到2021年，估計(jì)全球會(huì)有更多的人擁有移動(dòng)電話(55億)，將超過用上自來水的人數(shù)(53億)。與此同時(shí)，帶寬緊張的視頻應(yīng)用將進(jìn)一步增加對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的需求，其會(huì)占移動(dòng)流量的78%。使用大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)的 5G網(wǎng)絡(luò)將是支持這種增長(zhǎng)的關(guān)鍵。根據(jù)Strategy Analytics的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)5G移動(dòng)連接將從2019年的500萬增長(zhǎng)到2023年的近6億。

MIMO技術(shù)

如圖1所示，單用戶MIMO系統(tǒng)用于3G，而4G采用多用戶MIMO系統(tǒng)技術(shù)。

圖1

每一代無線技術(shù)都利用天線技術(shù)的進(jìn)步來幫助提高網(wǎng)絡(luò)速度。3G采用單用戶MIMO，其利用多個(gè)同時(shí)數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)從基站傳輸?shù)絾蝹€(gè)用戶。多用戶MIMO是4G系統(tǒng)中的主導(dǎo)技術(shù)，它為不同用戶分配不同的數(shù)據(jù)流，與3G相比具有顯著的容量和性能優(yōu)勢(shì)(圖1)。5G將引入大規(guī)模MIMO，進(jìn)一步提高容量并提供高達(dá)20 Gb / s的數(shù)據(jù)速率(圖2)。

圖2：MIMO的演進(jìn)最終將導(dǎo)致大規(guī)模MIMO用于5G。

5G大規(guī)模MIMO

5G常喊的口號(hào)是增加網(wǎng)絡(luò)容量和數(shù)據(jù)速率，同時(shí)最大限度地降低運(yùn)營(yíng)商費(fèi)用。用戶也越來越希望無線數(shù)據(jù)服務(wù)能夠提供有線質(zhì)量。

5G大規(guī)模MIMO將幫助運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。它將為許多用戶提供高數(shù)據(jù)速率，有助于提高容量。它將支持實(shí)時(shí)多媒體服務(wù)，而無需額外的頻譜。此外，大規(guī)模MIMO將通過利用波束成形將信號(hào)定向到各個(gè)用戶來減少能量消耗，波束成形技術(shù)將來自多個(gè)天線的信號(hào)聚焦成單個(gè)強(qiáng)光束。

空間復(fù)用和大規(guī)模MIMO優(yōu)勢(shì)

Massive-MIMO技術(shù)使用大型天線陣列(通常包括64個(gè)雙極化，但至少16個(gè)陣列元素)來利用空間復(fù)用(圖3)?？臻g復(fù)用在同一資源塊內(nèi)提供多個(gè)并行數(shù)據(jù)流。通過擴(kuò)展虛擬通道的總數(shù)，它可以增加容量和數(shù)據(jù)速率，而無需額外的塔和頻譜。

圖3：各種益處都與大規(guī)模MIMO相關(guān)，例如空間復(fù)用。

在空間復(fù)用中，每個(gè)空間信道攜帶獨(dú)立信息(圖4)。如果環(huán)境散射足夠豐富，則在相同的分配帶寬中創(chuàng)建許多獨(dú)立的子信道，從而實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用增益而不帶來額外的帶寬或功率成本。多路復(fù)用增益也稱為參考信號(hào)空間星座的自由度; 在大規(guī)模MIMO配置中，自由度控制著系統(tǒng)的整體容量。

圖4：與大規(guī)模MIMO進(jìn)行空間復(fù)用的每個(gè)信道都攜帶獨(dú)立的信息。

通過大規(guī)模MIMO，多個(gè)天線將發(fā)送和接收信號(hào)集中到較小的空間區(qū)域，從而大大提高了吞吐量和能效。數(shù)據(jù)流越多，數(shù)據(jù)速率越高，輻射功率的使用效率越高。這種方法還提高了鏈路可靠性。天線的增加意味著可以在空間分集上花費(fèi)更多的自由度。它提高了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流的選擇性，并增強(qiáng)了干擾消除功能。

大規(guī)模MIMO帶來的好處包括：

防止在不希望的方向上傳輸，減輕干擾

減少延遲，實(shí)現(xiàn)更快的速度和更高的可靠性

減少衰落和下降，提高信噪比(SNR)

提高頻譜效率和高可靠性

提高能源效率

5G大規(guī)模MIMO和Sub-6GHz部署

很明顯，為了實(shí)現(xiàn)20Gb / s數(shù)據(jù)速率的5G目標(biāo)，有必要使用毫米波(mmWave)頻譜。但是，在mmWave真正用于移動(dòng)通信之前，必須解決幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

雖然運(yùn)營(yíng)商和原始設(shè)備制造商(OEM)正在努力完善mmWave技術(shù)，但6GHz以下將成為近期的5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Sub-6GHz頻率適用于農(nóng)村和城市地區(qū)，因?yàn)樵摷夹g(shù)可以長(zhǎng)距離提供高數(shù)據(jù)速率(圖5)。運(yùn)營(yíng)商最初預(yù)計(jì)將在3,300~4,200-MHz和4,400~5,000MHz頻率范圍內(nèi)部署5G，這將允許高達(dá)100MHz的信道帶寬。

