了解Sub6 GHz 大规模MIMO基础架构

本文作者：Qorvo高性能解决方案经理Roger Hall

下一代移动连接5G的迅速采用引起了很多激动和期待。分析师预测，到2020年底，商用5G网络的数量将翻两番，5G连接的总数将从2019年的500万增加到2025年的28亿，而5G技术的全球市场将在2026年达到6679.0亿美元。不幸的是，要实现这些雄心勃勃的覆盖目标并不是一件容易的事，这将需要对现有的移动网络基础设施（尤其是RF功率应用）进行大幅修改。

（来源：Wikimedia Commons CC-BY-SA-4.0）

为了满足RF前端功率需求，OEM厂商开始使用氮化镓（GaN），这是一种相对较新的商用半导体。它的功率效率，功率密度和更大范围频率处理能力使其非常适合大型MIMO基站。

了解MIMO

要充分发挥5G的高速和超低延迟的潜力，客户需要移动运营商提高所有网络参数的性能。这意味着对频谱采集，网络基础设施和传输技术的大量投资。无论如何完成，在全国范围内推出5G对于移动网络运营商来说都是非常昂贵的。资金也是5G运营的最大障碍。尽管人们对高频毫米波的关注度很高，但运营商仍在Sub-6GHz范围内实施Massive MIMO技术，以最大程度地降低成本从而推动5G。

MIMO代表“多输入多输出”，是一种用于无线通信的天线技术，它使用多个天线来发送和接收信号。MIMO取代了传统无线通信中使用的经典单天线，它通过不同的天线发送多个信号相同的数据。这允许空间多路复用，其中每个信道将独立的信息传送给接收器-与传统的单天线相比，MIMO具有许多优势。

当RF信号遇到建筑物等障碍物时，信号会散射并采用不同的路径到达目标接收器。这种多径传播会导致接收不良，通话中断以及速率下降。 MIMO无线电接收并合并相同数据的多个流，因此可以使用多径传播来改善信号质量和强度。如果环境散射足够丰富，则可以在相同的分配带宽中创建许多独立的子信道，从而产生质量和信号增益，而无需额外的带宽或功率。网络运营商可以专注于使用更大的天线以满足需求，而不是更多的基站。

MIMO天线阵列还可以通过波束成形和波束控制将信号聚焦在各个用户的方向上。单个天线可以在所有方向上广播无线信号，通过数字和模拟方法，多个天线还可以将特定方向上的信号聚焦到接收器。这极大地提高了频谱和功率效率。

5G规模MIMO

过去几代的无线技术已经利用MIMO在天线阵列技术方面的进步来提高网络速度。 3G引入了单用户MIMO，它利用多个同时的数据流将数据从基站传输到单个用户。4G系统使用多用户MIMO，将不同的数据流分配给不同的用户，以实现显着的容量和性能优势。借助5G新无线电标准，MIMO变得足够“庞大”。4G系统通常配备四个发射和四个接收天线：也就是一个4×4天线阵列。5G Massive MIMO使用更多的发射和接收天线来增加传输增益和频谱效率；一些典型的MIMO天线大小为256×256。

由于大规模MIMO使用更多天线，因此发送到接收器的信号束要窄得多。它使基站能够更精确，更有效地向用户传递RF能量。每个天线的相位和增益都是单独控制的，并且由于信道信息将保留在基站中，因此移动设备并不需要多个接收器天线。大量的基站天线增加了小区中的信噪比，从而提高了小区站点容量和吞吐量。

同样重要的是，5G技术建立在4G网络基础架构上，可以使用动态频谱共享。这使移动网络运营商能够增加网络容量，提供高数据速率并节省频谱，同时最大程度地减少运营商支出。

毫米波的承诺与Sub-6 GHz的现实

毫米波技术（即mmWave）和5G通常被错误地视为同义词。毫米波是5G网络使用的24GHz至100GHz射频频谱上的一个频段，与Sub-6GHz频段并行。以前认为毫米波不适合移动通信，因为该频带中的信号明显传输距离有限，并容易被建筑物，树叶，雨水和阻挡。但是，这些短波长能够在短距离上传输更多数据。很明显，要实现5G的20Gb / s数据速率目标，最终将有必要使用毫米波频谱。尽管许多移动通信对毫米波感到兴奋，但对于在全球范围内推广所需要的基站建设挑战却没有给予足够的重视。

当通过基站建设来审视毫米波时，这一点变得尤为清楚。毫米波基站的范围远小于以较低频率发射信号的蜂窝塔。为了实现全国覆盖，研究人员估计美国网络运营商将需要建立1300万个基站。考虑到当今的美国移动网络大约有30万个基站，基础设施的建设还有很长一段路要走。另外毫米波高昂的功耗要求进一步加剧资本支出，因此除了在体育馆和城市热点之外，毫米波在接下来的几年中，针对全美推广是不现实的。

在OEM努力降低毫米波成本的同时，Sub-6GHz频段将成为5G网络运营商所依赖的重要频段。较低频率的信号会进一步穿透建筑物等障碍物，并在逐渐消失之前覆盖铁塔周围的较大区域，从而适合于农村和城市地区。这意味着Sub-6 GHz的5G还可以用更少的基站来做更多的事情，并使用现有的信号塔。

大规模MIMO基础架构要求

即使Sub-6 GHz的5G并不能提供毫米波所能带来的巨大速度改善，其大规模MIMO天线阵列仍可以实现更多同时连接，提高信号吞吐量，并在用户覆盖范围和容量之间实现最佳平衡。这是更现实的实施途径。Sub-6GHz 5G的推出将比毫米波部署地更快，从而提高移动宽带的速度和一致性。在向完全集成的5G网络过渡的同时，它提供了对当前4G系统的改进。这就是为什么许多业内人士期望运营商竞标较低频谱范围的原因，他们可以利用动态频谱共享在相同的频谱范围内提供3G，4G和5G服务。我们已经在国际5G实施中看到了这种方法。韩国于两年前开始在较低频率中推出5G，中国将全面改革其整个网络基础设施，以在未来几年内实现全国范围的5G覆盖。

这并不是说Sub-6 GHz的5G易于部署；这些新技术伴随着重大的系统设计挑战。为了在5G基站上采用大规模MIMO技术，设计师的任务是开发包含数百个天线元件的高度复杂的系统。许多利用有源相控阵天线来向特定用户提供波束成形和波束调制的能力。所有这些额外的天线都具有更好的性能，但是这些大型天线阵列消耗的功率更多，并且需要专用的RF前端（RFFE）芯片组和放大器。

构建支持这些新的Sub-6 GHz的5G应用的RF前端将是一个挑战。 RFFE电路对于4G系统的功率输出，选择性和功耗至关重要。 5G调制方案带来了额外的需求，因此无线基础设施功率放大器（PA）将需要非常高效才能实现必要的线性度。此外，峰值功率要求和最低功率要求之间的巨大差值也给功率放大器和RF前端带来了散热问题。