【導讀】Strategy Analytics 預測新興 5G 網(wǎng)絡(luò )將呈現爆炸式增長(cháng)。他們預測，2018 年至 2024 年間部署的新基站數量將會(huì )翻一番。在 5G 網(wǎng)絡(luò )快速增長(cháng)的推動(dòng)下，到 2024 年，部署的新基站和升級的無(wú)線(xiàn)基站設備數量將達到近 940 萬(wàn)。
這些 5G 基站中，許多都將采用大規模 MIMO 天線(xiàn)。由于采用大規模 MIMO 天線(xiàn)，這些新 5G 網(wǎng)絡(luò )架構推動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò )外緣能夠始終相連。在本文中，我們將介紹與大規模 MIMO 基站中的 RF 前端相關(guān)的所有基礎知識。
大規模 MIMO 的定義
大規模 MIMO 使用多個(gè)基站天線(xiàn)與多位用戶(hù)通信，在相控陣自適應技術(shù)中采用了波束成型技術(shù)。大規模 MIMO 在不加劇小區間協(xié)調的設計復雜性的情況下提高容量。通過(guò)使用大規模 MIMO，可以形成波束，確保幾乎在任何時(shí)候，單個(gè)波束只會(huì )支持一位用戶(hù)。因此，為每位用戶(hù)提供無(wú)干擾、高容量的基站連接。
大規模 MIMO 技術(shù)采用大型天線(xiàn)陣列（一般由 16、32 或 64 個(gè)陣列組件組成）來(lái)實(shí)現空間復用（參見(jiàn)下圖）?？臻g復用在相同的資源模塊中提供多個(gè)并行的數據流。通過(guò)擴展虛擬信道的總數，它可以在不額外增加塔站和頻譜的情況下提升容量和數據速率。
回顧該系列其他博文講述的內容：
● 小基站博文第 1 部分
● 小基站博文第 2 部分
● 載波網(wǎng)絡(luò )將如何實(shí)現 5G
● 設計固定無(wú)線(xiàn)接入系統時(shí)需要考慮的 5 個(gè)因素
圖 1.大規模 MIMO 的優(yōu)勢
大規模 MIMO 5G 和 NR 標準
5G 新無(wú)線(xiàn)電 (NR) 規范第一階段發(fā)布的 3GPP 版本 15 已于 2018 年 6 月發(fā)布。規范重點(diǎn)說(shuō)明使用 5G NR 非獨立 (NSA) 和獨立 (SA) 標準的移動(dòng)部署。NSA 是運營(yíng)商轉向 SA 的過(guò)渡步驟（參見(jiàn)圖 2）。NSA 利用 LTE 錨頻段進(jìn)行控制，并使用 5G NR 頻段提供更快的數據速率。NSA 讓運營(yíng)商無(wú)需構建新的 5G 核心網(wǎng)絡(luò )，可以直接提供 5G 數據速率。因為我們尚處于 5G NR 設計的開(kāi)始階段，所以大多數基站應用都是 NSA。但隨著(zhù) 5G 不斷演進(jìn)，采用 SA 類(lèi)型系統部署之后，這種情況將會(huì )改變。
圖 2.邁向獨立 5G 之路。
適用于大規模 MIMO 系統的 5G 頻段
基站組件供應商和制造商面臨著(zhù)一項重大挑戰，即提供各區域所需的最小存貨單位 (SKU) 數量。這些在更高頻率范圍內碎片化的頻段組合迫使供應商和制造商提供多樣化的產(chǎn)品組合（參見(jiàn)下圖）。此外，頻率和帶寬需求的增加又進(jìn)一步加大了 RF 半導體技術(shù)提供商的設計難度。例如，功率放大器 (PA) 的增益和效率相互關(guān)聯(lián)，發(fā)射路徑中目前采用的硅 LDMOS 功率技術(shù)會(huì )對其有影響。因此，系統制造商開(kāi)始從硅 LDMOS 轉而采用氮化鎵 (GaN)，后者在平均工作功率水平和寬帶寬下可實(shí)現高達 60% 的效率，因此非常適合大規模 MIMO 基站系統。
