ADI對(duì)5G技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)的解讀

5G帶來(lái)的并非只是單純的速度提升。作為一個(gè)統(tǒng)一的連接架構(gòu)，5G在這個(gè)連接設(shè)計(jì)框架內(nèi)需要支持多樣化頻譜、多樣化服務(wù)與終端和多樣化部署……近日《電子工程專(zhuān)輯》記者邵樂(lè)峰采訪了ADI 通信業(yè)務(wù)部門(mén)CTO Thomas Cameron博士，帶來(lái)ADI對(duì)5G技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)的解讀。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IHS Markit在發(fā)布的《5G經(jīng)濟(jì)》研究報(bào)告中指出，到2035年，5G將在全球創(chuàng)造12.3萬(wàn)億美元經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出。這幾乎相當(dāng)于所有美國(guó)消費(fèi)者在2016年的全部支出，并超過(guò)了2016年中國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)和法國(guó)的消費(fèi)支出總和。

ADI 通信業(yè)務(wù)部門(mén) CTO Thomas Cameron博士

5G帶來(lái)的并非只是單純的速度提升。作為一個(gè)統(tǒng)一的連接架構(gòu)，5G在這個(gè)連接設(shè)計(jì)框架內(nèi)需要支持多樣化頻譜、多樣化服務(wù)與終端和多樣化部署。ADI通信業(yè)務(wù)部門(mén) CTO Thomas Cameron 博士日前在接受《電子工程專(zhuān)輯》采訪時(shí)指出，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(6GHz以上頻段)、關(guān)鍵業(yè)務(wù)型服務(wù)(1GHz-6GHz頻段)和海量物聯(lián)網(wǎng)(1GHz以下頻段)構(gòu)成了5G業(yè)務(wù)的核心。

5G服務(wù)的“鐵三角”

增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶

極致吞吐量和超低時(shí)延是增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶的兩大特征。傳統(tǒng)來(lái)看，4G技術(shù)更多依賴于授權(quán)頻譜，然而5G從頂層設(shè)計(jì)初期，就把授權(quán)頻譜、非授權(quán)頻譜和共享授權(quán)頻譜進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)，毫米波和超大規(guī)模MIMO將在其中扮演關(guān)鍵角色。

關(guān)鍵業(yè)務(wù)型服務(wù)

該類(lèi)型應(yīng)用對(duì)可靠性、超低時(shí)延和普及易用性要求極高，例如需要超過(guò)99.999%的可靠性和1ms的延遲性。目前的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)更多屬于被動(dòng)模式的自動(dòng)駕駛，完全是通過(guò)車(chē)載傳感器對(duì)周?chē)?a target="_blank">信息的獲知做出判斷，存在限制。但如果車(chē)與車(chē)之間具備V2V這種關(guān)鍵型業(yè)務(wù)服務(wù)的能力，那么真正意義上的自動(dòng)駕駛就會(huì)實(shí)現(xiàn)。

海量物聯(lián)網(wǎng)

包括智慧城市、智能家居、公共設(shè)施流量的監(jiān)控和計(jì)量、可穿戴設(shè)備、遠(yuǎn)程傳感器驅(qū)動(dòng)等。例如用于水表、電表和公共環(huán)境信息監(jiān)測(cè)等應(yīng)用的傳感器，往往要求在部署多年之后都不需要更換，聯(lián)網(wǎng)終端的電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5-10年，節(jié)能性就必須要做得很好；其次，終端和芯片的成本要降到幾美元甚至更低；其三是深度覆蓋，也就是從遠(yuǎn)程角度支持可擴(kuò)展的覆蓋能力。

在從4G向5G的網(wǎng)絡(luò)遷移過(guò)程中，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)40%。運(yùn)營(yíng)商為了要追趕上消費(fèi)者對(duì)數(shù)據(jù)和無(wú)處不在連接性的巨大需求，在網(wǎng)絡(luò)容量、室內(nèi)覆蓋以及頻譜等領(lǐng)域承受著相當(dāng)大的壓力。

——Thomas Cameron

提升5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋與容量的關(guān)鍵技術(shù)

從全球各國(guó)5G的部署情況來(lái)看，美國(guó)傾向于使用微波頻段，中日韓等亞太國(guó)家則主打sub-6GHz頻段，歐洲與中國(guó)思路類(lèi)似。從ADI角度看，5G將會(huì)率先在sub-6GHz頻段實(shí)現(xiàn)規(guī)模部署，小基站(Small Cell)和Massive MIMO將成為提升5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋與容量的關(guān)鍵技術(shù)。

然而，以前的小基站只支持一個(gè)頻段，現(xiàn)在需要支持三到四個(gè)頻段，天線密度也會(huì)從之前的2T2R/4T4R躍升至64T64R/128T128R。盡管頻譜效率可以提升5倍，但是采用這種大規(guī)模MIMO天線集成的做法，勢(shì)必會(huì)在體積、成本和功耗等方面帶來(lái)挑戰(zhàn)。

