5G通信技術：小基站里的大作為

　　與3G、4G相比，5G的新興技術主要是毫米波與波束成形。此外，在載波聚合、多天線輸入輸出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）等4G技術上有了新的演進。那么，其對集成電路設計帶來了怎樣的挑戰(zhàn)呢？今天，我們就來預測一下5G挑戰(zhàn)下，集成電路的新趨勢——小基站。

　　某天，在我家對面的中電信服務點上豎起了一個不高不低的鐵架子，上面有兩個金屬盒子，還有兩根高高豎起的天線。然而在時常進行廣場舞聚會的小區(qū)女性同胞們的反對下，幾天之后，中電信就只能乖乖的把那個鐵架子給撤了。

　　筆者無法告訴大家基站會不會產(chǎn)生輻射，但是大家真的以為移動運營商會把基站撤走么？如果撤了，那你手機的信號格數(shù)應該就是最低的那一檔了吧。

　　在摩爾定律的發(fā)展最直接的變化就把巨無霸變成袖珍丸。請看以下今天的基站長什么樣：

　　你以為的基站Vs.基站實際的樣子。

　　很多人會問一個問題，右邊那張圖不是路燈么？這就是小基站！可以偽裝在路燈、公交車站牌和任何不起眼角落的變色龍。

　　隨著集成電路的發(fā)展，終端芯片的SoC漸漸走到了窮途末路，而基站芯片的SoC卻正在澎湃發(fā)展。由此，小基站在4G時期成為了對抗廣場舞大媽抗議的重要技術手段。

　　問題來了，5G下，微基站會更有意義么？

　　目前，限制小基站的主要是天線尺寸的大小。一般要求天線的尺寸與電磁波波長在同一個數(shù)量級，而電磁波波長就是光速除以頻率。3G/4G的載波波長在分米級，小基站的天線長度也差不多。但是在5G下，載波波長變成了毫米級（這也是之所以叫“毫米波”的原因）。所以天線可以做得更小，做得更多（實現(xiàn)波束成形和Massive MIMO）。

　　小基站（Small Cell）的體積和稱呼從Micro Cell（微基站）、Nano Cell（納基站）、Pico Cell（皮基站）已經(jīng)進化到Femto Cell（飛基站）。它們的主要應用場景在人口密集區(qū)、覆蓋大基站無法觸及的末梢通信。特別是完成號稱100Mbps-1GMbps的5G通信。小基站讓你工作閑暇之余，在一分鐘內(nèi)下完一集高清《權利的游戲》成為了可能。未來，可以預期的是其會像你家的路由器一樣小，藏在CBD和大型Shopping Mall的角角落落。

　　微、納、皮、飛……數(shù)學定義表

　　小基站的實現(xiàn)，除了摩爾定律帶來的高歌猛進外，還有很多智慧的硅工付出的辛勞努力。比如——非線性功放的數(shù)字預畸變（Digital Pre-distortion for Nonlinear Power amplifier）。

　　小基站不僅在規(guī)模上要遠遠小于大基站，在功耗上也是必然指數(shù)式下降，畢竟占的是220V的市電。隨著集成電路的演進，雖然計算功耗不斷降低，但射頻發(fā)射機信號的發(fā)射功率沒有太大變化，畢竟這是由協(xié)議靈敏度決定。在大基站里，我們可以用非硅的工藝實現(xiàn)高線性度功放，反正功耗不Care。但是在理想的小基站里，PA也是做成SoC的。CMOS工藝的功放在線性工作范圍的低效率聞名遐邇，在大功率的輸出下功率即將飽和。預期單純地被限制在線性區(qū)是“坐井觀天”。

　　于是天才型硅工就提出從在數(shù)字域?qū)ふ曳蔷€性PA的反函數(shù)，然后輸出一個非線性的數(shù)字控制碼。兩者疊加，就有了一個線性的高效率輸出。

　　然后，這個問題的解法又再一次地普及到頻域，當寬帶功放在帶內(nèi)的傳遞函數(shù)有波動時，也在數(shù)字域?qū)ふ移洳▌拥哪婧瘮?shù)，給出帶有頻率選通特性的調(diào)制結果，然后一疊加，又能看到幅度一致的EMV mask了。

　　這一思想的核心，就是把不隨摩爾定律變化的射頻功耗等轉(zhuǎn)化為跟著摩爾定律走的數(shù)字計算功耗，所謂As much digital as possible。

　　在各式各樣的努力下，5G小基站變成了Pokemon Go中小精靈般散落在人間。于是新的問題就出現(xiàn)了，那么多小基站，萬一被踩一腳掛了怎么辦？況且其靈活性體現(xiàn)在其自由方便可配置上，如果動不動就要打電話給運營商派輛車過來，是否還合適呢？

　　答案顯然是否定的。

　　最后，我們要來介紹小基站實現(xiàn)中的另一個機制——自組網(wǎng)（Self Organizing Network，SON）。為了更好、更方便地對具有靈活性的小基站群進行配置、優(yōu)化和修復，自適應的組網(wǎng)技術將取代大基站中繁雜的介入成本。

　　有關調(diào)查指出，在5G應用場景中，50%以上的通信資源被1%的終端占用，而這1%往往在大城市的中心地帶和商業(yè)區(qū)。這些地區(qū)的實際通信場景復雜，需要可配置度高的網(wǎng)絡。更有甚者，這些區(qū)域的物聯(lián)網(wǎng)也比較豐富。在種種情況交疊下，SON可以被看作是5G通信與物聯(lián)網(wǎng)通信的的橋梁，為這樣的區(qū)域提供更有效的組網(wǎng)通信系統(tǒng)。

　　如果有服務導向的自組網(wǎng)成為可能，那么未來的小基站的實際運營權可能從移動運營商轉(zhuǎn)移到部分轉(zhuǎn)換器實體商家和其他小企業(yè)運營單位手中。未來的“網(wǎng)管”不僅管著交換機、無線網(wǎng)，還要管都市移動通信。聽上去是不是很棒？

　　服務導向的自主網(wǎng)發(fā)展趨勢（Source：華為）

　　由于社會和通信等一系列的原因，未來小基站會逐漸成為5G通信中不同于大基站的重要增長點，特別在城市CBD區(qū)域。毫米波將導致小基站的偽裝更加讓人難以分辨，與此同時，各種數(shù)字化的校準方法也實現(xiàn)了大基站到小基站的低功耗轉(zhuǎn)變。同時，自組網(wǎng)技術可能令5G的商業(yè)模式出現(xiàn)重大變革。