拓展覆盖，提升容量：毫米波固定无线接入的未来图景

在我们这个日益互联的世界中，5G已是常态，6G也已近在眼前；固定无线接入（FWA）已成为缓解频谱拥塞的关键技术。通过利用高频毫米波频段，FWA能够提供高速、低延迟的宽带连接；这对于通过无线连接向家庭提供互联网服务至关重要。实现这一能力的核心在于相控阵天线，它使FWA系统能够在毫米波频段传输强大、聚焦的信号，有效应对高频通信中常见的覆盖范围有限和信号穿透能力弱等挑战。

尽管毫米波网络已经在FWA市场上取得了一定进展，但仍面临一些阻碍。毫米波FWA技术存在的局限性包括信号覆盖范围小，以及对障碍物和环境条件（如雨水、植被）高度敏感，这使得在某些地区部署毫米波FWA颇具挑战性。这些挑战有时要求工程师在应用部署中做出权衡，以确保成本效益和效率。

在本文中，我们将探讨这些FWA部署挑战，并提供一些创新解决方案；以及如何利用相同的有源电子扫描阵列（AESA）天线系统实现客户终端设备（CPE）的功能。此外，我们还将探讨专门针对FWA接入点（AP）和CPE大规模部署的低成本、可扩展设计示例。同时，内容还将包括Qorvo的设计如何提供特定优势，例如高信号强度和低信号噪声，以进一步增强现有的FWA基础设施。

图1，毫米波射频（RF）连接应用

固定无线接入的市场相关性

FWA技术的盈利能力在很大程度上受其部署区域的住户密度和地理环境影响。在住户密度极高的环境中，例如市中心城区，住户密度超过每平方公里1,600户，FWA的安装通常不会成为优先选择。这是因为包括光纤网络和其它宽带解决方案在内的许多无线替代方案已经广泛普及，使得FWA的竞争力降低。

在住户密度介于每平方公里400至1,600户之间的密集城区和城市地区，FWA有机会大展拳脚。这些地区通常采用无线和固定宽带解决方案相结合的方式。然而，FWA可以通过提供高速、低延迟的连接脱颖而出；特别是在传统有线宽带基础设施有限或部署成本过于高昂的地区。

住户密度为每平方公里120至400户的郊区是FWA实现盈利的主要目标区域。在这里，人口密度和基础设施成本之间的平衡使FWA成为一个极具吸引力的选择。郊区的部署受益于FWA的可扩展性和成本效益，使服务提供商无需大量物理布线即可提供可靠的互联网接入。

在住户密度低于每平方公里120户的农村和偏远地区，FWA面临挑战。为了覆盖这些人口稀少的区域，通常需要长距离RF链路。虽然FWA可以在这些地区提供连接，但与城市和郊区相比，其盈利能力有限，通常作为补充方案，而非主要的互联网接入方式。在下表1中，我们总结了FWA使用效果出色的典型区域。

表1，典型的FWA使用区域

分层部署方法

毫米波与中频段C波段频率的融合，为应对不同环境（如密集城区、市区、郊区和农村地区）中多样化的覆盖和容量需求，提供了一种稳健、分层的解决方案。中频段频率（即1-6GHz）能够支持更大的基站站点，实现广域覆盖，在人口密度较低的郊区和农村地区尤为有效。另一方面，毫米波频率在提供高容量、低延迟连接方面表现出色，非常适合密集城区和城区中家庭对更高数据速率的需求。

这种分层策略通过发挥各频段的优势，优化了频谱利用率。中频段频率确保蜂窝网络和用户端设备的基础覆盖；毫米波则通过聚焦于高密度区域或靠近基站的地点，为这些区域带来补充，从而维持超过1Gbps的服务质量（QoS）水平。如图2所示，这一策略既支持能够利用最高调制与编码方案（MCS）下全部蜂窝容量的高性能家庭用户，也惠及从中频段稳健基线覆盖中受益的低性能家庭用户（调制与编码方案/MCS是衡量客户端设备与无线接入点间Wi-Fi连接参数的指标）。

图2：毫米波FWA覆盖范围与服务质量（QoS）对比

毫米波基站的加入显著提升了中频段覆盖区域内的网络容量，确保了即使在流量高峰期也能维持最低的QoS要求。如图2所示，毫米波与中频段频率的分层部署，使得覆盖范围内的家庭用户能够享受到千兆级速度，同时所有用户均能保持可靠的QoS。这一策略构建了一个平衡且高效的网络基础设施，既提供了高性能，又保证了可靠性，满足了不同覆盖区域内用户的多样化需求。

