5G小基站,你需要了解这些!

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本文来自Qorvo半导体
 
小基站的作用随着“G”的增加而增加。因此获取有关最新小基站的发展趋势、有用见解以及如何克服 5G 的一些RF 挑战的实际建议就显得尤为重要。
 
在本篇博客里,Qorvo分享了一些我们看到的现象。
 
2019 年小基站市场更新
 
小基站部署已转向大规模密集化,提高跨多个位置和地址的运营商网络的容量,从而增加消费者和企业移动宽带需求。有效满足所有 5G 用例所需的小基站部署数目庞大,因此 5G 使密集化挑战变得更加严峻。
 
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在小基站技术论坛市场更新中,78 家全球移动运营商被要求列出其密集化的所有原因。最重要的因素与容量和成本增加有关。
 
40% 的运营商认为首要原因是用来支持增强质量体验的密集容量,因为这会影响流失率降低和客户满意度。
 
38% 的运营商表示,投资小基站的原因是能够降低总容量成本。
 
移动网络运营商 (MNO) 希望支持更高级别的数据使用和客户对高质量体验不断增长的期望。他们必须在服务于多个市场的同时实现盈利。小基站密集化有助于实现此目标,同时将拥有成本保持在可控水平。
 
根据小基站技术论坛预测,到 2025 年,小基站部署和升级将达到 1025 万无线电,其中 840 万为非住宅部署。企业部署位居首位,达 550 万台,其次是城市部署。(参见图 1)
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图 1.(数据来源:小基站技术论坛)
 
2017 年至 2019 年同比增长 40%,归因于中国市场的容量密集化。在 2020 年及以后,由于企业用例(如制造自动化、物联网、航运港等)数量众多,市场将保持 20% 的稳定增长率。虽然北美的小基站密集化一直很缓慢,但市民频段无线电服务 (CBRS 3.5 GHz) 的部署未来将有望增加。
 
大多数非住宅室内小基站在支持私营企业活动的企业环境中是面向公众的。室外小基站将为城市、郊区或农村环境中的 MNO 公共网络提供服务。其中大多数室内小基站由 2.4 GHz 及更低频率驱动,而中国市场推动室外小基站的增长。在 5G 时代,小基站市场增长将在很大程度上与工业和物联网服务有关。
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图 2.(数据来源:小基站技术论坛)
 
 
适用于 5G 网络的小基站
 
小基站的目的是通过增强网络容量并扩大覆盖范围,来减轻宏蜂窝的负载。小基站仅限用于密集区域和室内(如体育馆、购物中心等),在这些地方,宏信号穿透能力不足。为此,小基站在用于 4G LTE 覆盖范围和容量增强方面一直很受欢迎。如今,随着市场转向 5G,将打开一个全新的频谱,在 2.6 至 5 GHz 范围内提供超过 100MHz 的连续带宽。这一额外频谱将支持高数据速率和新市场机遇。此外,高阶多输入多输出 (MIMO) 是标准宏架构,可实现更高的吞吐量和数据速率。在提高 5G 容量和扩大室内覆盖范围方面,小基站将继续发挥重要的作用。
 
过去,小基站一直采用 2 发送/2 接收 (2T/2R) MIMO 配置部署,而通过 5G,该架构将扩展至 4T/4R 以提高吞吐量。这些小基站与使用大规模 MIMO 的 5G 宏蜂窝连接,从而在 32T/32R 和 64T/64R 配置中利用 AAS(有源天线系统)。这可通过在用户覆盖范围和容量之间实现最佳平衡来最大限度地提高运营商的频谱效率(单位 Hz 位数)。
 
自从 4G LTE-A PRO 和 5G 标准发布以来,大规模 MIMO就一直是网络不可或缺的一部分(请参见图 3)。在 5G 时代,MNO 将以比前代更快的速率部署小基站,因为密集化是首要任务。
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图 3
 
如图 3 所示,由于大规模 MIMO 和小基站集成,LTE-A 网络容量大幅提升。而有了 5G,容量进一步增加。波束成形和高级天线阵列架构也有助于减少同基站干扰。这种新的架构设计通过小基站增加带宽,使能量更加集中,减少干扰,并提升容量。
 
 
RF 前端设计挑战和解决方案
 
典型小基站包括许可蜂窝和 LTE 未许可 (LTE-U) 频段无线电。此外,网络边缘的小基站中也在推动物联网实现 – 用于家庭、企业和汽车通信。
 
那么,制造商和供应商在开发小基站系统时面临哪些挑战?低资本支出、产品差异化、一流的性能和快速上市时间是制造商面临的一些主要挑战。另外,他们还需要在提升容量而增加频谱和密集化之间做出最重要的权衡决定。图 4 显示如何使用各种 RF 前端解决方案应对设计挑战的高级视图。
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图 4
 