探索大規模 MIMO 系統的 RF 前端（半導體技術(shù)視角與制造商視角）
那么，5G 大規模 MIMO 基站系統需要什么樣的 RF 前端 (RFFE) 組件呢？高線(xiàn)性、高效率、低功耗的集成前端組件。為了從規范的角度進(jìn)行分析，制造商希望半導體供應商能優(yōu)化以下參數，以滿(mǎn)足其系統要求。
制造商要求半導體提供商滿(mǎn)足的關(guān)鍵 RF 前端規范
● 高鄰道功率比 (ACPR)，也稱(chēng)為鄰道泄漏比 (ACLR)
○ ACPR 是指分配通道上的發(fā)射器功率與相鄰無(wú)線(xiàn)電通道上的泄漏功率之比。發(fā)射器的 ACPR 主要取決于 PA 的性能。PA 的線(xiàn)性度越高，ACPR 越好，這是因為產(chǎn)生的失真會(huì )更少。
● 高功率附加效率 (PAE)
○ 這個(gè)衡量功率放大器效率的指標考慮了放大器增益的影響。最好選擇 PAE 值較高的放大器，這是因為其散熱器尺寸更小或者未配備散熱器，所以產(chǎn)生的熱量少，可靠性更高，重量更輕，可以實(shí)現更高的整體性能。
● 低噪聲系數 (NF)
○ 低噪聲放大器 (LNA) 是 Rx 配置中的第一個(gè)有源級，其噪聲系數對無(wú)線(xiàn)電接收靈敏度有直接影響。因此，RF 半導體供應商總是試圖實(shí)現較低的 NF，因為這是無(wú)線(xiàn)電設計中最關(guān)鍵的規格參數之一。
○ 噪聲系數以 dB 為單位，是 Rx (SNRi) 輸入的信噪比與 Rx (SNRo) 輸出的信噪比之間的比值。
● 低功耗
○ 低功耗設備一直是系統應用的不錯選擇。它們可減少發(fā)熱，降低系統的運行成本和額外的硬件成本（例如散熱器）。鑒于大規模 MIMO 在單個(gè)無(wú)線(xiàn)電中有更多數量級的天線(xiàn)，所以降低功耗至關(guān)重要。
● 高通道隔離
○ 隔離是為了防止信號在電路中不必要的節點(diǎn)上出現。更高的隔離性意味著(zhù)更少的干擾和更清晰的交流。隔離度就是衡量?jì)蓚€(gè)通道端口之間的損耗：發(fā)射器與發(fā)射器端口之間，或者發(fā)射器與接收器端口之間。隔離度越高，信號越清晰。
○ 采用 5G 大規模 MIMO 架構之后，通道隔離忽然之間成為衡量單個(gè)無(wú)線(xiàn)電系統中多個(gè)天線(xiàn)鏈之間接近程度的重要參數。雖然 TDD 操作降低了 Tx-Rx 之間的隔離要求，但仍然需要進(jìn)行 Tx-Tx 和 Rx-Rx 隔離。隨著(zhù)更多的小信號內容被集成到單個(gè)芯片封裝中，并在同一封裝中設置多條 Rx 前端路徑，隔離合規性只能通過(guò)創(chuàng )新的半導體電路設計和封裝技術(shù)來(lái)實(shí)現。
半導體供應商必須優(yōu)化上述參數，這樣大規模 MIMO 系統制造商才更容易實(shí)現規格要求。下列系統規格與上述 RF 前端半導體參數相關(guān)。
關(guān)鍵的制造商系統規格
● 優(yōu)化應用等效全向輻射功率 (EIRP)
○ 給定方向的發(fā)射器功率和天線(xiàn)增益與無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器的全向天線(xiàn)相關(guān)。
○ 對于 6 GHz 以下的 5G 系統，將使用 16、32 或 64 個(gè)陣列組件，具體取決于應用所需的 EIRP。由于需要大量的陣列組件，每個(gè)組件也需輸出功率，因此散熱成為一項重大挑戰，促使設計尋求可提供最高效率的技術(shù)。