波束成形IC的进展

近年来，波束成形集成电路（BFIC）的技术进步显著加速了FWA在家庭中的部署，满足了日益增长的高速连接需求。然而，与中频段和sub-6GHz的系统相比，毫米波无线电面临着独特的挑战。毫米波频率传输的信号在距离上的衰减速度远快于sub-6GHz或中频段信号。此外，由于半导体固有的物理特性，在毫米波频率下实现高功率放大器输出功率、良好的功率附加效率（PAE）、低噪声系数、高接收器灵敏度线性度，以及低直流功耗等关键性能指标，难度更大。与经过数十年优化、适用于商业无线应用且成熟且成本效益高的sub-6GHz生态系统不同，毫米波技术面临着更高的成本和复杂性，这使得无线提供商和通信服务提供商（CSP）在广泛部署方面面对更大挑战。不过，对此已有解决方案。

为克服这些挑战，毫米波系统采用了相控阵天线；这种天线利用多个振子来引导或收集能量，如图3所示。通过调整每个天线振子上信号的幅度和相位，相控阵能够将能量指向所需方向，同时最小化在非所需方向上的能量损失。尽管相控阵天线已在政府市场中使用了五十多年，但这些系统往往依赖于高成本技术。然而，如今的商用阵列天线已消除了这些高成本障碍。要实现毫米波通信生态系统的商业化，关键在于降低资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX），同时确保可扩展性并提供高质量服务。BFIC和天线阵列设计方面的新技术进展，已解决了这些成本及部署层面的挑战。

图3，AESA天线图案

新型波束成形IC带来的性能提升

新型波束成形IC通过显著提升关键性能指标，有效应对了FWA部署中的挑战；这些指标包括有效全向辐射功率（EIRP）。它通过增强信号强度和降低链路预算需求，提升了上行和下行链路性能。EIRP作为衡量天线峰值增益方向上辐射功率的指标，直接促进了信号可靠性以及每基站单位比特率指标的提升。得益于当今BFIC指标的升级，上行链路预算提高了18dB，下行链路预算则提高10dB。这些进步显著扩大了覆盖范围和容量，使得每个基站能够支持的用户数量是之前系统的三倍。这意味着终端用户将享受到更少的中断、更高的数据速率，以及更优的QoS。

此外，信噪比（SNR）和数据速率效率的改善进一步增强了网络性能。新型BFIC技术带来更高的线性输出功率和更优的噪声系数性能，从而显著增强了gNodeB与客户终端设备（CPE）间的信号水平。这些改进不仅增加了用户容量、扩大了覆盖范围，还减少了部署所需的无线电设备数量。通过降低CSP的资本支出（CAPEX），同时提升网络性能，新型BFIC标志着向建立商业上可行的毫米波生态系统迈出了变革性的一步，以满足现代连接的需求。

FWA关键性能指标

性能指标在评估有源电子扫描阵列（AESA）的效率和可靠性方面十分重要。诸如EIRP、覆盖范围以及EIS等参数，在决定信噪比（SNR）方面发挥着关键作用，而信噪比又直接影响数据传输的质量和速度。更高的信噪比能够实现更稳健的通信，支持更高的调制与编码方案级别，和更快的数据速率。以下是对这些性能指标及其对无线通信系统影响的详细解析：

EIRP（有效全向辐射功率）

• EIRP代表天线辐射的总功率，它综合了发射器功率和天线增益两个因素。更高的EIRP意味着更强的信号传输，从而在接收端提高了信噪比。高EIRP还直接增强了系统在更长距离或潜在干扰环境下传输数据的能力。在毫米波系统中，最大化EIRP对于保持高性能并确保可靠的通信链路举足轻重。



覆盖范围

• 由于路径损耗的存在，发射器与接收器之间的距离是决定信噪比的关键因素。随着覆盖范围的扩大，信号强度逐渐减弱，进而对信噪比产生负面影响。对于毫米波频率而言，由于其衰减程度高于低频段，因此覆盖范围的因素显得尤为重要。有效的系统设计能够最大限度地减少这些损耗，以维持足够的信噪比水平，从而确保信号的最佳性能。



EIS（等效全向灵敏度）

• EIS衡量接收器能够检测到的最小信号强度，本质上是对接收器灵敏度的量化。更好的EIS使系统能够检测到更弱的信号，这在信号微弱的环境或基站覆盖区域的边缘尤其具有价值。结合高EIRP，良好的EIS确保了即使微弱的信号也能被有效处理，从而维持高信噪比和系统可靠性。



