探討5G通信行業(yè)的未來發(fā)展趨勢

ADI公司無線技術總監(jiān)Thomas Cameron博士曾經談到第五代通信技術的ADI解決方案和開發(fā)情況，以及其未來。 Cameron博士擁有超過30年的電信網絡技術研發(fā)經驗，包括蜂窩基站、微波無線電以及電纜系統，在接下來的內容中我們分享了他的專業(yè)見解。

談談5G通信及其未來

5G進展順利，許多現場試驗已完成，還有許多其他工作正在全球穩(wěn)步進行。GSA最近發(fā)布的5G試驗快照報告顯示，迄今全球已確定了326個以上的單獨5G試驗和示范，約有62個國家和地區(qū)的134家移動運營商宣布了5G試驗。雖然其中許多試驗都側重于展示更高吞吐量，但5G頗具靈活性，其提供的新特性將實現新用例。5G為無線標準奠定基礎，帶領我們走進2030年和未來。

展望未來，隨著視頻共享在社會中越來越普遍，移動數據的產生和消耗絲毫沒有減緩。但是，隨著我們進入即將到來的機器時代，在未來，連接也意味著與我們身邊的世界相連。我們正邁入數字轉型時代，屆時，我們每天的生活方式、工作方式以及移動方式都將發(fā)生翻天覆地的變化。雖然當前智能手機充當人與信息之間的接口，但未來的設備將積極地相互通信，不受人類互動的影響，通過密集的互連傳感器網絡監(jiān)控我們周圍的環(huán)境。以高可靠性和低延遲連接每個人、連接萬物的強大移動網絡，是即將到來的數字轉型的核心。

雖然作為工程師，我們更關注帶寬、延遲等新興規(guī)范，但5G的基礎之一是靈活性。如果我們觀察這些規(guī)范是如何形成的，就可以看到人們正在定義波形，希望通過規(guī)定還未預想到的用例來實現目前設想的一系列用例。

從較高層面來看，實現三大用例的目標推動著5G的發(fā)展

增強移動寬帶(eMBB)

大規(guī)模機器類通信(mMTC)

高可靠低延遲通信(uRLLC)

目前，行業(yè)5G焦點的相當一部分是增強移動寬帶，利用中頻和高頻頻譜中的波束成型技術向高網絡容量和更高吞吐量發(fā)展。我們也開始看到利用5G網絡架構低延遲特性的用例興起，例如工業(yè)自動化。

無線電技術在哪些方面對5G貢獻最大？

增強移動寬帶推動了對更高數據吞吐量和更高網絡容量的需求。蜂窩基站容量可通過三大措施予以提高：獲得新頻譜，提高基站密度，以及改善頻譜效率。雖然我們不斷看到全球為移動應用提供新的頻譜，并且網絡密度通過增加小型蜂窩而提高，但仍然非常需要改進可用頻譜的利用率。

近年來興起的大規(guī)模MIMO技術可顯著改善頻譜效率。大規(guī)模MIMO涉及到使用大量有源天線元件，這些天線可以通過相干方式進行調整，以精確地將信號傳遞給空間中的目標用戶，同時控制對其他用戶的干擾。大量天線與信號處理算法相結合，使系統實質上將頻率復用擴展到微觀尺度。這給頻率復用引入了一個新因素，現在可以使用空間讓基站能同時并在同一頻譜中向多個用戶傳送獨立的數據流。這導致頻譜效率大幅提高，進而大大改善蜂窩的吞吐量。圖1顯示了這樣一個系統。天線在物理上顯示為面板，其上安裝有許多輻射器（天線振子）。每個輻射器后面是無線電信號鏈。

圖1. 大規(guī)模MIMO

大規(guī)模MIMO現狀如何？

大規(guī)模MIMO已被證實能夠使移動數據吞吐量提高3至5倍，并且還將繼續(xù)提高。全球許多移動運營商已完成大規(guī)模MIMO試驗，預計在2019年至2020年，早期采用者就會開始商業(yè)部署該技術，以支持網絡中最擁堵地區(qū)的通信。展望未來，隨著大規(guī)模MIMO技術的演進和3GPP無線標準中新特性的增加，我們預計這種無線電規(guī)格會在全球移動網絡中普及。

這項技術給工程界帶來哪些挑戰(zhàn)？

在大規(guī)模MIMO系統中，我們給系統添加了更多無線電通道，使其從普通8T8R（8個發(fā)射器、8個接收器）TDD（時分復用）無線電頭端擴展為64T64R系統。雖然大規(guī)模MIMO系統能大幅改善基站容量，但其代價是無線電頭端的復雜性提高。傳統無線電部署采用無源天線罩，由遠程無線電頭端通過電纜饋送信號。

大規(guī)模MIMO物理結構基于有源天線架構，現在有源無線電信號鏈嵌入天線組件中。這些無線電系統通常是塔式或桿式安裝，因此有源天線系統的容許尺寸和重量存在限制。天線尺寸由天線元件間距決定，而直流功耗也是影響系統重量的關鍵因素。為在尺寸、重量和功耗限制范圍內實現所需的無線電性能，無線電設計人員面臨著許多技術挑戰(zhàn)。

