【導(dǎo)讀】Strategy Analytics 預(yù)測(cè)新興 5G 網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)爆炸式增長。他們預(yù)測(cè)，2018 年至 2024 年間部署的新基站數(shù)量將會(huì)翻一番。在 5G 網(wǎng)絡(luò)快速增長的推動(dòng)下，到 2024 年，部署的新基站和升級(jí)的無線基站設(shè)備數(shù)量將達(dá)到近 940 萬。
這些 5G 基站中，許多都將采用大規(guī)模 MIMO 天線。由于采用大規(guī)模 MIMO 天線，這些新 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)推動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)外緣能夠始終相連。在本文中，我們將介紹與大規(guī)模 MIMO 基站中的 RF 前端相關(guān)的所有基礎(chǔ)知識(shí)。
大規(guī)模 MIMO 的定義
大規(guī)模 MIMO 使用多個(gè)基站天線與多位用戶通信，在相控陣自適應(yīng)技術(shù)中采用了波束成型技術(shù)。大規(guī)模 MIMO 在不加劇小區(qū)間協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性的情況下提高容量。通過使用大規(guī)模 MIMO，可以形成波束，確保幾乎在任何時(shí)候，單個(gè)波束只會(huì)支持一位用戶。因此，為每位用戶提供無干擾、高容量的基站連接。
大規(guī)模 MIMO 技術(shù)采用大型天線陣列（一般由 16、32 或 64 個(gè)陣列組件組成）來實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用（參見下圖）。空間復(fù)用在相同的資源模塊中提供多個(gè)并行的數(shù)據(jù)流。通過擴(kuò)展虛擬信道的總數(shù)，它可以在不額外增加塔站和頻譜的情況下提升容量和數(shù)據(jù)速率。
回顧該系列其他博文講述的內(nèi)容：
● 小基站博文第 1 部分
● 小基站博文第 2 部分
● 載波網(wǎng)絡(luò)將如何實(shí)現(xiàn) 5G
● 設(shè)計(jì)固定無線接入系統(tǒng)時(shí)需要考慮的 5 個(gè)因素
圖 1.大規(guī)模 MIMO 的優(yōu)勢(shì)
大規(guī)模 MIMO 5G 和 NR 標(biāo)準(zhǔn)
5G 新無線電 (NR) 規(guī)范第一階段發(fā)布的 3GPP 版本 15 已于 2018 年 6 月發(fā)布。規(guī)范重點(diǎn)說明使用 5G NR 非獨(dú)立 (NSA) 和獨(dú)立 (SA) 標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)部署。NSA 是運(yùn)營商轉(zhuǎn)向 SA 的過渡步驟（參見圖 2）。NSA 利用 LTE 錨頻段進(jìn)行控制，并使用 5G NR 頻段提供更快的數(shù)據(jù)速率。NSA 讓運(yùn)營商無需構(gòu)建新的 5G 核心網(wǎng)絡(luò)，可以直接提供 5G 數(shù)據(jù)速率。因?yàn)槲覀兩刑幱?5G NR 設(shè)計(jì)的開始階段，所以大多數(shù)基站應(yīng)用都是 NSA。但隨著 5G 不斷演進(jìn)，采用 SA 類型系統(tǒng)部署之后，這種情況將會(huì)改變。
圖 2.邁向獨(dú)立 5G 之路。
適用于大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)的 5G 頻段
基站組件供應(yīng)商和制造商面臨著一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，即提供各區(qū)域所需的最小存貨單位 (SKU) 數(shù)量。這些在更高頻率范圍內(nèi)碎片化的頻段組合迫使供應(yīng)商和制造商提供多樣化的產(chǎn)品組合（參見下圖）。此外，頻率和帶寬需求的增加又進(jìn)一步加大了 RF 半導(dǎo)體技術(shù)提供商的設(shè)計(jì)難度。例如，功率放大器 (PA) 的增益和效率相互關(guān)聯(lián)，發(fā)射路徑中目前采用的硅 LDMOS 功率技術(shù)會(huì)對(duì)其有影響。因此，系統(tǒng)制造商開始從硅 LDMOS 轉(zhuǎn)而采用氮化鎵 (GaN)，后者在平均工作功率水平和寬帶寬下可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 60% 的效率，因此非常適合大規(guī)模 MIMO 基站系統(tǒng)。
