加快部署 5G 基站的最佳實踐：RF 前端大規(guī)模 MIMO 入門

面對新興 5G 網(wǎng)絡(luò)的爆炸式增長形勢，本文探討部署大規(guī)模 MIMO 基站的最佳實踐，并就大規(guī)模 MIMO 基站的發(fā)展趨勢，以及 RF 前端的一些重要話題提供一些見解。

Strategy Analytics 預(yù)測新興 5G 網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)爆炸式增長。他們預(yù)測，2018 年至 2024 年間部署的新基站數(shù)量將會翻一番。在 5G 網(wǎng)絡(luò)快速增長的推動下，到 2024 年，部署的新基站和升級的無線基站設(shè)備數(shù)量將達到近 940 萬。

這些 5G 基站中，許多都將采用大規(guī)模 MIMO 天線。由于采用大規(guī)模 MIMO 天線，這些新 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)推動蜂窩網(wǎng)絡(luò)外緣能夠始終相連。在本文中，我們將介紹與大規(guī)模 MIMO 基站中的 RF 前端相關(guān)的所有基礎(chǔ)知識。

大規(guī)模 MIMO 的定義

大規(guī)模 MIMO 使用多個基站天線與多位用戶通信，在相控陣自適應(yīng)技術(shù)中采用了波束成型技術(shù)。大規(guī)模 MIMO 在不加劇小區(qū)間協(xié)調(diào)的設(shè)計復(fù)雜性的情況下提高容量。通過使用大規(guī)模 MIMO，可以形成波束，確保幾乎在任何時候，單個波束只會支持一位用戶。因此，為每位用戶提供無干擾、高容量的基站連接。

大規(guī)模 MIMO 技術(shù)采用大型天線陣列(一般由 16、32 或 64 個陣列組件組成)來實現(xiàn)空間復(fù)用(參見下圖)。空間復(fù)用在相同的資源模塊中提供多個并行的數(shù)據(jù)流。通過擴展虛擬信道的總數(shù)，它可以在不額外增加塔站和頻譜的情況下提升容量和數(shù)據(jù)速率。

圖 1.大規(guī)模 MIMO 的優(yōu)勢。

大規(guī)模 MIMO 5G 和 NR 標準

5G 新無線電 (NR) 規(guī)范第一階段發(fā)布的3GPP 版本 15已于 2018 年 6 月發(fā)布。規(guī)范重點說明使用 5G NR 非獨立 (NSA) 和獨立 (SA) 標準的移動部署。NSA 是運營商轉(zhuǎn)向 SA 的過渡步驟(參見圖 2)。NSA 利用 LTE 錨頻段進行控制，并使用 5G NR 頻段提供更快的數(shù)據(jù)速率。NSA 讓運營商無需構(gòu)建新的 5G 核心網(wǎng)絡(luò)，可以直接提供 5G 數(shù)據(jù)速率。因為我們尚處于 5G NR 設(shè)計的開始階段，所以大多數(shù)基站應(yīng)用都是 NSA。但隨著 5G 不斷演進，采用 SA 類型系統(tǒng)部署之后，這種情況將會改變。

圖 2.邁向獨立 5G 之路。

適用于大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)的 5G 頻段

基站組件供應(yīng)商和制造商面臨著一項重大挑戰(zhàn)，即提供各區(qū)域所需的最小存貨單位 (SKU) 數(shù)量。這些在更高頻率范圍內(nèi)碎片化的頻段組合迫使供應(yīng)商和制造商提供多樣化的產(chǎn)品組合(參見下圖)。此外，頻率和帶寬需求的增加又進一步加大了 RF 半導(dǎo)體技術(shù)提供商的設(shè)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)會對其有影響。因此，系統(tǒng)制造商開始從硅 LDMOS 轉(zhuǎn)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現(xiàn)高達 60% 的效率，因此非常適合大規(guī)模 MIMO 基站系統(tǒng)

探索大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)的 RF 前端

(半導(dǎo)體技術(shù)視角與制造商視角)

那么，5G 大規(guī)模 MIMO 基站系統(tǒng)需要什么樣的 RF 前端 (RFFE) 組件呢?高線性、高效率、低功耗的集成前端組件。為了從規(guī)范的角度進行分析，制造商希望半導(dǎo)體供應(yīng)商能優(yōu)化以下參數(shù)，以滿足其系統(tǒng)要求。

制造商要求半導(dǎo)體提供商滿足的關(guān)鍵 RF 前端規(guī)范

高鄰道功率比 (ACPR)，也稱為鄰道泄漏比 (ACLR)

ACPR 是指分配通道上的發(fā)射器功率與相鄰無線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 的線性度越高，ACPR 越好，這是因為產(chǎn)生的失真會更少。

高功率附加效率 (PAE)

這個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，可以實現(xiàn)更高的整體性能。

低噪聲系數(shù) (NF)

