淺談Sub-6 GHz和毫米波技術(shù)

本文作者：Qorvo高性能解決方案經(jīng)理Roger Hall

下一代移動連接5G的迅速采用引起了很多激動和期待。分析師預(yù)測，到2020年底，商用5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量將翻兩番，5G連接的總數(shù)將從2019年的500萬增加到2025年的28億，而5G技術(shù)的全球市場將在2026年達(dá)到6679.0億美元。不幸的是，要實現(xiàn)這些雄心勃勃的覆蓋目標(biāo)并不是一件容易的事，這將需要對現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（尤其是RF功率應(yīng)用）進(jìn)行大幅修改。

為了滿足RF前端功率需求，OEM廠商開始使用氮化鎵（GaN），這是一種相對較新的商用半導(dǎo)體。它的功率效率，功率密度和更大范圍頻率處理能力使其非常適合大型MIMO基站。

了解MIMO

要充分發(fā)揮5G的高速和超低延遲的潛力，客戶需要移動運(yùn)營商提高所有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的性能。這意味著對頻譜采集，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和傳輸技術(shù)的大量投資。無論如何完成，在全國范圍內(nèi)推出5G對于移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商來說都是非常昂貴的。資金也是5G運(yùn)營的最大障礙。盡管人們對高頻毫米波的關(guān)注度很高，但運(yùn)營商仍在Sub-6GHz范圍內(nèi)實施Massive MIMO技術(shù)，以最大程度地降低成本從而推動5G。

MIMO代表“多輸入多輸出”，是一種用于無線通信的天線技術(shù)，它使用多個天線來發(fā)送和接收信號。MIMO取代了傳統(tǒng)無線通信中使用的經(jīng)典單天線，它通過不同的天線發(fā)送多個信號相同的數(shù)據(jù)。這允許空間多路復(fù)用，其中每個信道將獨立的信息傳送給接收器-與傳統(tǒng)的單天線相比，MIMO具有許多優(yōu)勢。

當(dāng)RF信號遇到建筑物等障礙物時，信號會散射并采用不同的路徑到達(dá)目標(biāo)接收器。這種多徑傳播會導(dǎo)致接收不良，通話中斷以及速率下降。 MIMO無線電接收并合并相同數(shù)據(jù)的多個流，因此可以使用多徑傳播來改善信號質(zhì)量和強(qiáng)度。如果環(huán)境散射足夠豐富，則可以在相同的分配帶寬中創(chuàng)建許多獨立的子信道，從而產(chǎn)生質(zhì)量和信號增益，而無需額外的帶寬或功率。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以專注于使用更大的天線以滿足需求，而不是更多的基站。

MIMO天線陣列還可以通過波束成形和波束控制將信號聚焦在各個用戶的方向上。單個天線可以在所有方向上廣播無線信號，通過數(shù)字和模擬方法，多個天線還可以將特定方向上的信號聚焦到接收器。這極大地提高了頻譜和功率效率。

5G規(guī)模MIMO

過去幾代的無線技術(shù)已經(jīng)利用MIMO在天線陣列技術(shù)方面的進(jìn)步來提高網(wǎng)絡(luò)速度。 3G引入了單用戶MIMO，它利用多個同時的數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)從基站傳輸?shù)絾蝹€用戶。4G系統(tǒng)使用多用戶MIMO，將不同的數(shù)據(jù)流分配給不同的用戶，以實現(xiàn)顯著的容量和性能優(yōu)勢。借助5G新無線電標(biāo)準(zhǔn)，MIMO變得足夠“龐大”。4G系統(tǒng)通常配備四個發(fā)射和四個接收天線：也就是一個4×4天線陣列。5G Massive MIMO使用更多的發(fā)射和接收天線來增加傳輸增益和頻譜效率；一些典型的MIMO天線大小為256×256。

由于大規(guī)模MIMO使用更多天線，因此發(fā)送到接收器的信號束要窄得多。它使基站能夠更精確，更有效地向用戶傳遞RF能量。每個天線的相位和增益都是單獨控制的，并且由于信道信息將保留在基站中，因此移動設(shè)備并不需要多個接收器天線。大量的基站天線增加了小區(qū)中的信噪比，從而提高了小區(qū)站點容量和吞吐量。

同樣重要的是，5G技術(shù)建立在4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)上，可以使用動態(tài)頻譜共享。這使移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商能夠增加網(wǎng)絡(luò)容量，提供高數(shù)據(jù)速率并節(jié)省頻譜，同時最大程度地減少運(yùn)營商支出。