探索大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)的 RF 前端（半導(dǎo)體技術(shù)視角與制造商視角）
那么，5G 大規(guī)模 MIMO 基站系統(tǒng)需要什么樣的 RF 前端 (RFFE) 組件呢？高線性、高效率、低功耗的集成前端組件。為了從規(guī)范的角度進(jìn)行分析，制造商希望半導(dǎo)體供應(yīng)商能優(yōu)化以下參數(shù)，以滿足其系統(tǒng)要求。
制造商要求半導(dǎo)體提供商滿足的關(guān)鍵 RF 前端規(guī)范
● 高鄰道功率比 (ACPR)，也稱為鄰道泄漏比 (ACLR)
○ ACPR 是指分配通道上的發(fā)射器功率與相鄰無線電通道上的泄漏功率之比。發(fā)射器的 ACPR 主要取決于 PA 的性能。PA 的線性度越高，ACPR 越好，這是因?yàn)楫a(chǎn)生的失真會(huì)更少。
● 高功率附加效率 (PAE)
○ 這個(gè)衡量功率放大器效率的指標(biāo)考慮了放大器增益的影響。最好選擇 PAE 值較高的放大器，這是因?yàn)槠渖崞鞒叽绺』蛘呶磁鋫渖崞?，所以產(chǎn)生的熱量少，可靠性更高，重量更輕，可以實(shí)現(xiàn)更高的整體性能。
● 低噪聲系數(shù) (NF)
○ 低噪聲放大器 (LNA) 是 Rx 配置中的第一個(gè)有源級(jí)，其噪聲系數(shù)對(duì)無線電接收靈敏度有直接影響。因此，RF 半導(dǎo)體供應(yīng)商總是試圖實(shí)現(xiàn)較低的 NF，因?yàn)檫@是無線電設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的規(guī)格參數(shù)之一。
○ 噪聲系數(shù)以 dB 為單位，是 Rx (SNRi) 輸入的信噪比與 Rx (SNRo) 輸出的信噪比之間的比值。
● 低功耗
○ 低功耗設(shè)備一直是系統(tǒng)應(yīng)用的不錯(cuò)選擇。它們可減少發(fā)熱，降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本和額外的硬件成本（例如散熱器）。鑒于大規(guī)模 MIMO 在單個(gè)無線電中有更多數(shù)量級(jí)的天線，所以降低功耗至關(guān)重要。
● 高通道隔離
○ 隔離是為了防止信號(hào)在電路中不必要的節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)。更高的隔離性意味著更少的干擾和更清晰的交流。隔離度就是衡量兩個(gè)通道端口之間的損耗：發(fā)射器與發(fā)射器端口之間，或者發(fā)射器與接收器端口之間。隔離度越高，信號(hào)越清晰。
○ 采用 5G 大規(guī)模 MIMO 架構(gòu)之后，通道隔離忽然之間成為衡量單個(gè)無線電系統(tǒng)中多個(gè)天線鏈之間接近程度的重要參數(shù)。雖然 TDD 操作降低了 Tx-Rx 之間的隔離要求，但仍然需要進(jìn)行 Tx-Tx 和 Rx-Rx 隔離。隨著更多的小信號(hào)內(nèi)容被集成到單個(gè)芯片封裝中，并在同一封裝中設(shè)置多條 Rx 前端路徑，隔離合規(guī)性只能通過創(chuàng)新的半導(dǎo)體電路設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
半導(dǎo)體供應(yīng)商必須優(yōu)化上述參數(shù)，這樣大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)制造商才更容易實(shí)現(xiàn)規(guī)格要求。下列系統(tǒng)規(guī)格與上述 RF 前端半導(dǎo)體參數(shù)相關(guān)。
關(guān)鍵的制造商系統(tǒng)規(guī)格
● 優(yōu)化應(yīng)用等效全向輻射功率 (EIRP)
○ 給定方向的發(fā)射器功率和天線增益與無線電發(fā)射器的全向天線相關(guān)。
○ 對(duì)于 6 GHz 以下的 5G 系統(tǒng)，將使用 16、32 或 64 個(gè)陣列組件，具體取決于應(yīng)用所需的 EIRP。由于需要大量的陣列組件，每個(gè)組件也需輸出功率，因此散熱成為一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，促使設(shè)計(jì)尋求可提供最高效率的技術(shù)。
○ 使用 GaN 和 GaAs 這樣的技術(shù)有助于減少大規(guī)模 MIMO 陣列所需的有源組件數(shù)量，同時(shí)滿足基站 EIRP 系統(tǒng)要求。
