淺談Sub-6 GHz和毫米波技術(shù)

本文作者：Qorvo高性能解決方案經(jīng)理Roger Hall

下一代移動(dòng)連接5G的迅速采用引起了很多激動(dòng)和期待。分析師預(yù)測(cè)，到2020年底，商用5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量將翻兩番，5G連接的總數(shù)將從2019年的500萬(wàn)增加到2025年的28億，而5G技術(shù)的全球市場(chǎng)將在2026年達(dá)到6679.0億美元。不幸的是，要實(shí)現(xiàn)這些雄心勃勃的覆蓋目標(biāo)并不是一件容易的事，這將需要對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（尤其是RF功率應(yīng)用）進(jìn)行大幅修改。

為了滿足RF前端功率需求，OEM廠商開始使用氮化鎵（GaN），這是一種相對(duì)較新的商用半導(dǎo)體。它的功率效率，功率密度和更大范圍頻率處理能力使其非常適合大型MIMO基站。

了解MIMO

要充分發(fā)揮5G的高速和超低延遲的潛力，客戶需要移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提高所有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的性能。這意味著對(duì)頻譜采集，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和傳輸技術(shù)的大量投資。無(wú)論如何完成，在全國(guó)范圍內(nèi)推出5G對(duì)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)都是非常昂貴的。資金也是5G運(yùn)營(yíng)的最大障礙。盡管人們對(duì)高頻毫米波的關(guān)注度很高，但運(yùn)營(yíng)商仍在Sub-6GHz范圍內(nèi)實(shí)施Massive MIMO技術(shù)，以最大程度地降低成本從而推動(dòng)5G。

MIMO代表“多輸入多輸出”，是一種用于無(wú)線通信的天線技術(shù)，它使用多個(gè)天線來(lái)發(fā)送和接收信號(hào)。MIMO取代了傳統(tǒng)無(wú)線通信中使用的經(jīng)典單天線，它通過(guò)不同的天線發(fā)送多個(gè)信號(hào)相同的數(shù)據(jù)。這允許空間多路復(fù)用，其中每個(gè)信道將獨(dú)立的信息傳送給接收器-與傳統(tǒng)的單天線相比，MIMO具有許多優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)RF信號(hào)遇到建筑物等障礙物時(shí)，信號(hào)會(huì)散射并采用不同的路徑到達(dá)目標(biāo)接收器。這種多徑傳播會(huì)導(dǎo)致接收不良，通話中斷以及速率下降。 MIMO無(wú)線電接收并合并相同數(shù)據(jù)的多個(gè)流，因此可以使用多徑傳播來(lái)改善信號(hào)質(zhì)量和強(qiáng)度。如果環(huán)境散射足夠豐富，則可以在相同的分配帶寬中創(chuàng)建許多獨(dú)立的子信道，從而產(chǎn)生質(zhì)量和信號(hào)增益，而無(wú)需額外的帶寬或功率。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以專注于使用更大的天線以滿足需求，而不是更多的基站。

MIMO天線陣列還可以通過(guò)波束成形和波束控制將信號(hào)聚焦在各個(gè)用戶的方向上。單個(gè)天線可以在所有方向上廣播無(wú)線信號(hào)，通過(guò)數(shù)字和模擬方法，多個(gè)天線還可以將特定方向上的信號(hào)聚焦到接收器。這極大地提高了頻譜和功率效率。

5G規(guī)模MIMO

過(guò)去幾代的無(wú)線技術(shù)已經(jīng)利用MIMO在天線陣列技術(shù)方面的進(jìn)步來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)速度。 3G引入了單用戶MIMO，它利用多個(gè)同時(shí)的數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)從基站傳輸?shù)絾蝹€(gè)用戶。4G系統(tǒng)使用多用戶MIMO，將不同的數(shù)據(jù)流分配給不同的用戶，以實(shí)現(xiàn)顯著的容量和性能優(yōu)勢(shì)。借助5G新無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，MIMO變得足夠“龐大”。4G系統(tǒng)通常配備四個(gè)發(fā)射和四個(gè)接收天線：也就是一個(gè)4×4天線陣列。5G Massive MIMO使用更多的發(fā)射和接收天線來(lái)增加傳輸增益和頻譜效率；一些典型的MIMO天線大小為256×256。

由于大規(guī)模MIMO使用更多天線，因此發(fā)送到接收器的信號(hào)束要窄得多。它使基站能夠更精確，更有效地向用戶傳遞RF能量。每個(gè)天線的相位和增益都是單獨(dú)控制的，并且由于信道信息將保留在基站中，因此移動(dòng)設(shè)備并不需要多個(gè)接收器天線。大量的基站天線增加了小區(qū)中的信噪比，從而提高了小區(qū)站點(diǎn)容量和吞吐量。

同樣重要的是，5G技術(shù)建立在4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)上，可以使用動(dòng)態(tài)頻譜共享。這使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商能夠增加網(wǎng)絡(luò)容量，提供高數(shù)據(jù)速率并節(jié)省頻譜，同時(shí)最大程度地減少運(yùn)營(yíng)商支出。