毫米波的承諾與Sub-6 GHz的現(xiàn)實

毫米波技術(shù)（即mmWave）和5G通常被錯誤地視為同義詞。毫米波是5G網(wǎng)絡(luò)使用的24GHz至100GHz射頻頻譜上的一個頻段，與Sub-6GHz頻段并行。以前認(rèn)為毫米波不適合移動通信，因為該頻帶中的信號明顯傳輸距離有限，并容易被建筑物，樹葉，雨水和人體阻擋。但是，這些短波長能夠在短距離上傳輸更多數(shù)據(jù)。很明顯，要實現(xiàn)5G的20Gb / s數(shù)據(jù)速率目標(biāo)，最終將有必要使用毫米波頻譜。盡管許多移動通信對毫米波感到興奮，但對于在全球范圍內(nèi)推廣所需要的基站建設(shè)挑戰(zhàn)卻沒有給予足夠的重視。

當(dāng)通過基站建設(shè)來審視毫米波時，這一點變得尤為清楚。毫米波基站的范圍遠(yuǎn)小于以較低頻率發(fā)射信號的蜂窩塔。為了實現(xiàn)全國覆蓋，研究人員估計美國網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將需要建立1300萬個基站。考慮到當(dāng)今的美國移動網(wǎng)絡(luò)大約有30萬個基站，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)還有很長一段路要走。另外毫米波高昂的功耗要求進(jìn)一步加劇資本支出，因此除了在體育館和城市熱點之外，毫米波在接下來的幾年中，針對全美推廣是不現(xiàn)實的。

在OEM努力降低毫米波成本的同時，Sub-6GHz頻段將成為5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商所依賴的重要頻段。較低頻率的信號會進(jìn)一步穿透建筑物等障礙物，并在逐漸消失之前覆蓋鐵塔周圍的較大區(qū)域，從而適合于農(nóng)村和城市地區(qū)。這意味著Sub-6 GHz的5G還可以用更少的基站來做更多的事情，并使用現(xiàn)有的信號塔。

大規(guī)模MIMO基礎(chǔ)架構(gòu)要求

即使Sub-6 GHz的5G并不能提供毫米波所能帶來的巨大速度改善，其大規(guī)模MIMO天線陣列仍可以實現(xiàn)更多同時連接，提高信號吞吐量，并在用戶覆蓋范圍和容量之間實現(xiàn)最佳平衡。這是更現(xiàn)實的實施途徑。Sub-6GHz 5G的推出將比毫米波部署地更快，從而提高移動寬帶的速度和一致性。在向完全集成的5G網(wǎng)絡(luò)過渡的同時，它提供了對當(dāng)前4G系統(tǒng)的改進(jìn)。這就是為什么許多業(yè)內(nèi)人士期望運(yùn)營商競標(biāo)較低頻譜范圍的原因，他們可以利用動態(tài)頻譜共享在相同的頻譜范圍內(nèi)提供3G，4G和5G服務(wù)。我們已經(jīng)在國際5G實施中看到了這種方法。韓國于兩年前開始在較低頻率中推出5G，中國將全面改革其整個網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以在未來幾年內(nèi)實現(xiàn)全國范圍的5G覆蓋。

這并不是說Sub-6 GHz的5G易于部署；這些新技術(shù)伴隨著重大的系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)。為了在5G基站上采用大規(guī)模MIMO技術(shù)，設(shè)計師的任務(wù)是開發(fā)包含數(shù)百個天線元件的高度復(fù)雜的系統(tǒng)。許多利用有源相控陣天線來向特定用戶提供波束成形和波束調(diào)制的能力。所有這些額外的天線都具有更好的性能，但是這些大型天線陣列消耗的功率更多，并且需要專用的RF前端（RFFE）芯片組和放大器。

構(gòu)建支持這些新的Sub-6 GHz的5G應(yīng)用的RF前端將是一個挑戰(zhàn)。 RFFE電路對于4G系統(tǒng)的功率輸出，選擇性和功耗至關(guān)重要。 5G調(diào)制方案帶來了額外的需求，因此無線基礎(chǔ)設(shè)施功率放大器（PA）將需要非常高效才能實現(xiàn)必要的線性度。此外，峰值功率要求和最低功率要求之間的巨大差值也給功率放大器和RF前端帶來了散熱問題。
編輯：hfy