● 高接收器靈敏度
○ 接收靈敏度衡量接收器檢測(cè)弱信號(hào)，并且無差錯(cuò)地處理這些信號(hào)的能力。噪聲是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)靈敏度的最大阻礙因素。因此，使用具備出色噪聲系數(shù)的組件是接收器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
○ 衡量接收器靈敏度的另一個(gè)指標(biāo)是對(duì)接收到的信號(hào)解碼的誤差矢量幅度 (EVM)。要使 EVM 誤差最小，只能通過使用低噪聲系數(shù)和高線性度組件來實(shí)現(xiàn)，從而最大限度減少弱化的信號(hào)失真
● 小外形尺寸
○ 大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)必須足夠輕巧，便于安裝在傳統(tǒng)基站塔和路燈桿等位置。此外，前端組件必須盡可能靠近輻射天線放置，這一點(diǎn)至關(guān)重要。這也促使采用前端集成和高能效半導(dǎo)體技術(shù)和封裝。
● 低功耗
○ 為了滿足 5G 高數(shù)據(jù)應(yīng)用需求，我們將需要更多基礎(chǔ)設(shè)施（例如宏基站和微基站、數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器和小基站）。這意味著會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)功耗，因而需要提高系統(tǒng)效率，節(jié)省總能耗。最終，運(yùn)營商能以更低成本實(shí)現(xiàn)更大產(chǎn)出。提供具備高輸出功率、更高效率和低功耗的解決方案是關(guān)鍵。
○ A此外，具備 32 或 64 個(gè)通道的大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)也可以采用更多散熱器。而采用 GaN 等技術(shù)可以提高系統(tǒng)的功率附加效率，減少對(duì)大型散熱器的需求，從而最大限度縮減系統(tǒng)重量和尺寸。
● 被動(dòng)冷卻，高度可靠
○ 低功耗的另一個(gè)好處是可以減少產(chǎn)生的熱量，因此需要較少的散熱器，進(jìn)而縮減尺寸和重量。高級(jí)天線系統(tǒng) (AAS) 必須具有高能效和穩(wěn)固性，以便對(duì)所有戶外塔頂電子設(shè)備進(jìn)行被動(dòng)式冷卻，這一點(diǎn)非常重要。GaN 讓制造商能夠在某些應(yīng)用中使用被動(dòng)冷卻，減少了對(duì)風(fēng)機(jī)或空調(diào)的需求，并且可以將 RF 前端安裝在天線上。
5G 大規(guī)模 MIMO 基站已經(jīng)開始建設(shè)，運(yùn)營商將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大部署。全球各地需要不同頻率和功率水平的產(chǎn)品，所以供應(yīng)商需要在多樣化的產(chǎn)品組合供應(yīng)鏈中進(jìn)行選擇。由于大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的要求很嚴(yán)格，需要更高的頻率范圍和帶寬，所以必須采用新技術(shù)。如下表所示，Qorvo 提供目前市場(chǎng)上最豐富的 5G 大規(guī)模 MIMO 產(chǎn)品組合。我們也使用最適合各種大規(guī)模 MIMO 應(yīng)用的技術(shù)來創(chuàng)造產(chǎn)品。Qorvo 不僅提供覆蓋 3.5 GHz 以上所有頻率的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品還采用 GaN、GaAs 和濾波器體聲波技術(shù) (BAW)，具備出色性能。
6 GHz 以下的 5G 大規(guī)模 MIMO 和毫米波基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)已經(jīng)投入使用。GaN、GaAs 和 BAW 等技術(shù)均有助于運(yùn)營商和基站 OEM 實(shí)現(xiàn) 5G 大規(guī)模 MIMO 目標(biāo)，并將覆蓋范圍擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣。身為消費(fèi)者，我們才剛剛見識(shí)到大規(guī)模 MIMO 和 5G 功能的冰山一角。
來源：Qorvo
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