加快部署 5G 基站的最佳实践：RF 前端大规模 MIMO 入门

引言

Strategy Analytics 预测新兴 5G 网络将呈现爆炸式增长。他们预测，2018 年至 2024 年间部署的新基站数量将会翻一番。在 5G 网络快速增长的推动下，到 2024 年，部署的新基站和升级的无线基站设备数量将达到近 940 万。

这些 5G 基站中，许多都将采用大规模 MIMO 天线。由于采用大规模 MIMO 天线，这些新 5G 网络架构推动蜂窝网络外缘能够始终相连。在本文中，我们将介绍与大规模 MIMO 基站中的 RF 前端相关的所有基础知识。

 
图 1.大规模 MIMO 的优势
 

大规模 MIMO 5G 和 NR 标准

5G 新无线电 (NR) 规范第一阶段发布的 3GPP 版本 15 已于 2018 年 6 月发布。规范重点说明使用 5G NR 非独立 (NSA) 和独立 (SA) 标准的移动部署。NSA 是运营商转向 SA 的过渡步骤（参见图 2）。NSA 利用 LTE 锚频段进行控制，并使用 5G NR 频段提供更快的数据速率。NSA 让运营商无需构建新的 5G 核心网络，可以直接提供 5G 数据速率。因为我们尚处于 5G NR 设计的开始阶段，所以大多数基站应用都是 NSA。但随着 5G 不断演进，采用 SA 类型系统部署之后，这种情况将会改变。

 
图 2.迈向独立 5G 之路。
 

适用于大规模 MIMO 系统的 5G 频段

基站组件供应商和制造商面临着一项重大挑战，即提供各区域所需的最小存货单位 (SKU) 数量。这些在更高频率范围内碎片化的频段组合迫使供应商和制造商提供多样化的产品组合（参见下图）。此外，频率和带宽需求的增加又进一步加大了 RF 半导体技术提供商的设计难度。例如，功率放大器 (PA) 的增益和效率相互关联，发射路径中目前采用的硅 LDMOS 功率技术会对其有影响。因此，系统制造商开始从硅 LDMOS 转而采用氮化镓 (GaN)，后者在平均工作功率水平和宽带宽下可实现高达 60% 的效率，因此非常适合大规模 MIMO 基站系统。
 

探索大规模 MIMO 系统的 RF 前端（半导体技术视角与制造商视角）

那么，5G 大规模 MIMO 基站系统需要什么样的 RF 前端 (RFFE) 组件呢？高线性、高效率、低功耗的集成前端组件。为了从规范的角度进行分析，制造商希望半导体供应商能优化以下参数，以满足其系统要求。

• 制造商要求半导体提供商满足的关键 RF 前端规范
• 高邻道功率比 (ACPR)，也称为邻道泄漏比 (ACLR)
• ACPR 是指分配通道上的发射器功率与相邻无线电通道上的泄漏功率之比。发射器的 ACPR 主要取决于 PA 的性能。PA 的线性度越高，ACPR 越好，这是因为产生的失真会更少。
• 高功率附加效率 (PAE)
• 这个衡量功率放大器效率的指标考虑了放大器增益的影响。最好选择 PAE 值较高的放大器，这是因为其散热器尺寸更小或者未配备散热器，所以产生的热量少，可靠性更高，重量更轻，可以实现更高的整体性能。
• 低噪声系数 (NF)
• 低噪声放大器 (LNA) 是 Rx 配置中的第一个有源级，其噪声系数对无线电接收灵敏度有直接影响。因此，RF 半导体供应商总是试图实现较低的 NF，因为这是无线电设计中最关键的规格参数之一。
• 噪声系数以 dB 为单位，是 Rx (SNRi) 输入的信噪比与 Rx (SNRo) 输出的信噪比之间的比值。
• 低功耗
• 低功耗设备一直是系统应用的不错选择。它们可减少发热，降低系统的运行成本和额外的硬件成本（例如散热器）。鉴于大规模 MIMO 在单个无线电中有更多数量级的天线，所以降低功耗至关重要。
• 高通道隔离
• 隔离是为了防止信号在电路中不必要的节点上出现。更高的隔离性意味着更少的干扰和更清晰的交流。隔离度就是衡量两个通道端口之间的损耗：发射器与发射器端口之间，或者发射器与接收器端口之间。隔离度越高，信号越清晰。
• 采用 5G 大规模 MIMO 架构之后，通道隔离忽然之间成为衡量单个无线电系统中多个天线链之间接近程度的重要参数。虽然 TDD 操作降低了 Tx-Rx 之间的隔离要求，但仍然需要进行 Tx-Tx 和 Rx-Rx 隔离。随着更多的小信号内容被集成到单个芯片封装中，并在同一封装中设置多条 Rx 前端路径，隔离合规性只能通过创新的半导体电路设计和封装技术来实现。