ADI產品如何支持5G？

有多種方法可以減小無線電系統的尺寸、重量和功耗，最常見的方法是利用電路集成和摩爾定律來縮小尺寸并提高功效比。ADI公司提倡通過系統級方法解決這些重大問題。當然，集成是最直接的無線電收縮辦法，但集成本身也許無法產生預期的好處。然而，如果我們分割系統并優(yōu)化集成架構，便能產生令人印象更深刻的結果。例如，如果我們基于可減少和/或消除大濾波器及其他無源要素的無線電架構進行構建，便能得到一個綜合性能出色的解決方案。再比如，由于采用了零中頻無線電架構，整體系統復雜性和功耗降至最低，故能實現很高的無線電功能集成度。

ADI公司的集成CMOS無線電收發(fā)器產品系列基于零中頻架構，能夠帶來高集成度，顯著改善整體無線電系統的大小、重量和功耗。除了CMOS無線電收發(fā)器之外，ADI公司還提供用于無線電前端信號鏈的各種高性能RF器件系列、精密監(jiān)測和控制功能、高效電源管理電路。

ADI的收發(fā)器產品系列頗受好評，AD9375和最近發(fā)布的ADRV9009就是其中幾個例子。2017年，我們發(fā)布了AD9375，它是首款片內集成數字預失真(DPD)算法的RF收發(fā)器，專門用于優(yōu)化小型蜂窩無線電和有源天線系統的發(fā)射功效比。"由于DPD系統從FPGA劃分到收發(fā)器，故JESD204B串行數據接口通道數減半，使得功耗大幅降低，尤其是在每個基站的天線數增加的情況下。

圖2. 業(yè)界最寬帶寬RF收發(fā)器加快2G到5G基站和相控陣雷達的開發(fā)

最近，ADI公司推出業(yè)界最寬帶寬RF收發(fā)器ADRV9009，以擴展其屢獲殊榮的RadioVerse?技術和設計生態(tài)系統。該收發(fā)器為設計人員提供單一無線電平臺來加速5G部署，支持2G/3G/4G覆蓋范圍，并簡化相控陣雷達設計。ADRV9009 RF收發(fā)器提供兩倍于前代器件的帶寬(200 MHz)，可取代多達20個器件，功耗降低一半，封裝尺寸減小60%。ADRV9009內置LO（本振），支持多芯片相位同步，可實現高性能數字波束合成成型，同時減小尺寸、重量和功耗。

詳解ADI RadioVerse無線技術

RadioVerse技術體現了我們如何利用系統級方法為客戶帶來價值。通過我們全面的比特到天線產品系列，再加上系統級專業(yè)技術，我們不僅是供應商，更是客戶的合作伙伴，幫助他們解決最棘手的問題。例如，通過設置和利用我們網站上的RadioVerse生態(tài)系統，客戶能夠快速從概念進入原型制作，再到生產。

無論客戶使用我們高度集成的收發(fā)器產品進行設計，還是使用前沿數據轉換器和RF產品系列進行設計，RadioVerse技術均可提供豐富的技術信息、參考設計、軟件和工具，協助客戶完成設計流程。通過EngineerZone?——一個包括支持論壇、博客及其他內容的活躍支持社區(qū)，設計人員可以與我們的技術專家互動，快速獲得設計問題的答案。

AD9375小型蜂窩參考設計是RadioVerse生態(tài)系統中的又一個很好的例子。圖3中的參考設計包括小型蜂窩無線電所需的所有元件，從SERDES接口到天線。該設計適用于2T2R 250 mW輸出功率/每根天線的室內小型蜂窩。所有無線電元件均為板載元件，包括帶DPD的AD9375、高效率PA、LNA、濾波器和電源解決方案。功耗小于10 W且尺寸小巧，手持非常方便舒適。只需一個12 V電源即可為電路板供電，它配有一個評估套件，可直接連接到基帶子系統，使設計人員能夠快速開發(fā)系統原型。

圖3. 參考設計

5G的商業(yè)現實及其采用和發(fā)展

2017年年底，3GPP發(fā)布了首個5G NR規(guī)范（第15版）。雖然該非獨立規(guī)范是實現5G的第一步，但這能使SoC供應商可以有調制解調器向前邁進，支持2019年推出5G手機。最近，3GPP宣布完成了又一個里程碑——5G NR獨立規(guī)范制定完畢，這將支持5G NR網絡的獨立部署。雖然頻譜選擇因地區(qū)而異，但預計到2020年，5G商業(yè)部署將會啟動，屆時消費者有望體驗5G技術的先期優(yōu)勢。我們預計，隨著技術逐漸成熟，在許多地區(qū)，5G大規(guī)模MIMO將利用中頻段，接著是毫米波部署。在任何部署情況下，無論低頻段、中頻段還是毫米波，ADI公司都能為我們的客戶提供強大且不斷發(fā)展的技術組合，使其能夠在5G中超越一切可能。