《5G NR物理层技术详解：原理、模型和组件 》 —2.9.2　硬件相关的挑战

2.9.2　硬件相关的挑战

考虑到日益增长的高数据速率需求转移到NR，频谱效率以及更多带宽的需求正在迅速增加。用于解决这一增长需求的技术组件包括先进的多天线技术，如大规模多用户（Multi User，MU）MIMO或毫米波波段采用的模拟波束赋形。无论是部署的收发机数量的增长，还是工作频率以及带宽的增加，都为高效的无线实现带来新的挑战。

射频功率放大器（Power Amplifier，PA）作为无线收发机前端的重要构建模块之一，一直是主要的耗电模块。工作在密集和高度集成的天线阵列中，除非有足够的隔离，否则PA性能可能受到相互耦合的影响。这引入了由负载调制造成的另一个失真源，因为对放大器的有源阻抗随时间而变化。使用指向性传输的天线系统的另一个关键问题是如何评估失真行为的空间分布。在传统方法中，失真遵循与有用信号相同的方式，但是使用了MU-MIMO预编码或波束赋形技术，通常情况并非如此。

射频振荡器是模拟前端的另一个非理想源，尤其是工作于毫米波波段时，更成为一个限制因素。射频振荡器在非常高的频率下更难保持稳定的振荡，因为随着损耗的增加谐振回路的品质因数会降低，并且由于受限于晶体管技术的基本限制而无法产生功率。因此，随着相位噪声增加，相干传输可能变得越来越困难。因此，需要对相位噪声进行精确建模，以评估其影响并提供基本的应对策略，比如跟踪等。可以采用锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）技术来降低窄带1/f部分的相位噪声，这部分噪声可能对基于OFDM的传输带来更显著的负面影响，但这是以增加白噪声水平为代价的。

由于先进的信号处理硬件和算法可以补偿一些更突出的损伤问题，因此数字转换器，如模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）和数模转换器（Digital-to-Analog Converter，DAC）是连接模拟域和数字域的关键组件。不幸的是，因为数据转换器是混合信号器件，通常需要线性晶体管技术，因此并不遵循摩尔定律，不具有相同的比例效应。在这种情况下，缩小几何尺寸以增加可用的处理速度未必是一个好的选择，因为这样使得晶体管更像开关一样工作。如文献所示，大规模MU-MIMO可能会降低有效分辨率。然而，这将造成越来越多的量化噪声，如果不加以抑制，可能会在很大程度上破坏信号。为了评估粗略量化的影响，基于确定性行为模型或随机过程的不同建模技术可能对我们有所帮助。

总的来说，对改进的数学工具的需求比以往任何时候都大，希望能够借助这些工具来评估无线器件随时间/频率和空间变化的非理想行为。具体来说，这是因为这些模型可作为高级补偿技术（如数字预失真（Digital Pre-Distortion，DPD）或相位噪声跟踪）的基础。当前该领域的发展使得能进一步分析和理解射频非理想性在大型天线阵列中的表现。由于对通带或基带数据过采样，基于此的大部分行为模型不一定可用，目前另一个刚刚开始的相关建模领域是无线损伤的随机模型，旨在帮助链路级或系统级性能分析。这个建模框架将在第4章进一步讨论。