設(shè)計(jì)固定無線接入 (FWA) 系統(tǒng)時(shí)需要考慮的 5 個(gè)因素

5G最早的用途之一會(huì)是固定無線接入(FWA)，后者能夠提供千兆級(jí)網(wǎng)速。向家庭、公寓或企業(yè)提供 FWA 所花費(fèi)的時(shí)間和成本僅是傳統(tǒng)電纜/光纖安裝的一小部分。就像任何其他技術(shù)進(jìn)步一樣，F(xiàn)WA 帶來了新的設(shè)計(jì)難題，讓人們需要做出新的技術(shù)決策。下面我們將深入探討在設(shè)計(jì) FWA 系統(tǒng)時(shí)需要考慮的五個(gè)因素：

頻譜選擇：毫米波(mmWave) 或 6 GHz 以下

使用天線陣列實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率

全數(shù)字或混合波束形成

功率放大器 (PA) 技術(shù)選擇：硅鍺 (SiGe) 或氮化鎵 (GaN)

從現(xiàn)有的 RF 前端 (RFFE) 產(chǎn)品組合中選擇組件

#1: 頻譜選擇：毫米波還是 6 GHz 以下

第一個(gè)要做出的決策是 FWA 使用毫米波還是 6 GHz 以下頻率：

毫米波。這類較高的頻率能夠以低成本提供大量的連續(xù)頻譜。毫米波支持寬達(dá) 400 MHz 的分量載波，能夠?qū)崿F(xiàn)千兆級(jí)數(shù)據(jù)速率。其中的挑戰(zhàn)是植被、建筑和干擾等障礙的影響會(huì)導(dǎo)致路徑損耗。但是，不要認(rèn)為 FWA 只能在基站與家庭之間視線障礙較少的環(huán)境中使用。實(shí)際上，F(xiàn)WA 在城市和郊區(qū)環(huán)境下都可以表現(xiàn)良好。植被和干擾確實(shí)帶來了挑戰(zhàn)，但是可以使用天線陣列提供高增益來克服這些問題。

6 GHz 以下。這類較低的頻譜有助于克服障礙物導(dǎo)致的問題，但是也要付出一定代價(jià)。由于只能提供 100 MHz 的連續(xù)頻譜，因此數(shù)據(jù)速率較低。

有效使用頻率范圍 （6 GHz 以下或毫米波）對(duì)于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展部署來說至關(guān)重要。無論在何種情形中，進(jìn)行選擇時(shí)都需要均衡考慮目標(biāo)速率與覆蓋范圍。

#2: 使用天線陣列實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率

FWA 系統(tǒng)還需要采用有源天線系統(tǒng)(AAS) 和大規(guī)模 MIMO（多路輸入/多路輸出），以便提供千兆級(jí)服務(wù)。

AAS提供了許多定向天線波束。這些波束在不到一微妙的時(shí)間內(nèi)重新定向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波束形成，用于補(bǔ)償高頻率下的較大路徑損耗。

大規(guī)模 MIMO使用由數(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)天線組成的陣列，能夠同時(shí)向每位用戶傳輸單個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)流。這既提升了容量和可靠性，又實(shí)現(xiàn)了高數(shù)據(jù)速率和低延遲。波束形成還可以減少小區(qū)間干擾并優(yōu)化信號(hào)覆蓋。

進(jìn)一步了解 AAS 和 MIMO：載波網(wǎng)絡(luò)將如何實(shí)現(xiàn)5G

#3: 全數(shù)字或混合波束形成

第三個(gè)考慮因素是采用什么類型的波束形成——全數(shù)字還是混合型。

全數(shù)字方法

在毫米波基站應(yīng)用中，最顯而易見的選擇是升級(jí)當(dāng)前的平臺(tái)。您可以探索用于 6 GHz 以下頻率的全數(shù)字波束形成大規(guī)模 MIMO 擴(kuò)展平臺(tái)，但這并不是即插即用型解決方案。

