為了滿足 RF 前端的功率需求，原始設(shè)備制造商（OEM）開始使用氮化鎵 （GaN）這種相對較新的商用半導(dǎo)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(yīng)用。

人們對新一代移動網(wǎng)絡(luò) 5G 的迅速普及感到非常興奮，同時也充滿了期待。分析師預(yù)測，2020 年商用 5G 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量翻兩番；5G 連接的總數(shù)將從 2019 年的 500 萬增長到 2025 年的 28 億；到 2026 年，5G 技術(shù)的全球市場規(guī)模將達(dá)到 6679 億美元。遺憾的是，要實(shí)現(xiàn)這些宏偉的覆蓋目標(biāo)并非易事，它需要對現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（尤其是射頻電源應(yīng)用）進(jìn)行重大變革。

為了滿足 RF 前端的功率需求，原始設(shè)備制造商（OEM）開始使用氮化鎵 （GaN）這種相對較新的商用半導(dǎo)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(yīng)用。本系列文章共有四部分，將分別探討采用 GaN 的驅(qū)動因素、GaN 的半導(dǎo)體應(yīng)用價值、嵌入式設(shè)計(jì)人員如何將 GaN 合理整合到設(shè)備中，以及未來將會出現(xiàn)哪些 GaN 創(chuàng)新。

全面了解 MIMO

要想充分發(fā)揮 5G 的數(shù) Gbps 數(shù)據(jù)傳輸速度和超低延遲潛力，移動運(yùn)營商需提高所有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的性能。這意味著要對頻譜采集、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和傳輸技術(shù)進(jìn)行大量投資。無論采取何種方式實(shí)現(xiàn)，對移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商來說，在全國范圍內(nèi)部署 5G 的成本都非常高。以較低成本提供 5G 服務(wù)是普及 5G 技術(shù)的最大障礙。盡管高頻毫米波備受關(guān)注，但運(yùn)營商目前仍采用 Sub-6GHz 大規(guī)模 MIMO 技術(shù)，以最大限度地降低成本，并在全國移動網(wǎng)絡(luò)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(shù)，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(shù)據(jù)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，其中每個信道都向接收器傳送獨(dú)立信息，因此與傳統(tǒng)的單天線相比，MIMO 具有諸多優(yōu)勢。

當(dāng)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(dá)目標(biāo)接收器。在單天線系統(tǒng)中，這種多路徑傳播會導(dǎo)致接收不良、通話斷線以及數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的傳輸流，因此可使用多路徑傳播來提高信號質(zhì)量和強(qiáng)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(dú)立的子信道，從而在不需要額外帶寬或功率的情況下，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和信號增益。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可專注于構(gòu)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(shù)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(shù)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(shù)都利用 MIMO 天線陣列技術(shù)的進(jìn)步來提高網(wǎng)絡(luò)速度。3G 引入單用戶 MIMO，后者利用多個同步數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)從基站傳輸給單個用戶。4G 系統(tǒng)運(yùn)用多用戶 MIMO 技術(shù)，將不同數(shù)據(jù)流分配給不同用戶，以實(shí)現(xiàn)明顯的容量和性能優(yōu)勢。利用 5G 新無線標(biāo)準(zhǔn)，MIMO 可實(shí)現(xiàn)“大規(guī)模”部署。4G 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(dá)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(dú)控制，并且信道信息將保留在基站，所以移動設(shè)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(shù)基于 4G 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建，并且可以通過動態(tài)頻譜共享與之前的技術(shù)共享頻譜。這樣，移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商就能夠提高網(wǎng)絡(luò)容量，支持高速數(shù)據(jù)傳輸，并節(jié)約頻譜，同時盡可能降低運(yùn)營費(fèi)用。

毫米波的未來，Sub-6 GHz 現(xiàn)實(shí)

毫米波技術(shù)（或 mmWave）和 5G 常被誤認(rèn)為是同義詞。毫米波是 5G 網(wǎng)絡(luò)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(rèn)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(nèi)傳輸更多數(shù)據(jù)。顯然，要想實(shí)現(xiàn) 5G 的 20Gb/s 數(shù)據(jù)速率目標(biāo)，最終需使用毫米波頻譜。雖然移動通信領(lǐng)域的許多人都對其發(fā)展前景興奮不已，但在全國范圍內(nèi)推廣該技術(shù)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(diǎn)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(jù)研究人員估計(jì)，為實(shí)現(xiàn)全國覆蓋，美國網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將需要構(gòu)建 1300 萬個基站。相比之下，支持當(dāng)今美國移動網(wǎng)絡(luò)的基站塔數(shù)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(nèi)實(shí)現(xiàn)這些毫米波基站的資本支出進(jìn)一步增加。除體育館和城市熱點(diǎn)之外，未來幾年在全國部署毫米波技術(shù)是不現(xiàn)實(shí)的。

雖然 OEM 廠商在努力降低毫米波技術(shù)的成本，但 5G 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商仍將依賴于 Sub-6 GHz 頻段。低頻信號能進(jìn)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(nóng)村和城市地區(qū)。這意味著，Sub-6 GHz 的 5G 網(wǎng)絡(luò)可通過更少的基站實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍，并可使用運(yùn)營商現(xiàn)有的基站。

大規(guī)模 MIMO 基礎(chǔ)設(shè)施需求

盡管 Sub-6 GHz 的 5G 網(wǎng)絡(luò)無法像毫米波技術(shù)那樣實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)最佳平衡。所以說，Sub-6 GHz 的 5G 是更加切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)邁進(jìn)的同時，它還可以即時改進(jìn)當(dāng)前的 4G 系統(tǒng)。因此，許多業(yè)內(nèi)人士希望運(yùn)營商競標(biāo)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(wù)。我們已看到有國際 5G 實(shí)施方案運(yùn)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(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改革，以便在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(shù)也會帶來巨大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為了在 5G 基站上采用大規(guī)模 MIMO 技術(shù)，設(shè)計(jì)人員需要開發(fā)包含數(shù)百個天線元件的高度復(fù)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(gòu)建 RF 前端以支持這些新的 Sub-6 GHz 5G 應(yīng)用將是一項(xiàng)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(guān)重要。5G 調(diào)制機(jī)制提出了額外的需求，因此無線基礎(chǔ)設(shè)施功率放大器 （PA） 需具備非常高的效率，才能實(shí)現(xiàn)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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