5G 最早的用途之一會是固定無線接入 (FWA) ，后者能夠提供千兆級網(wǎng)速。向家庭、公寓或企業(yè)提供 FWA 所花費的時間和成本僅是傳統(tǒng)電纜/光纖安裝的一小部分。就像任何其他技術進步一樣，F(xiàn)WA 帶來了新的設計難題，讓人們需要做出新的技術決策。下面我們將深入探討在設計 FWA 系統(tǒng)時需要考慮的五個因素:
- 頻譜選擇:毫米波 (mmWave) 或 6 GHz 以下
- 使用天線陣列實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率
- 全數(shù)字或混合波束成形
- 功率放大器 (PA) 技術選擇:硅鍺 (SiGe) 或氮化鎵 (GaN)
- 從現(xiàn)有的 RF 前端 (RFFE) 產(chǎn)品組合中選擇組件
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頻譜選擇：毫米波還是 6 GHz 以下
第一個要做出的決策是 FWA 使用毫米波還是 6 GHz 以下頻率:
毫米波。這類較高的頻率能夠以低成本提供大量的連續(xù)頻譜。毫米波支持寬達 400MHz 的分量載波，能夠實現(xiàn)千兆級數(shù)據(jù)速率。其中的挑戰(zhàn)是植被、建筑和干擾等障礙的影響會導致路徑損耗。但是，不要認為 FWA 只能在基站與家庭之間視線障礙較少的環(huán)境中使用。實際上，F(xiàn)WA 在城市和郊區(qū)環(huán)境下都可以表現(xiàn)良好。植被和干擾確實帶來了挑戰(zhàn)，但是可以使用天線陣列提供高增益來克服這些問題。
6 GHz 以下。這類較低的頻譜有助于克服障礙物導致的問題，但是也要付出一定代價。由于只能提供 100MHz的連續(xù)頻譜，因此數(shù)據(jù)速率較低。
有效使用頻率范圍(6 GHz 以下或毫米波)對于實現(xiàn)擴展部署來說至關重要。無論在何種情形中，進行選擇時都需要均衡考慮目標速率與覆蓋范圍。
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使用天線陣列實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率
FWA 系統(tǒng)還需要采用有源天線系統(tǒng) (AAS) 和大規(guī)模 MIMO(多路輸入/多路輸出)，以便提供千兆級服務。
AAS 提供了許多定向天線波束。這些波束在不到一微妙的時間內重新定向，進而實現(xiàn)波束成形，用于補償高頻率下的較大路徑損耗。
大規(guī)模 MIMO 使用由數(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)千個天線組成的陣列，能夠同時向每位用戶傳輸單個或多個數(shù)據(jù)流。這既提升了容量和可靠性，又實現(xiàn)了高數(shù)據(jù)速率和低延遲。波束成形還可以減少小區(qū)間干擾并優(yōu)化信號覆蓋。
進一步了解本電子書介紹的 AAS 和 MIMO。
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全數(shù)字或混合波束成形
第三個考慮因素是采用什么類型的波束成形——全數(shù)字還是混合型。
全數(shù)字方法
在毫米波基站應用中，最顯而易見的選擇是升級當前的平臺。您可以探索用于 6 GHz 以下頻率的全數(shù)字波束成形大規(guī)模 MIMO 擴展平臺，但這并不是即插即用型解決方案
全數(shù)字方法存在以下限制：
功耗。數(shù)字波束成形需要使用許多低分辨率模數(shù)轉換器(ADC)。但是，具有高采樣頻率和標準有效位數(shù)分辨率的 ADC 可能產(chǎn)生大量功耗。
這樣的功耗會成為接收器的瓶頸。對于全數(shù)字波束成形解決方案來說，具有海量帶寬的大型 AAS 是一個巨大挑戰(zhàn)。從根本上說，功耗會限制這種設計。
在密集城市環(huán)境中需要使用二維掃描。所需的掃描范圍取決于部署場景，如下圖所示。在高密度的城市部署中，方位角(約 120°)和仰角(約 90°)方向都需要較寬的掃描范圍。對于郊區(qū)部署，仰角平面的固定或有限掃描范圍 (< 20°) 可能就足夠了。郊區(qū)部署只需有限的掃描范圍或一半的有源信道，就能夠實現(xiàn)相同的全向性輻射功率 (EIRP)，從而有效降低了功耗和成本。
記住：陣列大小取決于以下方面：
- 掃描范圍(方位角和仰角)
- 所需的 EIRP
EIRP 是以下幾個數(shù)值的乘積：
- 有源信道的數(shù)量
- 每個信道的傳導發(fā)射功率
- 波束成形增益(陣列系數(shù))
- 固有天線元件增益
為了實現(xiàn) 75dBm 的目標 EIRP 和波束成形增益，全數(shù)字解決方案在使用當今技術的情況下將需要 16 個收發(fā)器。這相當于 440W 的總功耗。但是對于戶外被動冷卻、塔頂電子設備，當 RF 子系統(tǒng)的功耗超過 300W 時，熱管理就相當具有挑戰(zhàn)性。因此，我們需要新的技術解決方案。
