全面了解 Sub-6Ghz 大规模 MIMO 基础设施

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为了满足 RF 前端的功率需求,原始设备制造商(OEM)开始使用氮化镓 (GaN)这种相对较新的商用半导体材料。其功率效率、功率密度以及处理更宽频率范围的能力使其非常适合大规模 MIMO 基站应用。

人们对新一代移动网络 5G 的迅速普及感到非常兴奋,同时也充满了期待。分析师预测,2020 年商用 5G 网络的数量翻两番;5G 连接的总数将从 2019 年的 500 万增长到 2025 年的 28 亿;到 2026 年,5G 技术的全球市场规模将达到 6679 亿美元。遗憾的是,要实现这些宏伟的覆盖目标并非易事,它需要对现有移动网络基础设施(尤其是射频电源应用)进行重大变革。

2.1

(来源:维基百科)

为了满足 RF 前端的功率需求,原始设备制造商(OEM)开始使用氮化镓 (GaN)这种相对较新的商用半导体材料。其功率效率、功率密度以及处理更宽频率范围的能力使其非常适合大规模 MIMO 基站应用。本系列文章共有四部分,将分别探讨采用 GaN 的驱动因素、GaN 的半导体应用价值、嵌入式设计人员如何将 GaN 合理整合到设备中,以及未来将会出现哪些 GaN 创新。

全面了解 MIMO

要想充分发挥 5G 的数 Gbps 数据传输速度和超低延迟潜力,移动运营商需提高所有网络参数的性能。这意味着要对频谱采集、网络基础设施和传输技术进行大量投资。无论采取何种方式实现,对移动网络运营商来说,在全国范围内部署 5G 的成本都非常高。以较低成本提供 5G 服务是普及 5G 技术的最大障碍。尽管高频毫米波备受关注,但运营商目前仍采用 Sub-6GHz 大规模 MIMO 技术,以最大限度地降低成本,并在全国移动网络中部署 5G。

MIMO(多路输入/多路输出)是一种无线通信的天线技术,它采用多天线发送和接收信号。

与传统无线通信中通常使用单天线不同,MIMO 通过不同天线以多种信号的形式发送相同数据。这样就可以实现空间复用,其中每个信道都向接收器传送独立信息,因此与传统的单天线相比,MIMO 具有诸多优势。

当射频信号遇到建筑物等障碍物时,信号会散射,并通过不同的路径到达目标接收器。在单天线系统中,这种多路径传播会导致接收不良、通话断线以及数据传输速度急剧下降等问题。MIMO 无线电可接收合并多个相同数据的传输流,因此可使用多路径传播来提高信号质量和强度。如果传播环境中散射足够丰富,在分配的相同带宽中会生成许多独立的子信道,从而在不需要额外带宽或功率的情况下,实现质量和信号增益。网络运营商可专注于构建更多天线来满足需求,而不是更多基站。

MIMO 天线阵列还可以利用波束成形和波束控制技术将信号聚焦于单个用户方向。单天线向所有方向传播无线信号,而通过数字和模拟方式,多天线可以将信号聚焦到特定方向,指向接收器,这大大提高了频谱效率和功率效率。

5G 大规模 MIMO

历代无线技术都利用 MIMO 天线阵列技术的进步来提高网络速度。3G 引入单用户 MIMO,后者利用多个同步数据流将数据从基站传输给单个用户。4G 系统运用多用户 MIMO 技术,将不同数据流分配给不同用户,以实现明显的容量和性能优势。利用 5G 新无线标准,MIMO 可实现“大规模”部署。4G 系统通常配备四个发射天线和四个接收天线,即 4x4 天线阵列。5G 大规模 MIMO 采用更多的发射和接收天线来提高发射增益和频谱效率;有些阵列达到 256x256。

由于大规模 MIMO 采用更多天线,因此发送到接收器的信号波束要窄得多。这样,基站就能够更精确、更有效地向客户提供 RF 能量。每个天线的相位和增益都是单独控制,并且信道信息将保留在基站,所以移动设备无需使用多个接收器天线。大量的基站天线会提高基站的信噪比,从而提高基站的容量和吞吐量。

