詳細解讀MIMO與毫米波的未來，Sub-6GHz的現實及大規(guī)?；A設施

為了滿足 RF 前端的功率需求，原始設備制造商（OEM）開始使用氮化鎵 （GaN）這種相對較新的商用半導體材料。其功率效率、功率密度以及處理更寬頻率范圍的能力使其非常適合大規(guī)模 MIMO 基站應用。

人們對新一代移動網絡 5G 的迅速普及感到非常興奮，同時也充滿了期待。分析師預測，2020 年商用 5G 網絡的數量翻兩番；5G 連接的總數將從 2019 年的 500 萬增長到 2025 年的 28 億；到 2026 年，5G 技術的全球市場規(guī)模將達到 6679 億美元。遺憾的是，要實現這些宏偉的覆蓋目標并非易事，它需要對現有移動網絡基礎設施（尤其是射頻電源應用）進行重大變革。

為了滿足 RF 前端的功率需求，原始設備制造商（OEM）開始使用氮化鎵 （GaN）這種相對較新的商用半導體材料。其功率效率、功率密度以及處理更寬頻率范圍的能力使其非常適合大規(guī)模 MIMO 基站應用。本系列文章共有四部分，將分別探討采用 GaN 的驅動因素、GaN 的半導體應用價值、嵌入式設計人員如何將 GaN 合理整合到設備中，以及未來將會出現哪些 GaN 創(chuàng)新。

全面了解 MIMO

要想充分發(fā)揮 5G 的數 Gbps 數據傳輸速度和超低延遲潛力，移動運營商需提高所有網絡參數的性能。這意味著要對頻譜采集、網絡基礎設施和傳輸技術進行大量投資。無論采取何種方式實現，對移動網絡運營商來說，在全國范圍內部署 5G 的成本都非常高。以較低成本提供 5G 服務是普及 5G 技術的最大障礙。盡管高頻毫米波備受關注，但運營商目前仍采用 Sub-6GHz 大規(guī)模 MIMO 技術，以最大限度地降低成本，并在全國移動網絡中部署 5G。

MIMO（多路輸入/多路輸出）是一種無線通信的天線技術，它采用多天線發(fā)送和接收信號。

與傳統(tǒng)無線通信中通常使用單天線不同，MIMO 通過不同天線以多種信號的形式發(fā)送相同數據。這樣就可以實現空間復用，其中每個信道都向接收器傳送獨立信息，因此與傳統(tǒng)的單天線相比，MIMO 具有諸多優(yōu)勢。

當射頻信號遇到建筑物等障礙物時，信號會散射，并通過不同的路徑到達目標接收器。在單天線系統(tǒng)中，這種多路徑傳播會導致接收不良、通話斷線以及數據傳輸速度急劇下降等問題。MIMO 無線電可接收合并多個相同數據的傳輸流，因此可使用多路徑傳播來提高信號質量和強度。如果傳播環(huán)境中散射足夠豐富，在分配的相同帶寬中會生成許多獨立的子信道，從而在不需要額外帶寬或功率的情況下，實現質量和信號增益。網絡運營商可專注于構建更多天線來滿足需求，而不是更多基站。

MIMO 天線陣列還可以利用波束成形和波束控制技術將信號聚焦于單個用戶方向。單天線向所有方向傳播無線信號，而通過數字和模擬方式，多天線可以將信號聚焦到特定方向，指向接收器，這大大提高了頻譜效率和功率效率。

5G 大規(guī)模 MIMO

歷代無線技術都利用 MIMO 天線陣列技術的進步來提高網絡速度。3G 引入單用戶 MIMO，后者利用多個同步數據流將數據從基站傳輸給單個用戶。4G 系統(tǒng)運用多用戶 MIMO 技術，將不同數據流分配給不同用戶，以實現明顯的容量和性能優(yōu)勢。利用 5G 新無線標準，MIMO 可實現“大規(guī)?！辈渴稹?G 系統(tǒng)通常配備四個發(fā)射天線和四個接收天線，即 4x4 天線陣列。5G 大規(guī)模 MIMO 采用更多的發(fā)射和接收天線來提高發(fā)射增益和頻譜效率；有些陣列達到 256x256。

由于大規(guī)模 MIMO 采用更多天線，因此發(fā)送到接收器的信號波束要窄得多。這樣，基站就能夠更精確、更有效地向客戶提供 RF 能量。每個天線的相位和增益都是單獨控制，并且信道信息將保留在基站，所以移動設備無需使用多個接收器天線。大量的基站天線會提高基站的信噪比，從而提高基站的容量和吞吐量。

