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5G无线:从Sub-6 GHz到毫米波市场机遇与技术挑战

向5G移动网络的推进不断加快,无线吞吐量和容量会呈现爆发式增长。在短期内,我们将看到Sub-6 GHz无线基础设施开始部署,以弥补现有4G LTE网络与未来毫米波 (mmW) 5G实施方案之间的带宽差距,后者采用的频率要远远高于6 GHz。

作者:佚名来源:电子工程专辑|2017-05-17 13:00

  • 对于大规模MIMO系统而言,第4代氮化镓技术和多功能相控阵雷达(MPAR)架构可提升射频性能和装配效率——David Ryan,MACOM高级业务开发和战略营销经理

向5G移动网络的推进不断加快,无线吞吐量和容量会呈现爆发式增长。在短期内,我们将看到Sub-6 GHz无线基础设施开始部署,以弥补现有4G LTE网络与未来毫米波 (mmW) 5G实施方案之间的带宽差距,后者采用的频率要远远高于6 GHz。

Sub-6 GHz基础设施将继续利用2.5至2.7 GHz的大量可用频谱,同时增加3.3至3.8 GHz的频率,在某些地区甚至达到4.4至5 GHz。中国移动计划于2017年和2018年进行主要试点部署,pre-5G sub-6 GHz基础设施有望提高传统手机频段的频谱效率,并且在可比较的频率带宽范围内,能够以比现有4G LTE快10倍的数据速率扩展容量和覆盖范围。Sub-6 Ghz的5G无线基础设施将采用波束成形方案进行广泛部署,采用该方案可以大大扩展网络覆盖范围和建筑内部穿透能力。

5G无线:从Sub-6 GHz到毫米波市场机遇与技术挑战

虽然3GPP联盟的第一套5G标准(第15版)预计在2018年6月才会获得批准,而且mmW频率的5G网络在几年之内都不会成为商业主流,但当今正在开发演示系统和前期标准,并且已经实现了一些重要的里程碑节点。早些时候,Verizon和AT&T已经公布了部署5G mmW技术的测试/试验,主要是针对固定无线应用,旨在与传统有线电视运营商进行竞争,为每个家庭提供同时观看多个4K视频所需的带宽。5G也可能用于在人口稠密的环境中提供海量容量,例如体育场馆和地铁购物中心。随着技术的发展,未来的用途将更加明显。

然而,5G不仅仅表示频率更高的更快网络。其关键特性之一是,5G将使运营商以新的方式从网络获利,并通过联合网络切片等新功能来发展商业模式。凭借将物理网络划分为几个虚拟移动网络的功能,运营商可以利用消费者用户使用的同一硬件基础设施,为企业客户提供广泛的服务质量 (QoS) 和安全/加密选项。长期来看,联合网络切片功能还可以在运营商之间实现更大的共享平台,使他们能够在各个国家之间协调分配网络资源,从而为用户提供无缝5G漫游体验。

大规模MIMO也带来了巨大挑战

Sub-6 GHz和mmW 5G系统将依靠相控阵技术来优化信号链路和数据速率,该技术利用了在3D-MIMO(多输入多输出)架构中配置的大量天线元件。传统的基站可容纳两个到八个发射器和接收器,而3D-MIMO系统可配备64个发射和接收(T/R)元件,并且可扩展到128或256个元件。这些阵列天线配置增加了可用的T/R路径的数量以最大化数据速率,并且实现了对5G价值主张至关重要的高级波束成形功能 - 不过,这类系统的复杂性和密度为设计和装配带来了诸多挑战。

考虑到在紧密聚集的天线配置中减小元件与元件之间的空间,特别是在较高频率的条件下减小空间,3D-MIMO系统需要紧凑的前端解决方案。这反过来又产生了与产生显著射频功率(在某些情况下,每个元件高达5W)和在小区域中进行散热等相关的散热挑战。

最终装置的装配是另一个主要挑战。64天线阵列将容纳64个功放、64个开关和64个低噪声放大器等器件。如此之多的射频组件和射频接口使最终产量面临很低的风险。当一些基站OEM厂商具备可以组装数千个组件并在内部处理PCB封装的生产能力时,其他OEM厂商会选择采购完全组装的模块作为其无线电设备中的功能块,以降低复杂性和产量风险。通过利用更高级别的组件,可将组件故障定位到各个64个子系统中,因此,与因一个单个故障就会损害由数千个单独元件组成的组件相比,可以更容易地对电路板进行返工。

第4代氮化镓优势

就半导体层面而言,第四代硅基氮化镓(Gen4 GaN)已经作为LDMOS的明确替代者来服务于针对5G部署的下一代基站,尤其对于3.5 GHz及以上频率,LDMOS存在固有技术限制。第四代氮化镓技术通过4G LTE基础设施确立了相对于LDMOS的领先优势,其在功率密度、节省空间和能源效率方面具有显著优势,而且还有助于实现优于LDMOS的成本结构。

第四代氮化镓的原始功率密度比当前LDMOS技术的原始功率密度高百分之十分,每单位面积可将功率提高4到6倍,也就是说,氮化镓裸片尺寸为LDMOS裸片尺寸的1/6至1/4。第四代氮化镓具有更高功率密度特性,能够实现更小器件封装,因而非常适用于3D-MIMO天线系统。

此外,第四代氮化镓与LDMOS相比,效率提高了百分之十以上。如果加以适当利用,这种频效差量能够在系统层面上对商业5G应用产生巨大影响,特别是对于多封装层需要专门解决高温问题的解决方案(例如第四代氮化镓,能够使器件工作在较高结温条件下)的高级装配,更是如此。

最后要说明的是,器件设计师利用第四代氮化镓技术可实现宽带宽,这一点至关重要,运营商可借此过渡到频段更宽的更高频率,进而能够灵活地实现更广泛的载波聚合频带。基于氮化镓的功放与基于LDMOS的器件相比,支持的带宽更宽,因而减少了覆盖5G基站内主要手机频段所需的部件数量。

MPAR装配效率

我们知道,就大规模MIMO 5G系统的架构和装配而言,与专用于军用和民用空中交通管制应用的新一代多功能相控阵雷达(MPAR)系统具有很多相近之处。Sub-6 GHz 3D-MIMO系统尤其适合采用MPAR设计和装配策略(假定这两种技术涵盖的频带范围均为2.6到3.5 GHz),并且这类系统共用一个64天线架构。

第一代MPAR系统在由成百上千个T/R元件组成的平面配置中采用了可微缩平面阵列(SPAR™)片。MACOM和麻省理工学院林肯实验室合作开发的SPAR片技术凭借高级射频装配以及大规模商业级封装和制造技术,提供了成本敏感型的全新相控阵雷达系统开发方法。

SPAR片避免使用传统缝隙阵列架构,而是采用天线元件和射频波束成形器借此来集成在单个多层射频板中的平面片式阵列架构。通过这种方式,可使用符合行业标准的制造流程将T/R模块以SMT形式安装到PCB,这简化了系统装配过程并且最大限度降低了产量风险。这种相控阵实现方式缩短了上市时间,并大幅降低了成本,可推动MPAR技术成为商业应用(如sub-6 GHz无线应用)中的主流技术。

对于采用sub-6 GHz和mmW频率的5G系统,其从半导体层面到器件封装和最终系统装配,都面临多种特有的设计挑战。我们在氮化镓和相控阵技术(例如MPAR)领域不断进行创新,这有助于充分挖掘5G的潜力,可使基站OEM利用能够简化设计和制造流程的模块化子系统,在紧凑外形的条件下实现功率输出和能源效率的最佳平衡。

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