全數(shù)字方法存在以下限制：

功耗。數(shù)字波束形成需要使用許多低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。但是，具有高采樣頻率和標(biāo)準(zhǔn)有效位數(shù)分辨率的 ADC 可能產(chǎn)生大量功耗。這樣的功耗會(huì)成為接收器的瓶頸。對(duì)于全數(shù)字波束形成解決方案來說，具有海量帶寬的大型 AAS 是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。從根本上說，功耗會(huì)限制這種設(shè)計(jì)。

在密集城市環(huán)境中需要使用二維掃描。所需的掃描范圍取決于部署場(chǎng)景，如下圖所示。在高密度的城市部署中，方位角（約 120°）和仰角（約 90°）方向都需要較寬的掃描范圍。對(duì)于郊區(qū)部署，仰角平面的固定或有限掃描范圍 (< 20°) 可能就足夠了。郊區(qū)部署只需有限的掃描范圍或一半的有源信道，就能夠?qū)崿F(xiàn)相同的全向性輻射功率(EIRP)，從而有效降低了功耗和成本。

記住：陣列大小取決于以下方面：

掃描范圍（方位角和仰角）

所需的 EIRP

EIRP是以下幾個(gè)數(shù)值的乘積：:

有源信道的數(shù)量

每個(gè)信道的傳導(dǎo)發(fā)射功率

波束形成增益（陣列系數(shù)）

固有天線元件增益

為了實(shí)現(xiàn) 75 dBm 的目標(biāo) EIRP 和波束形成增益，全數(shù)字解決方案在使用當(dāng)今技術(shù)的情況下將需要 16 個(gè)收發(fā)器。這相當(dāng)于 440 W 的總功耗。但是對(duì)于戶外被動(dòng)冷卻、塔頂電子設(shè)備，當(dāng) RF 子系統(tǒng)的功耗超過 300 W 時(shí)，熱管理就相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。因此，我們需要新的技術(shù)解決方案。

高效率的 GaN Doherty PA 和數(shù)字預(yù)失真 (DPD) 相結(jié)合或可提供所需的裕度，但是這類器件在毫米波應(yīng)用中的使用仍處于研發(fā)階段。不過也不需要太久，我們就能看到全數(shù)字波束形成解決方案。以下幾個(gè)方面的發(fā)展將會(huì)使它成為現(xiàn)實(shí)：

新一代節(jié)能的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

毫米波 CMOS 收發(fā)器進(jìn)步

小信號(hào)集成度提高

混合方法

另一種方法是混合波束形成，其中預(yù)編碼和組合在基帶和 RF 前端模塊 (FEM) 區(qū)域中完成。由于 RF 鏈、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的總數(shù)量有所減少，混合波束形成既能實(shí)現(xiàn)與數(shù)字波束形成相似的性能，同時(shí)又可以節(jié)省能源并降低復(fù)雜度。

混合波束形成的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，可以同時(shí)滿足郊區(qū)部署的固定或有限掃描范圍（< 20°）和高密度城市部署所需的寬方位角（約 120°）和仰角（約 90°）掃描范圍。

總的來說：全數(shù)字方法和混合方法各有利弊。我們認(rèn)為，目前混合方法更具吸引力和可行性，但是在未來，即將問世的新產(chǎn)品可能會(huì)使全數(shù)字方法同樣具有吸引力。

#4: PA 技術(shù)選擇：SiGe 還是 GaN

在選擇用于 FWA 前端的技術(shù)時(shí)，需要考慮系統(tǒng)在 EIRP、天線增益和噪聲系數(shù) (NF) 方面的需求。這些都由波束形成增益確定，而波束形成增益則由陣列大小確定。目前，您可以選擇使用 SiGe 前端或 GaN 前端來滿足所需的系統(tǒng)需求。

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 已經(jīng)規(guī)定了 28 GHz 和 39 GHz 頻譜的 EIRP 最高限值，如下表所示。

為了使用均勻矩形陣列實(shí)現(xiàn) 75 dBm EIRP，每個(gè)信道的 PA 功率輸出將隨著元件數(shù)量的增加（即波束形成增益的增加）而減少。如下圖所示，隨著陣列大小變得越來越大（超過 512 個(gè)有源元件），每個(gè)元件的輸出功率將變得足夠小，以便使用 SiGe PA，然后 SiGe PA 集成至核心波束形成器 RFIC 中。

