詳細(xì)解讀MIMO與毫米波的未來(lái)，Sub-6GHz的現(xiàn)實(shí)及大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施

為了滿足 RF 前端的功率需求，原始設(shè)備制造商（OEM）開(kāi)始使用氮化鎵 （GaN）這種相對(duì)較新的商用半導(dǎo)體材料。其功率效率、功率密度以及處理更寬頻率范圍的能力使其非常適合大規(guī)模 MIMO 基站應(yīng)用。

人們對(duì)新一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) 5G 的迅速普及感到非常興奮，同時(shí)也充滿了期待。分析師預(yù)測(cè)，2020 年商用 5G 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量翻兩番；5G 連接的總數(shù)將從 2019 年的 500 萬(wàn)增長(zhǎng)到 2025 年的 28 億；到 2026 年，5G 技術(shù)的全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 6679 億美元。遺憾的是，要實(shí)現(xiàn)這些宏偉的覆蓋目標(biāo)并非易事，它需要對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（尤其是射頻電源應(yīng)用）進(jìn)行重大變革。

為了滿足 RF 前端的功率需求，原始設(shè)備制造商（OEM）開(kāi)始使用氮化鎵 （GaN）這種相對(duì)較新的商用半導(dǎo)體材料。其功率效率、功率密度以及處理更寬頻率范圍的能力使其非常適合大規(guī)模 MIMO 基站應(yīng)用。本系列文章共有四部分，將分別探討采用 GaN 的驅(qū)動(dòng)因素、GaN 的半導(dǎo)體應(yīng)用價(jià)值、嵌入式設(shè)計(jì)人員如何將 GaN 合理整合到設(shè)備中，以及未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)哪些 GaN 創(chuàng)新。

全面了解 MIMO

要想充分發(fā)揮 5G 的數(shù) Gbps 數(shù)據(jù)傳輸速度和超低延遲潛力，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商需提高所有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的性能。這意味著要對(duì)頻譜采集、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和傳輸技術(shù)進(jìn)行大量投資。無(wú)論采取何種方式實(shí)現(xiàn)，對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，在全國(guó)范圍內(nèi)部署 5G 的成本都非常高。以較低成本提供 5G 服務(wù)是普及 5G 技術(shù)的最大障礙。盡管高頻毫米波備受關(guān)注，但運(yùn)營(yíng)商目前仍采用 Sub-6GHz 大規(guī)模 MIMO 技術(shù)，以最大限度地降低成本，并在全國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中部署 5G。

MIMO（多路輸入/多路輸出）是一種無(wú)線通信的天線技術(shù)，它采用多天線發(fā)送和接收信號(hào)。

與傳統(tǒng)無(wú)線通信中通常使用單天線不同，MIMO 通過(guò)不同天線以多種信號(hào)的形式發(fā)送相同數(shù)據(jù)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，其中每個(gè)信道都向接收器傳送獨(dú)立信息，因此與傳統(tǒng)的單天線相比，MIMO 具有諸多優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)射頻信號(hào)遇到建筑物等障礙物時(shí)，信號(hào)會(huì)散射，并通過(guò)不同的路徑到達(dá)目標(biāo)接收器。在單天線系統(tǒng)中，這種多路徑傳播會(huì)導(dǎo)致接收不良、通話斷線以及數(shù)據(jù)傳輸速度急劇下降等問(wèn)題。MIMO 無(wú)線電可接收合并多個(gè)相同數(shù)據(jù)的傳輸流，因此可使用多路徑傳播來(lái)提高信號(hào)質(zhì)量和強(qiáng)度。如果傳播環(huán)境中散射足夠豐富，在分配的相同帶寬中會(huì)生成許多獨(dú)立的子信道，從而在不需要額外帶寬或功率的情況下，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和信號(hào)增益。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可專注于構(gòu)建更多天線來(lái)滿足需求，而不是更多基站。

MIMO 天線陣列還可以利用波束成形和波束控制技術(shù)將信號(hào)聚焦于單個(gè)用戶方向。單天線向所有方向傳播無(wú)線信號(hào)，而通過(guò)數(shù)字和模擬方式，多天線可以將信號(hào)聚焦到特定方向，指向接收器，這大大提高了頻譜效率和功率效率。

5G 大規(guī)模 MIMO

歷代無(wú)線技術(shù)都利用 MIMO 天線陣列技術(shù)的進(jìn)步來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)速度。3G 引入單用戶 MIMO，后者利用多個(gè)同步數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)從基站傳輸給單個(gè)用戶。4G 系統(tǒng)運(yùn)用多用戶 MIMO 技術(shù)，將不同數(shù)據(jù)流分配給不同用戶，以實(shí)現(xiàn)明顯的容量和性能優(yōu)勢(shì)。利用 5G 新無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，MIMO 可實(shí)現(xiàn)“大規(guī)?！辈渴?。4G 系統(tǒng)通常配備四個(gè)發(fā)射天線和四個(gè)接收天線，即 4x4 天線陣列。5G 大規(guī)模 MIMO 采用更多的發(fā)射和接收天線來(lái)提高發(fā)射增益和頻譜效率；有些陣列達(dá)到 256x256。

由于大規(guī)模 MIMO 采用更多天線，因此發(fā)送到接收器的信號(hào)波束要窄得多。這樣，基站就能夠更精確、更有效地向客戶提供 RF 能量。每個(gè)天線的相位和增益都是單獨(dú)控制，并且信道信息將保留在基站，所以移動(dòng)設(shè)備無(wú)需使用多個(gè)接收器天線。大量的基站天線會(huì)提高基站的信噪比，從而提高基站的容量和吞吐量。