毫米波的承諾與Sub-6 GHz的現(xiàn)實(shí)

毫米波技術(shù)（即mmWave）和5G通常被錯(cuò)誤地視為同義詞。毫米波是5G網(wǎng)絡(luò)使用的24GHz至100GHz射頻頻譜上的一個(gè)頻段，與Sub-6GHz頻段并行。以前認(rèn)為毫米波不適合移動(dòng)通信，因?yàn)樵擃l帶中的信號(hào)明顯傳輸距離有限，并容易被建筑物，樹葉，雨水和人體阻擋。但是，這些短波長(zhǎng)能夠在短距離上傳輸更多數(shù)據(jù)。很明顯，要實(shí)現(xiàn)5G的20Gb / s數(shù)據(jù)速率目標(biāo)，最終將有必要使用毫米波頻譜。盡管許多移動(dòng)通信對(duì)毫米波感到興奮，但對(duì)于在全球范圍內(nèi)推廣所需要的基站建設(shè)挑戰(zhàn)卻沒有給予足夠的重視。

當(dāng)通過(guò)基站建設(shè)來(lái)審視毫米波時(shí)，這一點(diǎn)變得尤為清楚。毫米波基站的范圍遠(yuǎn)小于以較低頻率發(fā)射信號(hào)的蜂窩塔。為了實(shí)現(xiàn)全國(guó)覆蓋，研究人員估計(jì)美國(guó)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商將需要建立1300萬(wàn)個(gè)基站?？紤]到當(dāng)今的美國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)大約有30萬(wàn)個(gè)基站，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)還有很長(zhǎng)一段路要走。另外毫米波高昂的功耗要求進(jìn)一步加劇資本支出，因此除了在體育館和城市熱點(diǎn)之外，毫米波在接下來(lái)的幾年中，針對(duì)全美推廣是不現(xiàn)實(shí)的。

在OEM努力降低毫米波成本的同時(shí)，Sub-6GHz頻段將成為5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商所依賴的重要頻段。較低頻率的信號(hào)會(huì)進(jìn)一步穿透建筑物等障礙物，并在逐漸消失之前覆蓋鐵塔周圍的較大區(qū)域，從而適合于農(nóng)村和城市地區(qū)。這意味著Sub-6 GHz的5G還可以用更少的基站來(lái)做更多的事情，并使用現(xiàn)有的信號(hào)塔。

大規(guī)模MIMO基礎(chǔ)架構(gòu)要求

即使Sub-6 GHz的5G并不能提供毫米波所能帶來(lái)的巨大速度改善，其大規(guī)模MIMO天線陣列仍可以實(shí)現(xiàn)更多同時(shí)連接，提高信號(hào)吞吐量，并在用戶覆蓋范圍和容量之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。這是更現(xiàn)實(shí)的實(shí)施途徑。Sub-6GHz 5G的推出將比毫米波部署地更快，從而提高移動(dòng)寬帶的速度和一致性。在向完全集成的5G網(wǎng)絡(luò)過(guò)渡的同時(shí)，它提供了對(duì)當(dāng)前4G系統(tǒng)的改進(jìn)。這就是為什么許多業(yè)內(nèi)人士期望運(yùn)營(yíng)商競(jìng)標(biāo)較低頻譜范圍的原因，他們可以利用動(dòng)態(tài)頻譜共享在相同的頻譜范圍內(nèi)提供3G，4G和5G服務(wù)。我們已經(jīng)在國(guó)際5G實(shí)施中看到了這種方法。韓國(guó)于兩年前開始在較低頻率中推出5G，中國(guó)將全面改革其整個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍的5G覆蓋。

這并不是說(shuō)Sub-6 GHz的5G易于部署；這些新技術(shù)伴隨著重大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為了在5G基站上采用大規(guī)模MIMO技術(shù)，設(shè)計(jì)師的任務(wù)是開發(fā)包含數(shù)百個(gè)天線元件的高度復(fù)雜的系統(tǒng)。許多利用有源相控陣天線來(lái)向特定用戶提供波束成形和波束調(diào)制的能力。所有這些額外的天線都具有更好的性能，但是這些大型天線陣列消耗的功率更多，并且需要專用的RF前端（RFFE）芯片組和放大器。

構(gòu)建支持這些新的Sub-6 GHz的5G應(yīng)用的RF前端將是一個(gè)挑戰(zhàn)。 RFFE電路對(duì)于4G系統(tǒng)的功率輸出，選擇性和功耗至關(guān)重要。 5G調(diào)制方案帶來(lái)了額外的需求，因此無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施功率放大器（PA）將需要非常高效才能實(shí)現(xiàn)必要的線性度。此外，峰值功率要求和最低功率要求之間的巨大差值也給功率放大器和RF前端帶來(lái)了散熱問(wèn)題。
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