圖5：覆蓋范圍和容量的差異在5G mmWave和6GHz之間是不同的。

Sub-6GHz大規(guī)模MIMO將通過在基站使用大量天線來解決干擾問題，并使基站能夠?yàn)槌鞘械貐^(qū)的大量用戶提供服務(wù)。Massive MIMO還可提高峰值，平均值和小區(qū)邊緣吞吐量，通過在用戶覆蓋和容量之間提供最佳平衡來最大化成本效率。

然而，這些技術(shù)進(jìn)步并非沒有系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。Sub-6GHz大規(guī)模MIMO波束成形技術(shù)將推動(dòng)對(duì)可用于大規(guī)模MIMO陣列的小型、經(jīng)濟(jì)高效的功率放大器(PA)的需求。此外，由于5G調(diào)制方案變得越來越復(fù)雜(即256 QAM)，無線基礎(chǔ)設(shè)施功率放大器將需要在深輸出功率回退條件(高達(dá)8 dB或更高)下非常高效。達(dá)到必要的線性。

利用GaN實(shí)現(xiàn)5G Mass-MIMO Sub-6GHz

氮化鎵(GaN)技術(shù)可以在sub-6GHz 5G應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，有助于實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率等目標(biāo)。

高輸出功率、線性度和功耗要求正在推動(dòng)基站和網(wǎng)絡(luò)OEM部署的PA從使用LDMOS技術(shù)轉(zhuǎn)換到GaN。GaN為5G sub-6GHz大規(guī)模MIMO基站應(yīng)用提供了多種優(yōu)勢(shì)：

GaN在3.5GHz及以上頻率下表現(xiàn)良好，而LDMOS在這些高頻下受到挑戰(zhàn)。

GaN具有高擊穿電壓，高電流密度，高過渡頻率，低導(dǎo)通電阻和低寄生電容。這些特性可轉(zhuǎn)化為高輸出功率、寬帶寬和高效率。

采用Doherty PA配置的GaN在100 W輸出功率下的平均效率達(dá)到50%~60%，顯著降低了發(fā)射功耗。

GaN PA的高功率密度可實(shí)現(xiàn)需要較少印刷電路板(PCB)空間的小尺寸。

在Doherty PA配置中使用GaN允許使用四方扁平無引線(QFN)塑料封裝而不是昂貴的陶瓷封裝。

GaN在高頻和寬帶寬下的效率意味著大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可以更緊湊。GaN可在較高的工作溫度下可靠運(yùn)行，這意味著它可以使用更小的散熱器。這樣可以實(shí)現(xiàn)更緊湊的外形。

滿足6GHz以下的RFFE設(shè)計(jì)目標(biāo)

構(gòu)建RF前端(RFFE)以支持這些新的sub-6GHz 5G應(yīng)用將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。RFFE對(duì)系統(tǒng)的功率輸出、選擇性和功耗至關(guān)重要。復(fù)雜性和更高的頻率范圍推動(dòng)了對(duì)RFFE集成、尺寸減小、更低功耗、高輸出功率、更寬帶寬、改善線性度和增加接收器靈敏度的需求。此外，收發(fā)器、RFFE和天線之間的耦合要求更嚴(yán)格。

5G sub-6GHz RFFE的一些目標(biāo)，以及GaN PA如何幫助實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)呢?具體包括如下：

更高的頻率和更高的帶寬：5G使用比4G更高的頻率，并且需要更寬的分量載波帶寬(高達(dá)100 MHz)。GaN-on-silicon-carbide(GaN-on-SiC)Doherty PA在這些頻率下實(shí)現(xiàn)比LDMOS更寬的帶寬和更高的功率附加效率(PAE)。GaN器件的更高效率，更高輸出阻抗和更低寄生電容允許更容易的寬帶匹配和擴(kuò)展到非常高的輸出功率。

在更高數(shù)據(jù)速率下的高功率效率：GaN具有軟壓縮特性，使其更容易預(yù)失真和線性化。因此，它更容易用于數(shù)字預(yù)失真(DPD)高效應(yīng)用。GaN能夠在多個(gè)蜂窩頻段上運(yùn)行，幫助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商部署載波聚合以增加頻譜并創(chuàng)建更大的數(shù)據(jù)管道以增加網(wǎng)絡(luò)容量。

最大限度地降低系統(tǒng)功耗：我們?nèi)绾螡M足5G的高數(shù)據(jù)率要求?我們需要更多基礎(chǔ)設(shè)施，例如數(shù)據(jù)中心，服務(wù)器和小型蜂窩。這意味著網(wǎng)絡(luò)功耗的整體增加，從而推動(dòng)了對(duì)系統(tǒng)效率和整體功率節(jié)省的需求，這似乎很難。同樣，GaN可以通過提供高輸出功率以及提高基站效率來提供解決方案。

圖6顯示了一個(gè)示例性sub-6GHz RFFE的框圖，該RFFE使用了Qorvo的Doherty PA設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)高效率。

圖6：這種sub-6GHz的大規(guī)模MIMO RFFE包括Doherty PA。

結(jié)語(yǔ)

5G mass-MIMO sub-6GHz基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)已經(jīng)推出。這意味著現(xiàn)在必須提供解決更高頻率、更高功率輸出和更低功耗所需的技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以支持全球運(yùn)營(yíng)商擴(kuò)建。