加速5G部署的7个基本要素

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本文来源半导体行业观察
 
5G不再仅仅是一个承诺——它是非常真实的庞大市场,尽管其实施尚处于起步阶段。2019年有两个例子表明5G的部署正在成为现实。其中之一是Verizon在其所有NFL橄榄球赛场中都推出了5G服务;另一个例子在韩国,5G用户在当年8月——仅在本地运营商推出商业化技术四个月后便达到200万以上。在本文中,我们将探讨小型基站密集化、频谱采集、频谱共享和大规模MIMO等领域中5G的发展趋势。尽管普及尚需时日,但5G有望成为有史以来增长最快的移动技术。根据全球移动供应商协会(GSA)的调研,5G的增长速度远远快于4G LTE——部署节奏超越后者约两年;其最近发布的数据表明,全球有50多家运营商推出了5G移动网络,并且至少有60款不同的5G移动设备可用。
 
最终,5G将带来改变生活的影响,并颠覆许多行业。但是,在2020年,运营商将重点支持前两个主要5G用例:更快的移动连接性和带来高速无线连接的固定无线接入(FWA)。
 
Qorvo在其《5G RF傻瓜书(5G RF for Dummies)》第二版中强调了5G的高速发展;这本新近更新的著作描述了将5G愿景变为现实的关键趋势与技术支持因素。
 
以下是书中的一些要点。
 
1.网络密集化与小型基站
 
5G用户将需要更多的蜂窝基站以大幅扩展网络容量并支持数据流量的增长。这促使移动网络运营商(MNO)急于采用小型基站(即人口稠密的城区中安装在建筑物、路灯柱等场合的小型低功率基站)来提高网络密集度。这些小型基站将帮助MNO满足用户对大量数据的渴求,改善服务质量。
 
2.频谱收集
 
5G需要大量带宽。更大的带宽使运营商可以增加容量并提高数据速率,从而使用户可以更快地下载大文件并获得高分辨率的无抖动流媒体。物理层和更高层的设计与频率无关,但为每个层制定了单独的无线电性能要求。较低的频率范围(FR1)也称为sub-7GHz,即410 - 7,125 MHz频段;较高的频率范围(FR2)也称为毫米波(mmWave),范围为24.25 - 52.6 GHz。
 
为了获得FR1和FR2中的带宽,必须分配更多的频谱。目前,约40个国家和地区的监管机构已经分配了新的频率并实现了LTE频谱的重新划分,然而,这还远远不够。根据GSA的数据,有54个国家计划从现在起到2022年底分配更多频谱,以尽可能地至少解决一部分问题。
 
3. 4G到5G网络的演进
 
5G无线电接入网络(RAN)旨在与现有4G LTE网络配合使用。3GPP允许多个新无线电(NR)部署选项。因此,如下图所示,通过从非独立(NSA)到独立(SA)组网,MNO可以更轻松地迁移至5G。
 
5G部署的过渡
 
核心网
 
基站
 
手机
 
LTE操作选项1
 
eNodeB
 
控制、数据和语音流量
 
LTE
 
5G
 
芯片组
 
非独立(NSA)组网LTE + NR选项3x
 
eNodeB
 
gNodeB
 
控制、数据和语音流量(锚点)
 
数据
 
LTE
 
5G
 
芯片组
 
独立(SA)组网NR选项2
 
eNodeB
 
gNodeB
 
控制、数据和语音流量
 
LTE
 
5G
 
芯片组
 
控制
 
数据
 
IMS服务
 
*演进分组核心网
 
**5G核心网
 
1
 
4.动态频谱共享
 
动态频谱共享(DSS)是一项新技术,可以进一步帮助实现从4G到5G的平滑迁移。借助DSS,运营商可以允许4G和5G用户共享同一频谱,而不必将频谱的每个部分专用于4G或5G。这意味着运营商可以更有效地使用其网络,并根据用户需求分配容量从而优化用户体验。因此,随着5G用户数量的增加,网络可以在总容量中为每个用户动态分配更多容量。
 
5.毫米波(mmWave)
 
5G网络可以使用毫米波FR2频谱来提供最高的数据速率,在该频谱中可以使用大范围的带宽。毫米波现已成为现实:5G网络正在将其用于FWA和移动设备,并将在将来用于其它用例。随着5G网络部署的扩大和适用于家用设备的出现,运营商预计将FWA推广到更多家庭。
 
6.大规模MIMO
 
MIMO(多输入多输出)通过使用多个天线以相同的带宽传送多个数据流来提高数据速度和网络容量。当今的许多LTE基站已经使用多达8根天线来传输数据,但是5G引入了大规模MIMO,它使用32或64个天线,在将来甚至还会更多。大规模MIMO对毫米波尤为重要,因为多个天线集中了收发信号,以提高数据速率并补偿高频下的传播损耗。这极大地提升了吞吐量和能效。
 
7. RFFE创新助力5G
 
真正实现5G愿景需要创新射频前端(RFFE)技术的参与。随着手机、基站和其它设备变得越来越时尚、小巧,RFFE将需要在更少的空间中获得更强大性能,同时提高能效。一些RF技术是实现5G目标的关键;它们包括:
 
氮化镓(GaN)。GaN非常适合能够在高温下工作的大功率晶体管。GaN PA在5G中的潜力才刚刚开始被认识到。其所具备的高射频功率、低直流功耗、小尺寸和高可靠性使设备制造商可以制造体积更小、重量更轻的基站。通过GaN PA,运营商可以以更少的天线阵列单元和更低的功耗,满足毫米波传输的高效全向辐射功率(EIRP)输出规范。这使得系统重量更轻,安装成本更低。
 
BAW滤波器。5G所使用的频段及载波聚合(CA)组合的数量大幅增加,并且需要与许多其它无线标准共存,这意味着高性能滤波器对于避免干扰至关重要。表面声波(SAW)和体声波(BAW)滤波器占板面积小、性能卓越且价格适中,是5G移动设备中使用的主要滤波器类型。
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