同樣重要的是，5G 技術基于 4G 網絡基礎設施構建，并且可以通過動態(tài)頻譜共享與之前的技術共享頻譜。這樣，移動網絡運營商就能夠提高網絡容量，支持高速數據傳輸，并節(jié)約頻譜，同時盡可能降低運營費用。

毫米波的未來，Sub-6 GHz 現實

毫米波技術（或 mmWave）和 5G 常被誤認為是同義詞。毫米波是 5G 網絡使用的 24GHz 至 100GHz 射頻頻譜上的一個頻段，Sub-6 GHz 是指“低頻段”和“6 GHz 以下”頻率。由于該頻段的信號傳播損耗高，并且會被建筑物、樹葉、雨水和人體阻擋，所以之前我們認為毫米波不適合用于移動通信。然而，這些短波長能夠在短距離內傳輸更多數據。顯然，要想實現 5G 的 20Gb/s 數據速率目標，最終需使用毫米波頻譜。雖然移動通信領域的許多人都對其發(fā)展前景興奮不已，但在全國范圍內推廣該技術所面臨的物流挑戰(zhàn)并未得到足夠的重視。

若從基站的角度來看毫米波，這一點就尤為明顯。毫米波基站的傳輸范圍比發(fā)射更低頻率信號的基站塔更小。據研究人員估計，為實現全國覆蓋，美國網絡運營商將需要構建 1300 萬個基站。相比之下，支持當今美國移動網絡的基站塔數量約為 30 萬個。由于滿足毫米波功耗要求的成本非常高，所以在全國范圍內實現這些毫米波基站的資本支出進一步增加。除體育館和城市熱點之外，未來幾年在全國部署毫米波技術是不現實的。

雖然 OEM 廠商在努力降低毫米波技術的成本，但 5G 網絡運營商仍將依賴于 Sub-6 GHz 頻段。低頻信號能進一步穿透建筑物等障礙物，并在消失前覆蓋基站塔周圍更大的區(qū)域范圍，因此適合農村和城市地區(qū)。這意味著，Sub-6 GHz 的 5G 網絡可通過更少的基站實現更大的覆蓋范圍，并可使用運營商現有的基站。

大規(guī)模 MIMO 基礎設施需求

盡管 Sub-6 GHz 的 5G 網絡無法像毫米波技術那樣實現大幅的速度提升，但其大規(guī)模 MIMO 天線陣列可支持更多的同步連接，提高信號吞吐量，并在用戶覆蓋和容量之間實現最佳平衡。所以說，Sub-6 GHz 的 5G 是更加切實可行的實現途徑。與毫米波部署相比，Sub-6 GHz 的 5G 可更迅速地提高移動寬帶的速度和一致性。在向全集成式 5G 網絡邁進的同時，它還可以即時改進當前的 4G 系統(tǒng)。因此，許多業(yè)內人士希望運營商競標較低頻譜范圍，以便利用動態(tài)頻譜共享在同一頻段提供 3G、4G 和 5G 服務。我們已看到有國際 5G 實施方案運用了這種方法。韓國兩年前就開始推出低頻 5G，而中國將對其整個網絡基礎設施進行改革，以便在未來幾年內實現全國范圍的 5G 覆蓋。

這并不是說 Sub-6 GHz 的 5G 部署非常簡單；這些新技術也會帶來巨大的系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)。為了在 5G 基站上采用大規(guī)模 MIMO 技術，設計人員需要開發(fā)包含數百個天線元件的高度復雜的系統(tǒng)。許多系統(tǒng)采用有源相位陣列天線，以便向特定用戶提供動態(tài)波束成形和波束控制功能。所有這些附加天線可提高性能，但這些大型天線陣列需要更多功率，并要求使用專用的 RF 前端 （RFFE） 芯片組和放大器。

構建 RF 前端以支持這些新的 Sub-6 GHz 5G 應用將是一項挑戰(zhàn)。RFFE 電路對 4G 系統(tǒng)的功率輸出、選擇性和功耗都至關重要。5G 調制機制提出了額外的需求，因此無線基礎設施功率放大器 （PA） 需具備非常高的效率，才能實現所需的線性度。此外，峰值功率和最低功率要求之間的巨大差異會給功率放大器和 RF 前端帶來散熱問題。
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