【導讀】Strategy Analytics 預測新興 5G 網絡將呈現(xiàn)爆炸式增長。他們預測，2018 年至 2024 年間部署的新基站數(shù)量將會翻一番。在 5G 網絡快速增長的推動下，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 網絡架構推動蜂窩網絡外緣能夠始終相連。在本文中，我們將介紹與大規(guī)模 MIMO 基站中的 RF 前端相關的所有基礎知識。
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，在相控陣自適應技術中采用了波束成型技術。大規(guī)模 MIMO 在不加劇小區(qū)間協(xié)調的設計復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)空間復用（參見下圖）?？臻g復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。
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
● 載波網絡將如何實現(xiàn) 5G
● 設計固定無線接入系統(tǒng)時需要考慮的 5 個因素
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 讓運營商無需構建新的 5G 核心網絡，可以直接提供 5G 數(shù)據(jù)速率。因為我們尚處于 5G NR 設計的開始階段，所以大多數(shù)基站應用都是 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碎片化的頻段組合迫使供應商和制造商提供多樣化的產品組合（參見下圖）。此外，頻率和帶寬需求的增加又進一步加大了 RF 半導體技術提供商的設計難度。例如，功率放大器 (PA) 的增益和效率相互關聯(lián)，發(fā)射路徑中目前采用的硅 LDMOS 功率技術會對其有影響。因此，系統(tǒng)制造商開始從硅 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（半導體技術視角與制造商視角）
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，制造商希望半導體供應商能優(yōu)化以下參數(shù)，以滿足其系統(tǒng)要求。
制造商要求半導體提供商滿足的關鍵 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 半導體供應商總是試圖實現(xiàn)較低的 NF，因為這是無線電設計中最關鍵的規(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
○ 低功耗設備一直是系統(tǒng)應用的不錯選擇。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容被集成到單個芯片封裝中，并在同一封裝中設置多條 Rx 前端路徑，隔離合規(guī)性只能通過創(chuàng)新的半導體電路設計和封裝技術來實現(xiàn)。
半導體供應商必須優(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 前端半導體參數(shù)相關。
關鍵的制造商系統(tǒng)規(guī)格
● 優(yōu)化應用等效全向輻射功率 (EIRP)
○ 給定方向的發(fā)射器功率和天線增益與無線電發(fā)射器的全向天線相關。
○ 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)，促使設計尋求可提供最高效率的技術。
○ 使用 GaN 和 GaAs 這樣的技術有助于減少大規(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)設計的關鍵。
○ 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，這一點至關重要。這也促使采用前端集成和高能效半導體技術和封裝。
● 低功耗
○ 為了滿足 5G 高數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心、服務器和小基站）。這意味著會增加網絡功耗，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鍵。
○ A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用中使用被動冷卻，減少了對風機或空調的需求，并且可以將 RF 前端安裝在天線上。
5G 大規(guī)模 MIMO 基站已經開始建設，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品，所以供應商需要在多樣化的產品組合供應鏈中進行選擇。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。如下表所示，Qorvo 提供目前市場上最豐富的 5G 大規(guī)模 MIMO 產品組合。我們也使用最適合各種大規(guī)模 MIMO 應用的技術來創(chuàng)造產品。Qorvo 不僅提供覆蓋 3.5 GHz 以上所有頻率的產品，這些產品還采用 GaN、GaAs 和濾波器體聲波技術 (BAW)，具備出色性能。
6 GHz 以下的 5G 大規(guī)模 MIMO 和毫米波基礎設施設計已經投入使用。GaN、GaAs 和 BAW 等技術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絡邊緣。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。
來源：Qorvo
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