信噪比（SNR）

• 信噪比是通信系统中的一个基础指标，因为它直接决定了可用的MCS级别，进而影响可实现的数据速率。高信噪比使系统能够采用更高阶的调制方案，并结合较低的编码率，从而获得更快的数据传输。相反，低信噪比则迫使系统采用更低阶的调制方案，并配备更强大的纠错能力，以确保信号完整性，但这会导致数据速率降低。
• MCS及数据速率：MCS级别代表了调制和编码率的不同组合。更高的MCS级别对应着更高的数据速率，但要求更强的信号（即更好的信噪比）才能有效运行。有关MCS和信噪比的测量结果，请参见图9。
• 信噪比的影响：高信噪比使得解码复杂调制方案时出错概率降低，从而实现了更高的数据吞吐量。相反，低信噪比则导致系统转向更低阶的MCS级别，牺牲速度以换取可靠性。

图4，信噪比示意图



EVM（误差矢量幅度）

• EVM是衡量无线通信系统中数字信号质量的关键指标。它表示发射符号的预期电压值与实际接收符号之间的差异，能够反映数字调制信号中的幅度和相位失真情况。EVM通过计算连接理想符号点与实际测量符号点的矢量长度来得出；EVM值越大，表明信号失真越严重，比特位错误发生的概率也越高。EVM可以相对于星座图的最大/峰值功率或均方根（RMS）功率来表示。作为一项关键的性能指标，EVM被广泛应用于评估天线与相控阵之间的无线链路质量，帮助工程师识别信号损伤源，并优化发射器和接收器的设计，以提高信号保真度。
• 图5中展示了EVM的概念以及噪声如何影响数字信号传输。左侧显示了一个理想的星座图，其中发射的符号与其预期位置完美对齐。中间的图样中，引入了噪声损伤，导致星座点从其参考位置扩散开来；这是信噪比较低所造成的影响。随着信噪比的降低，这些点会进一步偏离理想位置，从而增加了符号被错误解释的可能性。右侧则是对EVM的直观展示，描绘了理想参考点与接收符号之间的矢量差异。该图还突出了EVM如何相对于星座图的峰值功率（绿色）或均方根功率（蓝色）进行测量；这两种方法均用于评估无线通信系统中的信号质量。

图5，EVM 16 QAM



信噪比及其影响

通过精心平衡EIRP、覆盖范围和EIS，毫米波系统能够优化信噪比，以支持更高的MCS级别，并最大化数据速率。这些改进对于提供高质量的服务、满足现代无线通信网络日益增长的需求不可或缺。

对于FWA及其它无线标准的实施而言，降低系统功耗是另一个核心要素。优化上述关键性能指标（如EIRP、EIS和SNR）有助于更轻松地实现更低的功耗要求。此外，采用先进的设计技术，如功率放大器（PA）的数字预失真（DPD），可以提升发射器的整体效率并降低功耗。反过来，这也可以实现更低级别的以太网供电（PoE）解决方案，从而降低整体物料清单成本。通过利用这些方法并优化性能标准，系统提供商可以将FWA的功耗降低40%至50%。

Qorvo解决方案的设计优势

在当今竞争激烈的市场中，有多种解决方案可供选择以满足AESA毫米波FWA的需求。然而，要达到前文所述的严格关键性能指标，仍需要经过精心设计的方案——这也正是Qorvo解决方案脱颖而出的原因。其一大关键优势在于适用性：该方案既可服务于gNB蜂窝网络市场（将5G设备连接到核心5G网的基站），也可应用于接入点（AP）和CPE的FWA市场。这种多功能性简化了运营商的部署流程，使其能够在毫米波通信生态系统的多个节点上采用统一的解决方案。

在接下来的部分中，我们将深入探讨使用Qorvo最新BFIC产品所获得的实际测量性能数据。为确保不同代际产品之间的准确比较，我们采用了相同的测试设置来对比旧款设备与新一代BFIC的性能。

实测性能优势

Qorvo的FWA解决方案（见图6）在EIRP和EIS等关键参数上实现了显著提升。该解决方案及其BFIC芯片设计的改进对于满足上行链路发射和下行链路接收的关键设计参数至关重要。


图6，面向FWA应用的毫米波天线模块



图中所示方案彰显了Qorvo解决方案的紧凑设计，不仅能够出色适配5G新空口（5G NR）、FWA以及Wi-Fi ac/ax/be等多种应用场景。在接下来的段落和图表中，我们将展示其性能指标如何体现该方案在满足严苛通信需求的同时，依然保持高效与可靠的能力。

更高的EIRP能够确保更强的发射信号，从而扩大覆盖范围并提升信号质量；更优的EIS则使接收器能够捕捉到更微弱的信号。这两点改进使得即便面对极具挑战的环境，也能获得显著增强系统的可靠性。这些性能提升直接转化为更优的信噪比和更高的数据速率，使新一代Qorvo设计能够从容应对严苛的FWA和CPE部署需求。

