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设计固定无线接入 (FWA) 系统时需要考虑的 5 个因素

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发表于 2019-11-5 09:35:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 yumeii 于 2019-11-5 09:41 编辑

5G 最早的用途之一会是固定无线接入 (FWA),后者能够提供千兆级网速。向家庭、公寓或企业提供 FWA 所花费的时间和成本仅是传统电缆/光纤安装的一小部分。就像任何其他技术进步一样,FWA 带来了新的设计难题,让人们需要做出新的技术决策。下面我们将深入探讨在设计 FWA 系统时需要考虑的五个因素:


频谱选择:毫米波 (mmWave) 或 6 GHz 以下


使用天线阵列实现更快的数据速率

全数字或混合波束形成

功率放大器 (PA) 技术选择:硅锗 (SiGe) 或氮化镓 (GaN)

从现有的 RF 前端 (RFFE) 产品组合中选择组件


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#1: 频谱选择:毫米波还是 6 GHz 以下


第一个要做出的决策是 FWA 使用毫米波还是 6 GHz 以下频率:


毫米波。这类较高的频率能够以低成本提供大量的连续频谱。毫米波支持宽达 400 MHz 的分量载波,能够实现千兆级数据速率。其中的挑战是植被、建筑和干扰等障碍的影响会导致路径损耗。但是,不要认为 FWA 只能在基站与家庭之间视线障碍较少的环境中使用。实际上,FWA 在城市和郊区环境下都可以表现良好。植被和干扰确实带来了挑战,但是可以使用天线阵列提供高增益来克服这些问题。


6 GHz 以下。这类较低的频谱有助于克服障碍物导致的问题,但是也要付出一定代价。由于只能提供 100 MHz 的连续频谱,因此数据速率较低。

有效使用频率范围 (6 GHz 以下或毫米波)对于实现扩展部署来说至关重要。无论在何种情形中,进行选择时都需要均衡考虑目标速率与覆盖范围。


#2: 使用天线阵列实现更快的数据速率


FWA 系统还需要采用有源天线系统 (AAS) 和大规模 MIMO(多路输入/多路输出),以便提供千兆级服务。


AAS 提供了许多定向天线波束。这些波束在不到一微妙的时间内重新定向,进而实现波束形成,用于补偿高频率下的较大路径损耗。

大规模 MIMO 使用由数十、数百甚至数千个天线组成的阵列,能够同时向每位用户传输单个或多个数据流。这既提升了容量和可靠性,又实现了高数据速率和低延迟。波束形成还可以减少小区间干扰并优化信号覆盖。


进一步了解 AAS 和 MIMO:载波网络将如何实现 5G



#3: 全数字或混合波束形成


第三个考虑因素是采用什么类型的波束形成——全数字还是混合型。


全数字方法


在毫米波基站应用中,最显而易见的选择是升级当前的平台。您可以探索用于 6 GHz 以下频率的全数字波束形成大规模 MIMO 扩展平台,但这并不是即插即用型解决方案。


全数字方法存在以下限制:


功耗。数字波束形成需要使用许多低分辨率模数转换器 (ADC)。但是,具有高采样频率和标准有效位数分辨率的 ADC 可能产生大量功耗。这样的功耗会成为接收器的瓶颈。对于全数字波束形成解决方案来说,具有海量带宽的大型 AAS 是一个巨大挑战。从根本上说,功耗会限制这种设计。

在密集城市环境中需要使用二维扫描。所需的扫描范围取决于部署场景,如下图所示。在高密度的城市部署中,方位角(约 120°)和仰角(约 90°)方向都需要较宽的扫描范围。对于郊区部署,仰角平面的固定或有限扫描范围 (< 20°) 可能就足够了。郊区部署只需有限的扫描范围或一半的有源信道,就能够实现相同的全向性辐射功率 (EIRP),从而有效降低了功耗和成本。


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为了实现 75 dBm 的目标 EIRP 和波束形成增益,全数字解决方案在使用当今技术的情况下将需要 16 个收发器。这相当于 440 W 的总功耗。但是对于户外被动冷却、塔顶电子设备,当 RF 子系统的功耗超过 300 W 时,热管理就相当具有挑战性。因此,我们需要新的技术解决方案。


高效率的 GaN Doherty PA 和数字预失真 (DPD) 相结合或可提供所需的裕度,但是这类器件在毫米波应用中的使用仍处于研发阶段。不过也不需要太久,我们就能看到全数字波束形成解决方案。以下几个方面的发展将会使它成为现实:


