5G毫米波通信系统解决方案

1. 5G毫米波应用背景 

        随着移动通信市场对于超高数据传输、低延迟和大容量的需求越来越旺盛，通信行业需要开发5G无线技术的其他频段来缓解当前无线频谱的网络使用压力。所谓5G毫米波，根据3GPP 38.101协议的规定，5G NR主要使用两段频率：FR1频段和FR2频段。FR1频段的频率范围是450MHz-6GHz，又叫Sub-6GHz频段；FR2频段的频率范围是24.25GHz-52.6GHz，通常被称为毫米波。

                                                图1 5G mmWave 频段

5G毫米波（mmWave）的优点 

高速度、大容量：毫米波能够提供极高的数据传输速度，峰值速率可达30Gbps，支持大量设备同时连接，适合高清视频流直播、虚拟现实等场景。

低延迟：毫米波技术可以通过降低通信延迟，来实现更快的响应，对于需要实时传输数据的应用场景如自动驾驶、远程控制等非常友好。

高方向性：毫米波的方向性好，波束窄，有利于精准定位和传输，可以提高信号的安全性和减少干扰。

全天候特性：毫米波的传播受气候的影响要小得多，具有全天候特性。

        目前，USRP收发器可以发送和接收低于6GHz的射频信号，覆盖了Sub6G频段。面向NR FR2需求，珞光电子为USRP深度定制了毫米波扩展模块，可将中频信号经升频到毫米波频段，从而帮助用户快速组建5G毫米波移动通信系统。

2. 5G毫米波通信系统 

2.1 系统说明

        5G毫米波通信系统基于USRP-LW/SDR-LW系列的软件无线电平台、毫米波扩展模块及其OpenAirInterface（OAI）5G软件平台搭建，具有5G NSA/SA的网络环境仿真功能，可支持5G毫米波通信的相关技术探索。通过使用不同型号的软件无线电硬件和不同的基站配置参数，可以实现不同的功能。本系统可以完全模拟端到端协议栈，完全模拟基站、终端、核心网，同时满足对应的3GPP协议规范。支持与商用设备对接，支持基于协议栈的二次开发。

                                                                                 图2 NR系统结构图

图2是NR系统结构图。5G系统架构分为三个部分：用户（UE），5G基站（gNodeB），核心网（5GC）。

        OAI 5G开源软件平台和USRP硬件平台是进行软基站和软终端实时运行的基础。整个软件系统的运行环境是在Ubuntu系统上。基站gNodeB平台和终端UE平台在连接USRP的PC机上进行搭建。为实现FR2频段，需要配合毫米波扩展模块MMW-440使用。

（1）USRP设备将上位机处理的数字信号通过射频前端转换成模拟信号，经由空中接口发射出去；

（2）OAI 5G实现5G-NR协议栈功能，从物理层到网络层的功能实现，根据不同的试验可以编译相应的模块。

2.2 实物搭建图 

基站侧：由一台高性能无线电独立设备SDR-LW 2974，一台毫米波扩展模块上变频模块及一台下变频模块、两根毫米波喇叭天线组成。

                                                                              图3 SDR-LW 2974模拟基站

终端侧：由一台软件无线电设备USRP-LW B210，一台毫米波扩展模块上变频模块及一台下变频模块、一台上位机及两根毫米波喇叭天线组成。

                                                                               图4 USRP-LW B210模拟终端

2.3 推荐硬件型号 

        5G-NR的处理要求远高于4G，因此需要高性能的SDR设备或更高端的PC作为USRP上位机。通过配套的毫米波扩展模块上下变频器，可支持24GHz~44GHz连续变频，满足5G毫米波通信研究。

（1）SDR-LW系列

SDR-LW系列是珞光电子推出的高性能SDR独立设备，由板载处理器、FPGA和射频前端组成。通过Intel X86处理器与FPGA协同工作，增加了软件无线电设备的灵活性。SDR-LW系列设备主机可运行5G基站/终端软件，前端通过喇叭天线来实现基站和终端设备的信号传输。一体机的设计框架使其可以快速地搭建高性能移动无线通信系统的原型。建议SDR-LW 2974及SDR-LW 3980两种型号：

SDR-LW系列型号对比：

（2）USRP-LW系列

        USRP-LW N321是一款高性能的软件定义无线电设备，具备瞬时带宽高达200MHz RF前端，支持MIMO配置，内置高速ADC和DAC，能够实现复杂的信号处理任务，满足多样化的无线通信需求。软基站和软终端在连接USRP-LW N321的PC机上进行搭建，实现NR无线协议栈功能，USRP-LW N321则完成数模转换和完成射频端收发功能。

        USRP-LW N321的基带处理器采用Xilinx Zynq-7100 SoC，集成了大型用户可编程FPGA和双核ARM CPU，为实时、低延迟处理提供强大支持；利用SFP+和QSFP+端口，USRP-LW N321能够向主机PC或FPGA协处理器传输高吞吐量的I/Q数据流，满足高速数据处理需求。支持远程执行任务，如更新软件、重启、恢复出厂设置等，从而简化了无线电网络的控制和管理。

USRP-LW N321主要指标如下：

2.4 典型应用场景 

部署专属网络；用于教学科研，研究基站、终端运行结构和协议等；开发测试产品; 基于协议栈的算法验证和二次开发。

3. 毫米波扩展模块 

3.1 模块概述 

        毫米波扩展模块（24-44GHz）MMW-44包含一个双通道的上变频模块和一个双通道的下变频模块，可以将两路中频信号搬移到毫米波频段，或者将两路毫米波频段信号搬移到中频频段。内置高性能本振源，参考信号选用OCXO晶振，也可外接10MHz参考输入，同时支持10MHz参考输出。

                                                           图5 毫米波扩展模块（24-44GHz）MMW-44

        本模块可方便与各种中频单元连接，快速组建毫米波系统，同时保护了用户的前期投入，包括USRP固定资产投入以及前期软件开发投入。通过使用现有的USRP设备升级到毫米波解决方案，毫米波研究人员可以用经济的成本和更短的时间帮助推动和实现毫米波5G通信的全面普及。

 3.2 控制软件 

        在控制方面，毫米波扩展模块可以通过串口实现计算机控制。珞光电子为毫米波扩展模块提供了上位机控制软件，界面如下图所示，该软件支持在Windows和Ubuntu系统下使用，轻松实现毫米波扩展模块与USRP协同工作。

                                                                                       图6 上位机控制软件