频段数增加。就像移动设备越来越复杂一样,小基站也必须变得更具多面性。频段数也已增加,现在达到 52 个。频段也移动至超过 3 GHz,且具有 n77、n78 和 n79 等新的 5G NR 频段。在小基站中加入额外的频段以及采用 4T4R MIMO 无线电配置有助于实现载波聚合 (CA) 以进一步提高网络容量和数据速度。大量 RF 前端元件从一个来源提供多频段解决方案是最优方案。这可以缩短小基站制造商的设计时间和减少供应商认证。
 
更大带宽要求。如前所述,容量扩展需要更多的频谱。无线电容量必须增加,才能达到 5G 的高数据速率期望。要满足 5G 的无线电容量,小基站前端将需要使用宽带宽放大,因为窄频段设备再也不能满足需要。RF 产品组合同时涵盖 LTE-A PRO 和 5G 频段至关重要,因为它会为小基站制造商提供设计和最小存货单位 (SKU) 灵活性。此外,提供更宽的带宽 RF 元件有助于以更少的分立式元件满足增加的带宽要求,从而缩短设计时间和上市时间。
 
频段和标准的共存。运营商必须满足 4G LTE、5G 和未许可频段的容量和数据速率要求。小基站制造商必须设计能够减少所有这些频段和标准(即 LTE、5G、Wi-Fi 等)之间的干扰的设备。小基站设备内部和设备周围可能发生这些干扰。使用 BAW 滤波器是减少干扰的最佳防御措施,这些滤波器尺寸小,可提供陡峭带缘裙边,并可满足高功率要求而不会损坏。
 
输出功率在增加。最近,平均 PA 输出功率电平有提高的趋势。小基站制造商正在请求更高的 RF PA 输出功率电平以增加设计灵活性。这有助于他们将设计扩展到需要更大覆盖范围和容量的不同细分市场。但是,对于 PA 设计人员来说,这一要求确实增加了一定程度的复杂性,他们需要在增加 PA 输出功率的同时保持较高的线性度和效率。最近,PA 输出功率要求约增加了 3 dB。增加的功率电平限值也增加了带外失真的可能性,使得制造商很难满足频谱发射屏蔽要求。寻找提供可满足这些高功率要求的 PA 产品的 RF 供应商有助于缩短设计时间,并可减少 RF 链中的元件。
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图 5
 
PA 可最有效地接近饱和。但是,如图 5 所示,PA 接近饱和可生成带外失真元件。通过使用一种称为数字预失真 (DPD) 的设计方法,PA 可运行到更接近饱和的状态,并将带外失真减至最小。DPD 是一种利用数字信号处理技术消除失真的软件设计方法。采用该方法可对 PA 进行最优设计,以降低功耗但达到类似的输出功率,同时仍保持与线性 PA 一样的所需频谱屏蔽要求。这种方法已运用多年,广泛用于无线基础设施应用。许多 RF 元件供应商既提供 DPD 元件,也提供非 DPD 元件,让小基站制造商拥有设计和 SKU 灵活性。
 
尺寸、重量和功耗 (SWaP) 需要更高效的设备。随着小基站的部署(如在灯柱、城市长椅、井盖下等),需要更小、效率更高的元件。如上所述,控制失真和保持线性度优化有助于获得更高的输出功率并实现 SWaP。
 
一般来说,小基站制造商需要 RF PA 具有最小 35% 的功率附加效率 (PAE),因为该效率可提供低功耗和低运行成本。设备尺寸取决于最终用户放置的位置,如公园长椅或标杆。要满足客户对外形尺寸的期望,RF 元件制造商必须创造更具线性和更高能效的设备。只有这样,他们才能满足尺寸限制、功率输出和较低功耗的要求。
 
共同打造未来
 
小基站演变有诸多驱动因素,包括 5G 密集化部署。小基站变得越来越多层面,集成更多频段、带宽、更高的线性度和效率,帮助 MNO 满足迫切的投资回报率需求。Qorvo 通过提供 PA、LNA、滤波器、双信器、开关和前端模块的广泛产品组合,在这一发展进程中,为小基站供应链设计人员和运营商提供支持。
 
 
下面是 Qorvo RF 前端元件的非详尽列表以及 FDD 和 TDD 小基站应用框图。
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图 6.小基站 FDD 和 TDD 框图
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表 1
 
 
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