新一代节能的数模转换器和模数转换器


毫米波 CMOS 收发器进步


小信号集成度提高


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混合方法


另一种方法是混合波束形成,其中预编码和组合在基带和 RF 前端模块 (FEM) 区域中完成。由于 RF 链、模数转换器和数模转换器的总数量有所减少,混合波束形成既能实现与数字波束形成相似的性能,同时又可以节省能源并降低复杂度。


混合波束形成的另一个优势是,可以同时满足郊区部署的固定或有限扫描范围(< 20°)和高密度城市部署所需的宽方位角(约 120°)和仰角(约 90°)扫描范围。


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总的来说:全数字方法和混合方法各有利弊。我们认为,目前混合方法更具吸引力和可行性,但是在未来,即将问世的新产品可能会使全数字方法同样具有吸引力。


#4: PA 技术选择:SiGe 还是 GaN


在选择用于 FWA 前端的技术时,需要考虑系统在 EIRP、天线增益和噪声系数 (NF) 方面的需求。这些都由波束形成增益确定,而波束形成增益则由阵列大小确定。目前,您可以选择使用 SiGe 前端或 GaN 前端来满足所需的系统需求。


美国联邦通信委员会 (FCC) 已经规定了 28 GHz 和 39 GHz 频谱的 EIRP 最高限值,如下表所示。


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为了使用均匀矩形阵列实现 75 dBm EIRP,每个信道的 PA 功率输出将随着元件数量的增加(即波束形成增益的增加)而减少。如下图所示,随着阵列大小变得越来越大(超过 512 个有源元件),每个元件的输出功率将变得足够小,以便使用 SiGe PA,然后 SiGe PA 集成至核心波束形成器 RFIC 中。


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从下表可以看出,SiGe PA 可以通过 1024 个有源信道实现 65 dBm EIRP。但是,如果前端采用 GaN 技术,则实现相同 EIRP 所需的信道数减少到 1/16。


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GaN FWA 前端还具备以下优点:


总功耗更低。为确保比较的准确性,GaN 功耗还包括馈入前端所需的 128 个波束形成器分支的 19.2W 功耗。如下图所示,在目标 EIRP 为 65 dBm 时,GaN 的总功耗 (127 Pdiss) 低于 SiGe。这对于塔顶系统设计来说较为有利。


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可靠性更高。GaN 比 SiGe 更为可靠,在 200°C 结温条件下的 MTTF 超过 107 小时。而 SiGe 的结温限制大约为 130°C。


尺寸更小,复杂度更低。GaN 的高功率能力可以减少阵列元件数量和阵列尺寸,从而简化了装配过程,并缩小了整个系统尺寸。

总而言之:在无线基础设施中,设备寿命必须至少为 10 年,因此可靠性至关重要。对于 FWA 来说,综合考虑可靠性、成本、低功耗和阵列尺寸后,选择 GaN 比选择 SiGe 更好。


#5: 从现有的 RF 技术中选择


最后一个考虑因素是选择实际应用中正在使用的产品解决方案。多家 RF 公司已经有意支持研发 6 GHz 以下和厘米波/毫米波 FWA 基础设施。例如,Qorvo 已经在供应相关产品,用于多个第 1 层和第 2 层供应商现场试验。在整个 RF 行业,FWA 产品示例包括:


6 GHz 以下频率产品:双通道开关/LNA 模块和集成式 Doherty PA 模块

厘米波/毫米波:集成式发送/接收模块

此外,在 5G 基础设施领域中,还必须考虑以下几个因素:


集成


满足高温条件下的被动冷却需求


为了响应这些趋势,Qorvo 已经打造了用于厘米波/毫米波的集成发送和接收模块,以及集成式 GaN 前端模块。这些集成模块包括 PA、开关和 LNA,并且具有高增益,能够驱动核心波束形成器 RFIC。为了满足基础设施的被动式冷却规格要求,我们采用碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 来支持更高的结温条件。


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FWA 时代即将到来


FWA 已经开始实施,很快就能实现完全商业化。目前,我们认为混合波束形成是最佳的解决方法。此外,GaN 与 SiGe 核心波束形成可以满足 75 dBm 的 FCC EIRP 目标和 100 MHz 的基站目标。这种方法还可以最大限度地降低成本、复杂度、尺寸和功耗。



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