CPE作为连接家庭或办公室与FWA网络的关键设备，为用户提供了超高速互联网接入服务。作为FWA网络与局域网（LAN）之间的桥梁，FWA CPE能够实现智能手机、笔记本电脑及物联网（IoT）系统等多种设备的无缝连接。它可以部署在室内或室外：室内CPE直接在场所内接收和分发无线信号；室外CPE则负责捕获来自基站的信号，并将其传输至室内单元进行分发。根据是否集成Wi-Fi功能，CPE分为两种类型，既可将来自AP的信号转换为无线互联网供用户直接使用，也可将其转换为以太网信号，通过路由器或交换机进行有线分发。凭借其灵活性和变革性能力，5G FWA CPE在向终端用户提供高性能互联网服务方面发挥着核心的作用。

下图7凸显了Qorvo最新BFIC在覆盖范围、用户容量和数据速率方面带来的显著提升。这些进步使FWA部署的商业理由更具说服力。


图7，Qorvo旧款产品与当前型号的比较



图8，FWA用户数量增长对比



服务质量（QoS）显著提升

通过审视视距（LOS）、信噪比（SNR）以及上下行数据速率等关键指标，我们进一步阐释了Qorvo BFIC的优势。如图9、10和11所示，相较于旧款产品，当今设备在信噪比和数据速率方面均实现了显著提升。更高的信噪比支持采用更高级的调制与编码方案，从而获得更快的数据传输和更少的连接问题。这些改进为终端用户带来了更高的服务质量。

本图展示了新一代BFIC如何实现更高的信噪比；即使在极具挑战性的条件下也能确保稳健通信。


图9，下行链路SNR与MCS测量值



随着下行链路数据速率的提升和终端用户下载速度的加快，整体用户体验得到了显著改善。


图10，下行链路数据速率测量值

更高的上行链路数据速率确保了更流畅、更可靠的上传体验，这对于视频会议和基于云的服务等应用至关重要。


图11，上行链路数据速率测量值



Qorvo的解决方案充分展现了深思熟虑的设计与先进技术如何克服毫米波FWA和CPE部署中的挑战。通过提升EIRP、EIS和信噪比等性能指标，同时降低部署成本并提升可扩展性，Qorvo的BFIC为更高效、更具成本效益的FWA和Wi-Fi解决方案铺平了道路。得益于这些优势，Qorvo在为当今和未来毫米波AP及CPE市场打造尖端、高质量解决方案方面，处于领先地位。

结论

在日益互联的世界，部署毫米波FWA解决方案，对满足不断飙升的高速、低延迟连接需求至关重要。Qorvo公司创新的相控阵天线设计，结合波束成形IC领域的最新进展，有效应对了毫米波技术固有的挑战，包括传播距离短和信号衰减大等问题。通过在EIRP、EIS以及信噪比等关键性能指标上实现显著提升，Qorvo优化了上下行链路预算；其中。上行链路预算提升18dB，下行链路预算提升10dB。这些改进不仅能使覆盖区域扩大至原来的四倍，还能让每个基站的用户容量增加三倍，同时将每平方公里的部署成本降低70%。这一进展提升了数据速率和QoS，更让FWA和CPE的部署对运营商和消费者而言都更具经济可行性。

Qorvo采取的多层次策略，整合了中频段和毫米波频段，优化了频谱利用，能够在从人口密集的城市区域到偏远的乡村地区等不同环境中平衡覆盖范围和容量需求。中频段提供了基础性的广泛覆盖，毫米波则在需求旺盛的区域提供了高容量、千兆级的高速连接。Qorvo解决方案的多功能性使其能够同时应用于gNodeB和CPE市场，凸显了其可扩展性和成本效益。得益于这些创新，Qorvo正在为更高效、可靠且面向未来的网络铺平道路，使运营商能够满足当下以及即将到来的6G时代连接需求。

此外，也欢迎您访问我们的Qorvo 设计中心，获取更多相关信息，以及内容丰富的视频、博客文章、白皮书，和工具等资源。如需相关支持，请访问Qorvo.com或联系我们的技术支持团队。

关于作者

我们的作者在面向前沿技术开发及优化无线方案方面拥有丰富的专业技术知识。立足对客户需求和行业趋势的深刻理解，他们与Qorvo的设计团队紧密合作，推动创新，并提供支持行业领先产品的尖端解决方案。

感谢参与本文撰写的主要贡献者：Peter Moosbrugger（高级天线技术总监）、Ian Gresham（Qorvo 研究员）和David Schnaufer（技术市场经理）；他们的宝贵支持为我们的读者带来专业知识和反映行业趋势的最新信息。