同樣重要的是，5G 技術(shù)基于 4G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建，并且可以通過(guò)動(dòng)態(tài)頻譜共享與之前的技術(shù)共享頻譜。這樣，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商就能夠提高網(wǎng)絡(luò)容量，支持高速數(shù)據(jù)傳輸，并節(jié)約頻譜，同時(shí)盡可能降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

毫米波的未來(lái)，Sub-6 GHz 現(xiàn)實(shí)

毫米波技術(shù)（或 mmWave）和 5G 常被誤認(rèn)為是同義詞。毫米波是 5G 網(wǎng)絡(luò)使用的 24GHz 至 100GHz 射頻頻譜上的一個(gè)頻段，Sub-6 GHz 是指“低頻段”和“6 GHz 以下”頻率。由于該頻段的信號(hào)傳播損耗高，并且會(huì)被建筑物、樹(shù)葉、雨水和人體阻擋，所以之前我們認(rèn)為毫米波不適合用于移動(dòng)通信。然而，這些短波長(zhǎng)能夠在短距離內(nèi)傳輸更多數(shù)據(jù)。顯然，要想實(shí)現(xiàn) 5G 的 20Gb/s 數(shù)據(jù)速率目標(biāo)，最終需使用毫米波頻譜。雖然移動(dòng)通信領(lǐng)域的許多人都對(duì)其發(fā)展前景興奮不已，但在全國(guó)范圍內(nèi)推廣該技術(shù)所面臨的物流挑戰(zhàn)并未得到足夠的重視。

若從基站的角度來(lái)看毫米波，這一點(diǎn)就尤為明顯。毫米波基站的傳輸范圍比發(fā)射更低頻率信號(hào)的基站塔更小。據(jù)研究人員估計(jì)，為實(shí)現(xiàn)全國(guó)覆蓋，美國(guó)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商將需要構(gòu)建 1300 萬(wàn)個(gè)基站。相比之下，支持當(dāng)今美國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的基站塔數(shù)量約為 30 萬(wàn)個(gè)。由于滿足毫米波功耗要求的成本非常高，所以在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這些毫米波基站的資本支出進(jìn)一步增加。除體育館和城市熱點(diǎn)之外，未來(lái)幾年在全國(guó)部署毫米波技術(shù)是不現(xiàn)實(shí)的。

雖然 OEM 廠商在努力降低毫米波技術(shù)的成本，但 5G 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商仍將依賴于 Sub-6 GHz 頻段。低頻信號(hào)能進(jìn)一步穿透建筑物等障礙物，并在消失前覆蓋基站塔周圍更大的區(qū)域范圍，因此適合農(nóng)村和城市地區(qū)。這意味著，Sub-6 GHz 的 5G 網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)更少的基站實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍，并可使用運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有的基站。

大規(guī)模 MIMO 基礎(chǔ)設(shè)施需求

盡管 Sub-6 GHz 的 5G 網(wǎng)絡(luò)無(wú)法像毫米波技術(shù)那樣實(shí)現(xiàn)大幅的速度提升，但其大規(guī)模 MIMO 天線陣列可支持更多的同步連接，提高信號(hào)吞吐量，并在用戶覆蓋和容量之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。所以說(shuō)，Sub-6 GHz 的 5G 是更加切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)途徑。與毫米波部署相比，Sub-6 GHz 的 5G 可更迅速地提高移動(dòng)寬帶的速度和一致性。在向全集成式 5G 網(wǎng)絡(luò)邁進(jìn)的同時(shí)，它還可以即時(shí)改進(jìn)當(dāng)前的 4G 系統(tǒng)。因此，許多業(yè)內(nèi)人士希望運(yùn)營(yíng)商競(jìng)標(biāo)較低頻譜范圍，以便利用動(dòng)態(tài)頻譜共享在同一頻段提供 3G、4G 和 5G 服務(wù)。我們已看到有國(guó)際 5G 實(shí)施方案運(yùn)用了這種方法。韓國(guó)兩年前就開(kāi)始推出低頻 5G，而中國(guó)將對(duì)其整個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改革，以便在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍的 5G 覆蓋。

這并不是說(shuō) Sub-6 GHz 的 5G 部署非常簡(jiǎn)單；這些新技術(shù)也會(huì)帶來(lái)巨大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為了在 5G 基站上采用大規(guī)模 MIMO 技術(shù)，設(shè)計(jì)人員需要開(kāi)發(fā)包含數(shù)百個(gè)天線元件的高度復(fù)雜的系統(tǒng)。許多系統(tǒng)采用有源相位陣列天線，以便向特定用戶提供動(dòng)態(tài)波束成形和波束控制功能。所有這些附加天線可提高性能，但這些大型天線陣列需要更多功率，并要求使用專用的 RF 前端 （RFFE） 芯片組和放大器。

構(gòu)建 RF 前端以支持這些新的 Sub-6 GHz 5G 應(yīng)用將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。RFFE 電路對(duì) 4G 系統(tǒng)的功率輸出、選擇性和功耗都至關(guān)重要。5G 調(diào)制機(jī)制提出了額外的需求，因此無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施功率放大器 （PA） 需具備非常高的效率，才能實(shí)現(xiàn)所需的線性度。此外，峰值功率和最低功率要求之間的巨大差異會(huì)給功率放大器和 RF 前端帶來(lái)散熱問(wèn)題。
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