半导体供应商必须优化上述参数，这样大规模 MIMO 系统制造商才更容易实现规格要求。下列系统规格与上述 RF 前端半导体参数相关。
 

• 关键的制造商系统规格
• 优化应用等效全向辐射功率 (EIRP)
• 给定方向的发射器功率和天线增益与无线电发射器的全向天线相关。
• 对于 6 GHz 以下的 5G 系统，将使用 16、32 或 64 个阵列组件，具体取决于应用所需的 EIRP。由于需要大量的阵列组件，每个组件也需输出功率，因此散热成为一项重大挑战，促使设计寻求可提供最高效率的技术。
• 使用 GaN 和 GaAs 这样的技术有助于减少大规模 MIMO 阵列所需的有源组件数量，同时满足基站 EIRP 系统要求。
• 高接收器灵敏度
• 接收灵敏度衡量接收器检测弱信号，并且无差错地处理这些信号的能力。噪声是实现目标灵敏度的最大阻碍因素。因此，使用具备出色噪声系数的组件是接收器系统设计的关键。
• 衡量接收器灵敏度的另一个指标是对接收到的信号解码的误差矢量幅度 (EVM)。要使 EVM 误差最小，只能通过使用低噪声系数和高线性度组件来实现，从而最大限度减少弱化的信号失真
• 小外形尺寸
• 大规模 MIMO 系统必须足够轻巧，便于安装在传统基站塔和路灯杆等位置。此外，前端组件必须尽可能靠近辐射天线放置，这一点至关重要。这也促使采用前端集成和高能效半导体技术和封装。
• 低功耗
• 为了满足 5G 高数据应用需求，我们将需要更多基础设施（例如宏基站和微基站、数据中心、服务器和小基站）。这意味着会增加网络功耗，因而需要提高系统效率，节省总能耗。最终，运营商能以更低成本实现更大产出。提供具备高输出功率、更高效率和低功耗的解决方案是关键。
• A此外，具备 32 或 64 个通道的大规模 MIMO 系统也可以采用更多散热器。而采用 GaN 等技术可以提高系统的功率附加效率，减少对大型散热器的需求，从而最大限度缩减系统重量和尺寸。
• 被动冷却，高度可靠
• 低功耗的另一个好处是可以减少产生的热量，因此需要较少的散热器，进而缩减尺寸和重量。高级天线系统 (AAS) 必须具有高能效和稳固性，以便对所有户外塔顶电子设备进行被动式冷却，这一点非常重要。GaN 让制造商能够在某些应用中使用被动冷却，减少了对风机或空调的需求，并且可以将 RF 前端安装在天线上。

5G 大规模 MIMO 基站已经开始建设，运营商将会继续扩大部署。全球各地需要不同频率和功率水平的产品，所以供应商需要在多样化的产品组合供应链中进行选择。由于大规模 MIMO 系统对参数的要求很严格，需要更高的频率范围和带宽，所以必须采用新技术。如下表所示，Qorvo 提供目前市场上最丰富的 5G 大规模 MIMO 产品组合。我们也使用最适合各种大规模 MIMO 应用的技术来创造产品。Qorvo 不仅提供覆盖 3.5 GHz 以上所有频率的产品，这些产品还采用 GaN、GaAs 和滤波器体声波技术 (BAW)，具备出色性能。


 

6 GHz 以下的 5G 大规模 MIMO 和毫米波基础设施设计已经投入使用。GaN、GaAs 和 BAW 等技术均有助于运营商和基站 OEM 实现 5G 大规模 MIMO 目标，并将覆盖范围扩展到网络边缘。身为消费者，我们才刚刚见识到大规模 MIMO 和 5G 功能的冰山一角。