到2021年，估計全球會有更多的人擁有移動電話(55億)，將超過用上自來水的人數(shù)(53億)。與此同時，帶寬緊張的視頻應(yīng)用將進一步增加對移動網(wǎng)絡(luò)的需求，其會占移動流量的78%。使用大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)的 5G網(wǎng)絡(luò)將是支持這種增長的關(guān)鍵。根據(jù)Strategy Analytics的數(shù)據(jù)，預(yù)計5G移動連接將從2019年的500萬增長到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)的進步來幫助提高網(wǎng)絡(luò)速度。3G采用單用戶MIMO，其利用多個同時數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)從基站傳輸?shù)絾蝹€用戶。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(圖1)。5G將引入大規(guī)模MIMO，進一步提高容量并提供高達20 Gb / s的數(shù)據(jù)速率(圖2)。

圖2：MIMO的演進最終將導(dǎo)致大規(guī)模MIMO用于5G。

5G大規(guī)模MIMO

5G常喊的口號是增加網(wǎng)絡(luò)容量和數(shù)據(jù)速率，同時最大限度地降低運營商費用。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將幫助運營商實現(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。它將支持實時多媒體服務(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定向到各個用戶來減少能量消耗，波束成形技術(shù)將來自多個天線的信號聚焦成單個強光束。

空間復(fù)用和大規(guī)模MIMO優(yōu)勢

Massive-MIMO技術(shù)使用大型天線陣列(通常包括64個雙極化，但至少16個陣列元素)來利用空間復(fù)用(圖3)。空間復(fù)用在同一資源塊內(nèi)提供多個并行數(shù)據(jù)流。通過擴展虛擬通道的總數(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，每個空間信道攜帶獨立信息(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)建許多獨立的子信道，從而實現(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進行空間復(fù)用的每個信道都攜帶獨立的信息。

通過大規(guī)模MIMO，多個天線將發(fā)送和接收信號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真正用于移動通信之前，必須解決幾個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

雖然運營商和原始設(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)，因為該技術(shù)可以長距離提供高數(shù)據(jù)速率(圖5)。運營商最初預(yù)計將在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，并使基站能夠為城市地區(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)進步并非沒有系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)。Sub-6GHz大規(guī)模MIMO波束成形技術(shù)將推動對可用于大規(guī)模MIMO陣列的小型、經(jīng)濟高效的功率放大器(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8 dB或更高)下非常高效。達到必要的線性。

利用GaN實現(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：

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到50%~60%，顯著降低了發(fā)射功耗。

GaN PA的高功率密度可實現(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行，這意味著它可以使用更小的散熱器。這樣可以實現(xiàn)更緊湊的外形。

滿足6GHz以下的RFFE設(shè)計目標(biāo)

構(gòu)建RF前端(RFFE)以支持這些新的sub-6GHz 5G應(yīng)用將是一項挑戰(zhàn)。RFFE對系統(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了對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100 MHz)。GaN-on-silicon-carbide(GaN-on-SiC)Doherty PA在這些頻率下實現(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能夠在多個蜂窩頻段上運行，幫助網(wǎng)絡(luò)運營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，從而推動了對系統(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顯示了一個示例性sub-6GHz RFFE的框圖，該RFFE使用了Qorvo的Doherty PA設(shè)計來實現(xiàn)高效率。

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

結(jié)語

5G mass-MIMO sub-6GHz基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計已經(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，以支持全球運營商擴建。