低噪聲放大器 (LNA) 是 Rx 配置中的第一個有源級，其噪聲系數(shù)對無線電接收靈敏度有直接影響。因此，RF 半導(dǎo)體供應(yīng)商總是試圖實現(xiàn)較低的 NF，因為這是無線電設(shè)計中最關(guān)鍵的規(guī)格參數(shù)之一。

噪聲系數(shù)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(shè)備一直是系統(tǒng)應(yīng)用的不錯選擇。它們可減少發(fā)熱，降低系統(tǒng)的運行成本和額外的硬件成本(例如散熱器)。鑒于大規(guī)模 MIMO 在單個無線電中有更多數(shù)量級的天線，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(jié)點上出現(xiàn)。更高的隔離性意味著更少的干擾和更清晰的交流。隔離度就是衡量兩個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(guī)模 MIMO 架構(gòu)之后，通道隔離忽然之間成為衡量單個無線電系統(tǒng)中多個天線鏈之間接近程度的重要參數(shù)。雖然 TDD 操作降低了 Tx-Rx 之間的隔離要求，但仍然需要進行 Tx-Tx 和 Rx-Rx 隔離。隨著更多的小信號內(nèi)容被集成到單個芯片封裝中，并在同一封裝中設(shè)置多條 Rx 前端路徑，隔離合規(guī)性只能通過創(chuàng)新的半導(dǎo)體電路設(shè)計和封裝技術(shù)來實現(xiàn)。

半導(dǎo)體供應(yīng)商必須優(yōu)化上述參數(shù)，這樣大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)制造商才更容易實現(xiàn)規(guī)格要求。下列系統(tǒng)規(guī)格與上述 RF 前端半導(dǎo)體參數(shù)相關(guān)。

關(guān)鍵的制造商系統(tǒng)規(guī)格

優(yōu)化應(yīng)用等效全向輻射功率 (EIRP)

給定方向的發(fā)射器功率和天線增益與無線電發(fā)射器的全向天線相關(guān)。

對于 6 GHz 以下的 5G 系統(tǒng)，將使用 16、32 或 64 個陣列組件，具體取決于應(yīng)用所需的 EIRP。由于需要大量的陣列組件，每個組件也需輸出功率，因此散熱成為一項重大挑戰(zhàn)，促使設(shè)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(guī)模 MIMO 陣列所需的有源組件數(shù)量，同時滿足基站 EIRP 系統(tǒng)要求。

高接收器靈敏度

接收靈敏度衡量接收器檢測弱信號，并且無差錯地處理這些信號的能力。噪聲是實現(xiàn)目標靈敏度的最大阻礙因素。因此，使用具備出色噪聲系數(shù)的組件是接收器系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

衡量接收器靈敏度的另一個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，只能通過使用低噪聲系數(shù)和高線性度組件來實現(xiàn)，從而最大限度減少弱化的信號失真。

小外形尺寸

大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)必須足夠輕巧，便于安裝在傳統(tǒng)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放置，這一點至關(guān)重要。這也促使采用前端集成和高能效半導(dǎo)體技術(shù)和封裝。

低功耗

為了滿足 5G 高數(shù)據(jù)應(yīng)用需求，我們將需要更多基礎(chǔ)設(shè)施(例如宏基站和微基站、數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器和小基站)。這意味著會增加網(wǎng)絡(luò)功耗，因而需要提高系統(tǒng)效率，節(jié)省總能耗。最終，運營商能以更低成本實現(xiàn)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。

此外，具備 32 或 64 個通道的大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)也可以采用更多散熱器。而采用 GaN 等技術(shù)可以提高系統(tǒng)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(tǒng)重量和尺寸。

被動冷卻，高度可靠

低功耗的另一個好處是可以減少產(chǎn)生的熱量，因此需要較少的散熱器，進而縮減尺寸和重量。高級天線系統(tǒng) (AAS) 必須具有高能效和穩(wěn)固性，以便對所有戶外塔頂電子設(shè)備進行被動式冷卻，這一點非常重要。GaN 讓制造商能夠在某些應(yīng)用中使用被動冷卻，減少了對風(fēng)機或空調(diào)的需求，并且可以將 RF 前端安裝在天線上。

5G 大規(guī)模 MIMO 基站已經(jīng)開始建設(shè)，運營商將會繼續(xù)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(yīng)商需要在多樣化的產(chǎn)品組合供應(yīng)鏈中進行選擇。由于大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)對參數(shù)的要求很嚴格，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 提供目前市場上最豐富的 5G 大規(guī)模 MIMO 產(chǎn)品組合。我們也使用最適合各種大規(guī)模 MIMO 應(yīng)用的技術(shù)來創(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(guī)模 MIMO 和毫米波基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計已經(jīng)投入使用。GaN、GaAs 和 BAW 等技術(shù)均有助于運營商和基站 OEM 實現(xiàn) 5G 大規(guī)模 MIMO 目標，并將覆蓋范圍擴展到網(wǎng)絡(luò)邊緣。身為消費者，我們才剛剛見識到大規(guī)模 MIMO 和 5G 功能的冰山一角。