高效率的 GaN Doherty PA 和數(shù)字預失真 (DPD) 相結合或可提供所需的裕度，但是這類器件在毫米波應用中的使用仍處于研發(fā)階段。不過也不需要太久，我們就能看到全數(shù)字波束成形解決方案。以下幾個方面的發(fā)展將會使它成為現(xiàn)實：
新一代節(jié)能的數(shù)模轉換器和模數(shù)轉換器
毫米波 CMOS 收發(fā)器進步
小信號集成度提高
混合方法
另一種方法是混合波束成形，其中預編碼和組合在基帶和 RF 前端模塊 (FEM) 區(qū)域中完成。由于 RF 鏈、模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器的總數(shù)量有所減少，混合波束成形既能實現(xiàn)與數(shù)字波束成形相似的性能，同時又可以節(jié)省能源并降低復雜度。
混合波束成形的另一個優(yōu)勢是，可以同時滿足郊區(qū)部署的固定或有限掃描范圍 (< 20°) 和高密度城市部署所需的寬方位角 (約 120°) 和仰角 (約 90°) 掃描范圍。
歸根結底：全數(shù)字方法和混合方法各有利弊。我們認為，目前混合方法更具吸引力和可行性，但是在未來，即將問世的新產(chǎn)品可能會使全數(shù)字方法同樣具有吸引力。
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PA 技術選擇：SiGe 還是 GaN
在選擇用于 FWA 前端的技術時，需要考慮系統(tǒng)在 EIRP、天線增益和噪聲系數(shù) (NF) 方面的需求。這些都由波束成形增益確定，而波束成形增益則由陣列大小確定。目前，您可以選擇使用 SiGe 前端或 GaN 前端來滿足所需的系統(tǒng)需求。
美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 已經(jīng)規(guī)定了 28GHz 和 39GHz 頻譜的 EIRP 最高限值，如下表所示。
為了使用均勻矩形陣列實現(xiàn) 75dBm EIRP，每個信道的 PA 功率輸出將隨著元件數(shù)量的增加(即波束成形增益的增加)而減少。如下圖所示，隨著陣列大小變得越來越大(超過 512 個有源元件)，每個元件的輸出功率將變得足夠小，以便使用 SiGe PA，然后 SiGe PA 集成至核心波束成形器 RFIC 中。
從下表可以看出，SiGe PA 可以通過 1024 個有源信道實現(xiàn) 65dBm EIRP。但是，如果前端采用 GaN 技術，則實現(xiàn)相同 EIRP 所需的信道數(shù)減少到 1/16。
GaN FWA 前端還具備以下優(yōu)點:
總功耗更低。為確保比較的準確性，GaN 功耗還包括饋入前端所需的 128 個波束成形器分支的 19.2W 功耗。如下圖所示，在目標 EIRP 為 65dBm 時，GaN 的總功耗 (127Pdiss) 低于 SiGe。這對于塔頂系統(tǒng)設計來說較為有利。
可靠性更高。GaN 比 SiGe 更為可靠，在 200°C 結溫條件下的 MTTF 超過 107 小時。而 SiGe 的結溫限制大約為 130°C。
尺寸更小，復雜度更低。GaN 的高功率能力可以減少陣列元件數(shù)量和陣列尺寸，從而簡化了裝配過程，并縮小了整個系統(tǒng)尺寸。
總而言之:在無線基礎設施應用中，設備壽命必須至少為 10 年，因此可靠性至關重要。對于 FWA 來說，綜合考慮可靠性、成本、低功耗和陣列尺寸后，選擇 GaN 比選擇 SiGe 更好。
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從現(xiàn)有的 RF 技術中選擇
最后一個考慮因素是選擇實際應用中正在使用的產(chǎn)品解決方案。多家 RF 公司已經(jīng)有意支持研發(fā) 6 GHz 以下和厘米波/毫米波 FWA 基礎設施。例如，Qorvo 已經(jīng)在供應相關產(chǎn)品，用于多個第 1 層和第 2 層供應商現(xiàn)場試驗。在整個 RF 行業(yè)，F(xiàn)WA 產(chǎn)品示例包括:
6 GHz 以下產(chǎn)品:雙通道開關/LNA 模塊和集成式 Doherty PA 模塊
厘米波/毫米波:集成式發(fā)送和接收模塊
此外，在 5G 基礎設施領域中，還必須考慮以下幾個因素:
集成
滿足高溫條件下的被動冷卻需求
為了響應這些趨勢，Qorvo 已經(jīng)打造了用于厘米波/毫米波的集成發(fā)送和接收模塊，以及集成式 GaN 前端模塊。這些集成模塊包括 PA、開關和 LNA，并且具有高增益，能夠驅動核心波束成形器 RFIC。為了滿足基礎設施的被動式冷卻規(guī)格要求，我們采用碳化硅基氮化鎵 (GaN-on-SiC) 來支持更高的結溫條件。
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