○ 使用 GaN 和 GaAs 這樣的技術(shù)有助于減少大規模 MIMO 陣列所需的有源組件數量，同時(shí)滿(mǎn)足基站 EIRP 系統要求。
● 高接收器靈敏度
○ 接收靈敏度衡量接收器檢測弱信號，并且無(wú)差錯地處理這些信號的能力。噪聲是實(shí)現目標靈敏度的最大阻礙因素。因此，使用具備出色噪聲系數的組件是接收器系統設計的關(guān)鍵。
○ 衡量接收器靈敏度的另一個(gè)指標是對接收到的信號解碼的誤差矢量幅度 (EVM)。要使 EVM 誤差最小，只能通過(guò)使用低噪聲系數和高線(xiàn)性度組件來(lái)實(shí)現，從而最大限度減少弱化的信號失真
● 小外形尺寸
○ 大規模 MIMO 系統必須足夠輕巧，便于安裝在傳統基站塔和路燈桿等位置。此外，前端組件必須盡可能靠近輻射天線(xiàn)放置，這一點(diǎn)至關(guān)重要。這也促使采用前端集成和高能效半導體技術(shù)和封裝。
● 低功耗
○ 為了滿(mǎn)足 5G 高數據應用需求，我們將需要更多基礎設施（例如宏基站和微基站、數據中心、服務(wù)器和小基站）。這意味著(zhù)會(huì )增加網(wǎng)絡(luò )功耗，因而需要提高系統效率，節省總能耗。最終，運營(yíng)商能以更低成本實(shí)現更大產(chǎn)出。提供具備高輸出功率、更高效率和低功耗的解決方案是關(guān)鍵。
○ A此外，具備 32 或 64 個(gè)通道的大規模 MIMO 系統也可以采用更多散熱器。而采用 GaN 等技術(shù)可以提高系統的功率附加效率，減少對大型散熱器的需求，從而最大限度縮減系統重量和尺寸。
● 被動(dòng)冷卻，高度可靠
○ 低功耗的另一個(gè)好處是可以減少產(chǎn)生的熱量，因此需要較少的散熱器，進(jìn)而縮減尺寸和重量。高級天線(xiàn)系統 (AAS) 必須具有高能效和穩固性，以便對所有戶(hù)外塔頂電子設備進(jìn)行被動(dòng)式冷卻，這一點(diǎn)非常重要。GaN 讓制造商能夠在某些應用中使用被動(dòng)冷卻，減少了對風(fēng)機或空調的需求，并且可以將 RF 前端安裝在天線(xiàn)上。
5G 大規模 MIMO 基站已經(jīng)開(kāi)始建設，運營(yíng)商將會(huì )繼續擴大部署。全球各地需要不同頻率和功率水平的產(chǎn)品，所以供應商需要在多樣化的產(chǎn)品組合供應鏈中進(jìn)行選擇。由于大規模 MIMO 系統對參數的要求很?chē)栏?，需要更高的頻率范圍和帶寬，所以必須采用新技術(shù)。如下表所示，Qorvo 提供目前市場(chǎng)上最豐富的 5G 大規模 MIMO 產(chǎn)品組合。我們也使用最適合各種大規模 MIMO 應用的技術(shù)來(lái)創(chuàng )造產(chǎn)品。Qorvo 不僅提供覆蓋 3.5 GHz 以上所有頻率的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品還采用 GaN、GaAs 和濾波器體聲波技術(shù) (BAW)，具備出色性能。
6 GHz 以下的 5G 大規模 MIMO 和毫米波基礎設施設計已經(jīng)投入使用。GaN、GaAs 和 BAW 等技術(shù)均有助于運營(yíng)商和基站 OEM 實(shí)現 5G 大規模 MIMO 目標，并將覆蓋范圍擴展到網(wǎng)絡(luò )邊緣。身為消費者，我們才剛剛見(jiàn)識到大規模 MIMO 和 5G 功能的冰山一角。
來(lái)源：Qorvo
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