作為射頻與微波產(chǎn)品線最全面的供應(yīng)商之一，ADI自2014年來(lái)先后成功收購(gòu)了HITTITE微波、Symeo GmbH、Innovasic和凌力爾特等公司，在高速轉(zhuǎn)換器、射頻與毫米波解決方案、高集成收發(fā)器、精密時(shí)鐘和電源等五大領(lǐng)域形成了完整布局。Thomas Cameron在采訪中也重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了ADI最具代表性的產(chǎn)品：AD9371、業(yè)界首款集成DPD功能的AD9375，以及在2016年5月推出的RadioVerse技術(shù)和設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)OEM廠商仍采用離散器件（放大器、混頻器、解調(diào)器、ADC/DAC、濾波器等）來(lái)搭建所謂的SDR平臺(tái)不同，ADI RadioVerse的做法是通過(guò)提供集成式RF收發(fā)器、軟件API、設(shè)計(jì)支持包、完備的文檔、ADI EngineerZone在線技術(shù)支持社區(qū)及其他資源，為客戶提供集成收發(fā)器技術(shù)、魯棒的設(shè)計(jì)環(huán)境和針對(duì)特定市場(chǎng)的技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)，使其無(wú)線電設(shè)計(jì)能夠快速?gòu)母拍钭優(yōu)楫a(chǎn)品。

5G毫米波改變射頻前端設(shè)計(jì)

再看一下微波和毫米波頻段的5G接入系統(tǒng)。微波頻段下（預(yù)計(jì)將執(zhí)行于28GHz、39GHz或60GHz頻率）無(wú)線接入的最大障礙之一是克服不理想的傳播特性，這些頻段下的無(wú)線傳播在很大程度上受到大氣衰減、下雨、障礙物（建筑、人群、植物）以及反射的影響，若要克服接入系統(tǒng)的傳播難題，就需要采用自適應(yīng)波束成形(Beam-forming)技術(shù)。此外，寬帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、高性能頻譜轉(zhuǎn)換、高能效比電源設(shè)計(jì)、先進(jìn)封裝技術(shù)、OTA測(cè)試、天線校準(zhǔn)等，都構(gòu)成了微波和毫米波頻段5G接入系統(tǒng)面臨的設(shè)計(jì)難題。

Thomas Cameron向記者強(qiáng)調(diào)了先進(jìn)工藝在其中扮演的關(guān)鍵角色。眾所周知，GaAs多年來(lái)一直是微波行業(yè)的主流技術(shù)，一流的微波系統(tǒng)也通常采用GaAs元件實(shí)現(xiàn)，但SiGe工藝和傳統(tǒng)的CMOS工藝又能否占有一席之地呢？

“這取決于每個(gè)天線所需的輸出功率，比如輸出功率在100mW時(shí)，基本會(huì)選用GaAs/GaN PA；如果功率只有10mW，SiGe工藝就能夠?qū)崿F(xiàn)。”但他也提醒說(shuō)，在微波頻率下甚至GaAs PA都效率較低，因?yàn)樗鼈冊(cè)诰€性區(qū)域內(nèi)通常會(huì)發(fā)生偏移，而SiGe工藝正在克服高頻工作障礙，以便在多項(xiàng)信號(hào)路徑功能上與GaAs一較高下。同時(shí)，波束成形技術(shù)會(huì)降低PA功率發(fā)射的限制和要求，這給了CMOS技術(shù)能夠發(fā)揮作用的空間，再加上CMOS工藝具有波束成形系統(tǒng)所需的高集成度，這對(duì)很多信號(hào)鏈和輔助控制功能來(lái)說(shuō)是個(gè)福音。

當(dāng)然，這也意味著，設(shè)計(jì)者必須要具備把不同性能的組件整合在一起的能力。目前，ADI在上述三個(gè)領(lǐng)域都進(jìn)行了廣泛的技術(shù)投資，有能力提供從前端ADC/DAC到后端天線陣列的完整解決方案。

5G系統(tǒng)的最后一個(gè)考慮因素是機(jī)械設(shè)計(jì)和RF IC分割的相互依賴性。在50GHz以內(nèi)，天線將是基板的一部分，并且預(yù)期路由和部分無(wú)源結(jié)構(gòu)可能內(nèi)嵌到基板上；超過(guò)50GHz時(shí)，天線元素和間距就會(huì)變得足夠小，可將天線結(jié)構(gòu)封裝在內(nèi)，或集成到封裝上。因此，RF IC和機(jī)械結(jié)構(gòu)都必須一并設(shè)計(jì)，確保路由的對(duì)稱(chēng)性，并最大程度減少損耗。也就是說(shuō)，如果沒(méi)有強(qiáng)大的3D建模工具來(lái)進(jìn)行這些設(shè)計(jì)所需的大量仿真，那么這些工作一項(xiàng)都不可能完成。