達15 Gb/s。這種數據速率比之前可用來比較的模型所實現的數據速率要高25%。

Okada 和他的研究小組持續採用極少的元件開發頂級的收發器，在僅爲3毫米乘以4毫米的面積中實現了這一設計。芯片越小，對5G來說就越好，因爲便攜式傳感器與設備中需要採用高性能、面積效率高的收發器。

Okada 解釋道：“與傳統的基於開關的雙向方案相比，我們的雙向放大器在收發器和接收器之間完全分享了級間匹配網絡。於是，所需的片上面積被進一步縮小。”

(a) 傳統的收發器結構 (b) 新開發的雙向收發器結構，它要緊湊得多（圖片來源：東京工業大學）

關鍵字

5G、通信、天線

參考資料

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