對于下一代移動連接 5G 的迅速采用，人們充滿了興奮和期待。分析師預計，到 2020 年底，商用 5G 網絡數(shù)量將翻兩番，5G 連接總數(shù)將從 2019 年的 500 萬增長到 2025 年的 28 億，到 2026 年，全球 5G 技術市場將達到 6679 億美元。不幸的是，實現(xiàn)這些雄心勃勃的覆蓋目標并非易事，它需要對現(xiàn)有移動網絡基礎設施——尤其是射頻功率應用——進行重大改造。

為了滿足射頻前端功率需求，OEM 已轉向氮化鎵 (GaN)，這是一種對商業(yè)應用而言相對較新的半導體。它的功率效率、功率密度和處理更廣泛頻率的能力使其非常適合大規(guī)模 MIMO 基站。這個由四部分組成的系列將著眼于推動 GaN 采用的因素、它作為半導體的價值、嵌入式設計人員如何最好地將 GaN 集成到設備中，以及我們對即將到來的 GaN 創(chuàng)新的期望。

了解 MIMO

為客戶提供 5G 的多 Gbps 數(shù)據(jù)速度和超低延遲的全部潛力，需要移動運營商提高所有網絡參數(shù)的性能。這意味著對頻譜獲取、網絡基礎設施和傳輸技術進行大量投資。無論怎么做，5G 的全國推廣對于移動網絡運營商來說都是非常昂貴的。在不破產的情況下提供 5G 服務是阻礙其廣泛采用的最大障礙。盡管高頻毫米波備受關注，但運營商正在 Sub-6GHz 范圍內實施大規(guī)模 MIMO 技術，以最大限度地降低成本并在全國移動網絡中推出 5G。

MIMO，代表“多輸入多輸出”，是一種用于無線通信的天線技術，它使用多個天線來發(fā)送和接收信號。與傳統(tǒng)無線通信中使用的經典單天線不同，MIMO 通過不同的天線發(fā)送相同的數(shù)據(jù)作為多個信號。這允許空間復用，其中每個通道將獨立的信息傳送到接收器 - 與經典的單天線相比，MIMO 具有多個優(yōu)勢。

當射頻信號遇到建筑物等障礙物時，信號會發(fā)生散射并采用不同的路徑到達目標接收器。這種多徑傳播會導致單天線系統(tǒng)中接收不良、掉線和數(shù)據(jù)速度急劇下降。MIMO 無線電接收并組合相同數(shù)據(jù)的多個流，因此它能夠使用多路徑傳播來提高信號質量和強度。如果環(huán)境散射足夠豐富，則可以在相同分配的帶寬中創(chuàng)建許多獨立的子通道，從而產生質量和信號增益，而無需額外的帶寬或功率。網絡運營商可以專注于建造更多的天線來滿足需求，而不是更多的蜂窩塔。

MIMO 天線陣列還可以通過波束成形和波束控制將信號集中在單個用戶的方向上。單個天線向所有方向廣播無線信號，但通過數(shù)字和模擬方法，多個天線可以將特定方向的信號聚焦到接收器。這極大地提高了頻譜和功率效率。

5G 的大規(guī)模 MIMO

過去幾代無線技術都使用天線陣列技術中的 MIMO 進步來提高網絡速度。3G 引入了單用戶 MIMO，它利用多個同時數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)從基站傳輸?shù)絾蝹€用戶。4G 系統(tǒng)使用多用戶 MIMO，將不同的數(shù)據(jù)流分配給不同的用戶，以實現(xiàn)顯著的容量和性能優(yōu)勢。借助 5G 新無線電標準，MIMO 變得“龐大”。4G 系統(tǒng)通常配備四個發(fā)射天線和四個接收天線：一個 4×4 天線陣列。5G Massive MIMO 使用更多的發(fā)射和接收天線來提高傳輸增益和頻譜效率；一些數(shù)組大到 256×256。

由于大規(guī)模 MIMO 使用更多的天線，傳輸?shù)浇邮掌鞯男盘柌ㄊ枚?。它使基站能夠更精確、更高效地向客戶提供射頻能量。每個天線的相位和增益都是單獨控制的，并且由于信道信息將保留在基站中，因此移動設備將不需要多個接收器天線。大量的基站天線增加了小區(qū)的信噪比，從而導致更高的小區(qū)站點容量和吞吐量。