同样重要的是,5G 技术基于 4G 网络基础设施构建,并且可以通过动态频谱共享与之前的技术共享频谱。这样,移动网络运营商就能够提高网络容量,支持高速数据传输,并节约频谱,同时尽可能降低运营费用。

毫米波的未来,Sub-6 GHz 现实

毫米波技术(或 mmWave)和 5G 常被误认为是同义词。毫米波是 5G 网络使用的 24GHz 至 100GHz 射频频谱上的一个频段,Sub-6 GHz 是指“低频段”和“6 GHz 以下”频率。由于该频段的信号传播损耗高,并且会被建筑物、树叶、雨水和人体阻挡,所以之前我们认为毫米波不适合用于移动通信。然而,这些短波长能够在短距离内传输更多数据。显然,要想实现 5G 的 20Gb/s 数据速率目标,最终需使用毫米波频谱。虽然移动通信领域的许多人都对其发展前景兴奋不已,但在全国范围内推广该技术所面临的物流挑战并未得到足够的重视。

若从基站的角度来看毫米波,这一点就尤为明显。毫米波基站的传输范围比发射更低频率信号的基站塔更小。据研究人员估计,为实现全国覆盖,美国网络运营商将需要构建 1300 万个基站。相比之下,支持当今美国移动网络的基站塔数量约为 30 万个。由于满足毫米波功耗要求的成本非常高,所以在全国范围内实现这些毫米波基站的资本支出进一步增加。除体育馆和城市热点之外,未来几年在全国部署毫米波技术是不现实的。

虽然 OEM 厂商在努力降低毫米波技术的成本,但 5G 网络运营商仍将依赖于 Sub-6 GHz 频段。低频信号能进一步穿透建筑物等障碍物,并在消失前覆盖基站塔周围更大的区域范围,因此适合农村和城市地区。这意味着,Sub-6 GHz 的 5G 网络可通过更少的基站实现更大的覆盖范围,并可使用运营商现有的基站。

大规模 MIMO 基础设施需求

尽管 Sub-6 GHz 的 5G 网络无法像毫米波技术那样实现大幅的速度提升,但其大规模 MIMO 天线阵列可支持更多的同步连接,提高信号吞吐量,并在用户覆盖和容量之间实现最佳平衡。所以说,Sub-6 GHz 的 5G 是更加切实可行的实现途径。与毫米波部署相比,Sub-6 GHz 的 5G 可更迅速地提高移动宽带的速度和一致性。在向全集成式 5G 网络迈进的同时,它还可以即时改进当前的 4G 系统。因此,许多业内人士希望运营商竞标较低频谱范围,以便利用动态频谱共享在同一频段提供 3G、4G 和 5G 服务。我们已看到有国际 5G 实施方案运用了这种方法。韩国两年前就开始推出低频 5G,而中国将对其整个网络基础设施进行改革,以便在未来几年内实现全国范围的 5G 覆盖。

这并不是说 Sub-6 GHz 的 5G 部署非常简单;这些新技术也会带来巨大的系统设计挑战。为了在 5G 基站上采用大规模 MIMO 技术,设计人员需要开发包含数百个天线元件的高度复杂的系统。许多系统采用有源相位阵列天线,以便向特定用户提供动态波束成形和波束控制功能。所有这些附加天线可提高性能,但这些大型天线阵列需要更多功率,并要求使用专用的 RF 前端 (RFFE) 芯片组和放大器。

构建 RF 前端以支持这些新的 Sub-6 GHz 5G 应用将是一项挑战。RFFE 电路对 4G 系统的功率输出、选择性和功耗都至关重要。5G 调制机制提出了额外的需求,因此无线基础设施功率放大器 (PA) 需具备非常高的效率,才能实现所需的线性度。此外,峰值功率和最低功率要求之间的巨大差异会给功率放大器和 RF 前端带来散热问题。

作者:Roger Hall, Qorvo 高性能解决方案业务部总经理

在本系列下一篇文章中,我们将探讨业界如何进行创新,以满足 5G 对嵌入式系统的新要求,从而推动从传统 LDMOS 放大器向基于 GaN 的解决方案转变。

来源: Qorvo半导体

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