從下表可以看出，SiGe PA 可以通過 1024 個(gè)有源信道實(shí)現(xiàn) 65 dBm EIRP。但是，如果前端采用 GaN 技術(shù)，則實(shí)現(xiàn)相同 EIRP 所需的信道數(shù)減少到 1/16。

GaN FWA 前端還具備以下優(yōu)點(diǎn)：

總功耗更低。為確保比較的準(zhǔn)確性，GaN 功耗還包括饋入前端所需的 128 個(gè)波束形成器分支的 19.2W 功耗。如下圖所示，在目標(biāo) EIRP 為 65 dBm 時(shí)，GaN 的總功耗 (127Pdiss) 低于 SiGe。這對(duì)于塔頂系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說較為有利。

可靠性更高。GaN 比 SiGe 更為可靠，在 200°C 結(jié)溫條件下的 MTTF 超過 107 小時(shí)。而 SiGe 的結(jié)溫限制大約為 130°C。

尺寸更小，復(fù)雜度更低。GaN 的高功率能力可以減少陣列元件數(shù)量和陣列尺寸，從而簡(jiǎn)化了裝配過程，并縮小了整個(gè)系統(tǒng)尺寸。

總而言之：在無線基礎(chǔ)設(shè)施中，設(shè)備壽命必須至少為 10 年，因此可靠性至關(guān)重要。對(duì)于 FWA 來說，綜合考慮可靠性、成本、低功耗和陣列尺寸后，選擇 GaN 比選擇 SiGe 更好。

#5: 從現(xiàn)有的 RF 技術(shù)中選擇

最后一個(gè)考慮因素是選擇實(shí)際應(yīng)用中正在使用的產(chǎn)品解決方案。多家 RF 公司已經(jīng)有意支持研發(fā) 6 GHz 以下和厘米波/毫米波 FWA 基礎(chǔ)設(shè)施。例如，Qorvo 已經(jīng)在供應(yīng)相關(guān)產(chǎn)品，用于多個(gè)第 1 層和第 2 層供應(yīng)商現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在整個(gè) RF 行業(yè)，F(xiàn)WA 產(chǎn)品示例包括：

6 GHz 以下頻率產(chǎn)品：雙通道開關(guān)/LNA 模塊和集成式 Doherty PA 模塊

厘米波/毫米波：集成式發(fā)送/接收模塊

此外，在 5G 基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域中，還必須考慮以下幾個(gè)因素：

集成

滿足高溫條件下的被動(dòng)冷卻需求

為了響應(yīng)這些趨勢(shì)，Qorvo 已經(jīng)打造了用于厘米波/毫米波的集成發(fā)送和接收模塊，以及集成式 GaN 前端模塊。這些集成模塊包括 PA、開關(guān)和 LNA，并且具有高增益，能夠驅(qū)動(dòng)核心波束形成器 RFIC。為了滿足基礎(chǔ)設(shè)施的被動(dòng)式冷卻規(guī)格要求，我們采用碳化硅基氮化鎵 (GaN-on-SiC) 來支持更高的結(jié)溫條件。

有關(guān) Qorvo FWA 解決方案的更多信息，請(qǐng)單擊以下圖片或訪問我們的5G基礎(chǔ)設(shè)施頁面，在那里您可以找到產(chǎn)品詳細(xì)信息和交互式框圖。

進(jìn)一步了解以下產(chǎn)品：

QPA3503, QPA4501, QPA2705

QPB9318, QPB9319, QPB9328, QPB9329

進(jìn)一步了解以下產(chǎn)品：

TGP2100, QPC1000

TGA2594-HM

QPF4005

QPF4006

FWA 時(shí)代即將到來

FWA 已經(jīng)開始實(shí)施，很快就能實(shí)現(xiàn)完全商業(yè)化。目前，我們認(rèn)為混合波束形成是最佳的解決方法。此外，GaN 與 SiGe 核心波束形成可以滿足 75 dBm 的 FCC EIRP 目標(biāo)和 100 MHz 的基站目標(biāo)。這種方法還可以最大限度地降低成本、復(fù)雜度、尺寸和功耗。

審核編輯黃昊宇