了解sub-6Ghz大规模MIMO基础设施

对于下一代移动连接 5G 的迅速采用，人们充满了兴奋和期待。分析师预计，到 2020 年底，商用 5G 网络数量将翻两番，5G 连接总数将从 2019 年的 500 万增长到 2025 年的 28 亿，到 2026 年，全球 5G 技术市场将达到 6679 亿美元。不幸的是，实现这些雄心勃勃的覆盖目标并非易事，它需要对现有移动网络基础设施——尤其是射频功率应用——进行重大改造。

为了满足射频前端功率需求，OEM 已转向氮化镓 (GaN)，这是一种对商业应用而言相对较新的半导体。它的功率效率、功率密度和处理更广泛频率的能力使其非常适合大规模 MIMO 基站。这个由四部分组成的系列将着眼于推动 GaN 采用的因素、它作为半导体的价值、嵌入式设计人员如何最好地将 GaN 集成到设备中，以及我们对即将到来的 GaN 创新的期望。

了解 MIMO

为客户提供 5G 的多 Gbps 数据速度和超低延迟的全部潜力，需要移动运营商提高所有网络参数的性能。这意味着对频谱获取、网络基础设施和传输技术进行大量投资。无论怎么做，5G 的全国推广对于移动网络运营商来说都是非常昂贵的。在不破产的情况下提供 5G 服务是阻碍其广泛采用的最大障碍。尽管高频毫米波备受关注，但运营商正在 Sub-6GHz 范围内实施大规模 MIMO 技术，以最大限度地降低成本并在全国移动网络中推出 5G。

MIMO，代表“多输入多输出”，是一种用于无线通信的天线技术，它使用多个天线来发送和接收信号。与传统无线通信中使用的经典单天线不同，MIMO 通过不同的天线发送相同的数据作为多个信号。这允许空间复用，其中每个通道将独立的信息传送到接收器 - 与经典的单天线相比，MIMO 具有多个优势。

当射频信号遇到建筑物等障碍物时，信号会发生散射并采用不同的路径到达目标接收器。这种多径传播会导致单天线系统中接收不良、掉线和数据速度急剧下降。MIMO 无线电接收并组合相同数据的多个流，因此它能够使用多路径传播来提高信号质量和强度。如果环境散射足够丰富，则可以在相同分配的带宽中创建许多独立的子通道，从而产生质量和信号增益，而无需额外的带宽或功率。网络运营商可以专注于建造更多的天线来满足需求，而不是更多的蜂窝塔。

MIMO 天线阵列还可以通过波束成形和波束控制将信号集中在单个用户的方向上。单个天线向所有方向广播无线信号，但通过数字和模拟方法，多个天线可以将特定方向的信号聚焦到接收器。这极大地提高了频谱和功率效率。

5G 的大规模 MIMO

过去几代无线技术都使用天线阵列技术中的 MIMO 进步来提高网络速度。3G 引入了单用户 MIMO，它利用多个同时数据流将数据从基站传输到单个用户。4G 系统使用多用户 MIMO，将不同的数据流分配给不同的用户，以实现显着的容量和性能优势。借助 5G 新无线电标准，MIMO 变得“庞大”。4G 系统通常配备四个发射天线和四个接收天线：一个 4×4 天线阵列。5G Massive MIMO 使用更多的发射和接收天线来提高传输增益和频谱效率；一些数组大到 256×256。

由于大规模 MIMO 使用更多的天线，传输到接收器的信号波束要窄得多。它使基站能够更精确、更高效地向客户提供射频能量。每个天线的相位和增益都是单独控制的，并且由于信道信息将保留在基站中，因此移动设备将不需要多个接收器天线。大量的基站天线增加了小区的信噪比，从而导致更高的小区站点容量和吞吐量。

同样重要的是，5G 技术建立在 4G 网络基础设施之上，并且可以使用动态频谱共享与以前的技术共享频谱。这使移动网络运营商能够增加网络容量、提供高数据速率和节省频谱，同时最大限度地减少运营商开支。

毫米波的承诺，低于 6 GHz 的现实

毫米波技术或 mmWave 和 5G 经常被误认为是同义词。毫米波是 5G 网络使用的 24GHz 和 100GHz 之间的无线电频谱频段，以及“低频段”和“6GHz 以下”频率。以前认为它不适合移动通信，因为该频段的信号会遭受高传播损耗，并且会被建筑物、树叶、雨水和人体阻挡。然而，这些短波长能够在短距离内传输更多数据。很明显，要实现 5G 的 20Gb/s 数据速率目标，最终将有必要使用毫米波频谱。尽管移动通信领域的许多人对其承诺感到兴奋，但并未对在全国范围内推广这项技术所面临的后勤挑战给予足够的关注。

通过基站的镜头检查毫米波时，这一点变得很清楚。毫米波基站的范围比以较低频率传输信号的蜂窝塔要小得多。为了实现全国覆盖，研究人员估计美国网络运营商将需要建立 1300 万个基站。把这个数字放在上下文中，今天的美国移动网络由大约 300,000 个蜂窝塔支持。毫米波昂贵的功耗要求进一步加剧了在全国实施所有这些毫米波基站的资本支出。在体育场馆和城市热点之外，未来几年在全国范围内推广毫米波并不现实。

虽然原始设备制造商努力降低毫米波技术的成本，但 6GHz 以下频段将是 5G 网络运营商所依赖的。较低频率的信号可以进一步穿透建筑物等障碍物，并在减弱之前覆盖塔周围的更大区域，适合农村和城市地区。这意味着 Sub-6 5G 还可以用更少的基站做更多的事情，并使用运营商已有的塔。

大规模 MIMO 基础设施要求

尽管 Sub-6 5G 无法提供毫米波所见的巨大速度提升，但其大规模 MIMO 天线阵列将实现更多的同时连接，提高信号吞吐量，并在用户覆盖范围和容量之间实现最佳平衡。这是一个更现实的实现路径。Sub-6GHz 5G 的推出将比毫米波部署更快地提高移动宽带的速度和一致性。它在向完全集成的 5G 网络迈进的同时，可以立即改进当前的 4G 系统。这就是为什么许多业内人士希望运营商竞标更低的频谱范围，在这些范围内他们可以利用动态频谱共享在相同的频段内提供 3G、4G 和 5G 服务。我们已经在国际 5G 实施中看到了这种方法。

这并不是说 Sub-6 5G 很容易推出。这些新技术伴随着重大的系统设计挑战。为了在 5G 基站上采用大规模 MIMO 技术，设计人员的任务是开发包含数百个天线元件的高度复杂的系统。许多人利用有源相控阵天线为特定用户提供动态整形和控制波束的能力。所有这些额外的天线都等同于更好的性能，但这些大型天线阵列消耗更多的功率并且需要专用的射频前端 (RFFE) 芯片组和放大。

构建射频前端以支持这些新的 Sub-6 5G 应用将是一项挑战。RFFE 电路已经对 4G 系统的功率输出、选择性和功耗至关重要。5G 调制方案带来了额外的需求，因此无线基础设施功率放大器 (PA) 需要非常高效才能实现必要的线性度。此外，峰值和最小功率要求之间的巨大差异会给功率放大器和射频前端带来热问题。

在本系列的下一篇文章中，我们将探讨行业如何进行创新以满足 5G 对嵌入式系统提出的新需求，从而推动从传统 LDMOS 放大器向基于 GaN 的解决方案的转变。

       审核编辑：郭婷