同樣重要的是，5G 技術建立在 4G 網絡基礎設施之上，并且可以使用動態(tài)頻譜共享與以前的技術共享頻譜。這使移動網絡運營商能夠增加網絡容量、提供高數(shù)據(jù)速率和節(jié)省頻譜，同時最大限度地減少運營商開支。

毫米波的承諾，低于 6 GHz 的現(xiàn)實

毫米波技術或 mmWave 和 5G 經常被誤認為是同義詞。毫米波是 5G 網絡使用的 24GHz 和 100GHz 之間的無線電頻譜頻段，以及“低頻段”和“6GHz 以下”頻率。以前認為它不適合移動通信，因為該頻段的信號會遭受高傳播損耗，并且會被建筑物、樹葉、雨水和人體阻擋。然而，這些短波長能夠在短距離內傳輸更多數(shù)據(jù)。很明顯，要實現(xiàn) 5G 的 20Gb/s 數(shù)據(jù)速率目標，最終將有必要使用毫米波頻譜。盡管移動通信領域的許多人對其承諾感到興奮，但并未對在全國范圍內推廣這項技術所面臨的后勤挑戰(zhàn)給予足夠的關注。

通過基站的鏡頭檢查毫米波時，這一點變得很清楚。毫米波基站的范圍比以較低頻率傳輸信號的蜂窩塔要小得多。為了實現(xiàn)全國覆蓋，研究人員估計美國網絡運營商將需要建立 1300 萬個基站。把這個數(shù)字放在上下文中，今天的美國移動網絡由大約 300,000 個蜂窩塔支持。毫米波昂貴的功耗要求進一步加劇了在全國實施所有這些毫米波基站的資本支出。在體育場館和城市熱點之外，未來幾年在全國范圍內推廣毫米波并不現(xiàn)實。

雖然原始設備制造商努力降低毫米波技術的成本，但 6GHz 以下頻段將是 5G 網絡運營商所依賴的。較低頻率的信號可以進一步穿透建筑物等障礙物，并在減弱之前覆蓋塔周圍的更大區(qū)域，適合農村和城市地區(qū)。這意味著 Sub-6 5G 還可以用更少的基站做更多的事情，并使用運營商已有的塔。

大規(guī)模 MIMO 基礎設施要求

盡管 Sub-6 5G 無法提供毫米波所見的巨大速度提升，但其大規(guī)模 MIMO 天線陣列將實現(xiàn)更多的同時連接，提高信號吞吐量，并在用戶覆蓋范圍和容量之間實現(xiàn)最佳平衡。這是一個更現(xiàn)實的實現(xiàn)路徑。Sub-6GHz 5G 的推出將比毫米波部署更快地提高移動寬帶的速度和一致性。它在向完全集成的 5G 網絡邁進的同時，可以立即改進當前的 4G 系統(tǒng)。這就是為什么許多業(yè)內人士希望運營商競標更低的頻譜范圍，在這些范圍內他們可以利用動態(tài)頻譜共享在相同的頻段內提供 3G、4G 和 5G 服務。我們已經在國際 5G 實施中看到了這種方法。

這并不是說 Sub-6 5G 很容易推出。這些新技術伴隨著重大的系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)。為了在 5G 基站上采用大規(guī)模 MIMO 技術，設計人員的任務是開發(fā)包含數(shù)百個天線元件的高度復雜的系統(tǒng)。許多人利用有源相控陣天線為特定用戶提供動態(tài)整形和控制波束的能力。所有這些額外的天線都等同于更好的性能，但這些大型天線陣列消耗更多的功率并且需要專用的射頻前端 (RFFE) 芯片組和放大。

構建射頻前端以支持這些新的 Sub-6 5G 應用將是一項挑戰(zhàn)。RFFE 電路已經對 4G 系統(tǒng)的功率輸出、選擇性和功耗至關重要。5G 調制方案帶來了額外的需求，因此無線基礎設施功率放大器 (PA) 需要非常高效才能實現(xiàn)必要的線性度。此外，峰值和最小功率要求之間的巨大差異會給功率放大器和射頻前端帶來熱問題。

在本系列的下一篇文章中，我們將探討行業(yè)如何進行創(chuàng)新以滿足 5G 對嵌入式系統(tǒng)提出的新需求，從而推動從傳統(tǒng) LDMOS 放大器向基于 GaN 的解決方案的轉變。

? ? ? ?審核編輯：郭婷