设计固定无线接入（FWA）系统时需要考虑的5个因素

贸泽电子设计圈 2020-01-14 08:00

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FWA

5G最早的用途之一会是固定无线接入（FWA），后者能够提供千兆级网速。向家庭、公寓或企业提供FWA所花费的时间和成本仅是传统电缆/光纤安装的一小部分。就像任何其他技术进步一样，FWA带来了新的设计难题，让人们需要做出新的技术决策。下面我们将深入探讨在设计FWA系统时需要考虑的五个因素:

频谱选择：毫米波（mmWave）或6GHz以下
使用天线阵列实现更快的数据速率
全数字或混合波束成形
功率放大器（PA）技术选择：硅锗（SiGe）或氮化镓（GaN）
从现有的RF前端（RFFE）产品组合中选择组件

频谱选择：毫米波还是6GHz以下

第一个要做出的决策是FWA使用毫米波还是6GHz以下频率：

毫米波
这类较高的频率能够以低成本提供大量的连续频谱。毫米波支持宽达400MHz的分量载波，能够实现千兆级数据速率挑战是植被、建筑和干扰等障碍的影响会导致路径损耗。但是，不要认为FWA只能在基站与家庭之间视线障碍较少的环境中使用。实际上，FWA在城市和郊区环境下都可以表现良好。植被和干扰确实带来了挑战，但是可以使用天线阵列提供高增益来克服这些问题。
6GHz以下
这类较低的频谱有助于克服障碍物导致的问题，但是也要付出一定代价。由于只能提供100MHz的连续频谱，因此数据速率较低。

有效使用频率范围（6GHz以下或毫米波）对于实现扩展部署来说至关重要。无论在何种情形中，进行选择时都需要均衡考虑目标速率与覆盖范围。

使用天线阵列实现更快的数据速率

FWA系统还需要采用有源天线系统（AAS）和大规模MIMO（多路输入/多路输出），以便提供千兆级服务。

AAS提供了许多定向天线波束。这些波束在不到一微妙的时间内重新定向，进而实现波束成形，用于补偿高频率下的较大路径损耗。
大规模MIMO使用由数十、数百甚至数千个天线组成的阵列，能够同时向每位用户传输单个或多个数据流。这既提升了容量和可靠性，又实现了高数据速率和低延迟。波束成形还可以减少小区间干扰并优化信号覆盖。

全数字或混合波束成形

第三个考虑因素是采用什么类型的波束成形——全数字还是混合型。

全数字方法

在毫米波基站应用中，最显而易见的选择是升级当前的平台。您可以探索用于6 GHz以下频率的全数字波束成形大规模MIMO扩展平台，但这并不是即插即用型解决方案

全数字方法存在以下限制：

功耗
数字波束成形需要使用许多低分辨率模数转换器（ADC）。但是，具有高采样频率和标准有效位数分辨率的ADC可能产生大量功耗。

这样的功耗会成为接收器的瓶颈。对于全数字波束成形解决方案来说，具有海量带宽的大型AAS是一个巨大挑战。从根本上说，功耗会限制这种设计。

在密集城市环境中需要使用二维扫描
所需的扫描范围取决于部署场景，如下图所示。在高密度的城市部署中，方位角（约120°）和仰角（约90°）方向都需要较宽的扫描范围。对于郊区部署，仰角平面的固定或有限扫描范围（<20°）可能就足够了。郊区部署只需有限的扫描范围或一半的有源信道，就能够实现相同的全向性辐射功率（EIRP），从而有效降低了功耗和成本。

记住：阵列大小取决于以下方面：

扫描范围（方位角和仰角）
所需的EIRP

EIRP是以下几个数值的乘积：

有源信道的数量
每个信道的传导发射功率
波束成形增益（阵列系数）
固有天线元件增益

为了实现75dBm的目标EIRP和波束成形增益，全数字解决方案在使用当今技术的情况下将需要16个收发器。这相当于440W的总功耗。但是对于户外被动冷却、塔顶电子设备，当RF子系统的功耗超过300W时，热管理就相当具有挑战性。因此，我们需要新的技术解决方案。

高效率的GaN DohertyPA和数字预失真（DPD）相结合或可提供所需的裕度，但是这类器件在毫米波应用中的使用仍处于研发阶段。不过也不需要太久，我们就能看到全数字波束成形解决方案。以下几个方面的发展将会使它成为现实：

新一代节能的数模转换器和模数转换器
毫米波CMOS收发器进步
小信号集成度提高

混合方法

另一种方法是混合波束成形，其中预编码和组合在基带和RF前端模块（FEM）区域中完成。由于RF链、模数转换器和数模转换器的总数量有所减少，混合波束成形既能实现与数字波束成形相似的性能，同时又可以节省能源并降低复杂度。

混合波束成形的另一个优势是，可以同时满足郊区部署的固定或有限扫描范围（<20°）和高密度城市部署所需的宽方位角（约120°）和仰角（约90°）扫描范围。

归根结底：

全数字方法和混合方法各有利弊。我们认为，目前混合方法更具吸引力和可行性，但是在未来，即将问世的新产品可能会使全数字方法同样具有吸引力。

PA技术选择：SiGe还是GaN

在选择用于FWA前端的技术时，需要考虑系统在EIRP、天线增益和噪声系数（NF）方面的需求。这些都由波束成形增益确定，而波束成形增益则由阵列大小确定。目前，您可以选择使用SiGe前端或GaN前端来满足所需的系统需求。

美国联邦通信委员会（FCC）已经规定了28GHz和39GHz频谱的EIRP最高限值，如下表所示。

为了使用均匀矩形阵列实现75dBm EIRP，每个信道的PA功率输出将随着元件数量的增加（即波束成形增益的增加）而减少。如下图所示，随着阵列大小变得越来越大（超过 512个有源元件），每个元件的输出功率将变得足够小，以便使用SiGe PA，然后将SiGe PA集成至核心波束成形器RFIC中。

从下表可以看出，SiGe PA可以通过1024个有源信道实现65dBm EIRP。但是，如果前端采用GaN技术，则实现相同EIRP所需的信道数将减少到1/16。

GaN FWA前端还具备以下优点:

总功耗更低。为确保比较的准确性，GaN功耗还包括馈入前端所需的128个波束成形器分支的19.2W功耗。如下图所示，在目标EIRP为65dBm时，GaN的总功耗（127Pdiss）低于SiGe。这对于塔顶系统设计来说较为有利。

可靠性更高：GaN比SiGe更为可靠，在200°C结温条件下的MTTF超过107小时。而SiGe的结温限制大约为130°C。
尺寸更小，复杂度更低：GaN的高功率能力可以减少阵列元件数量和阵列尺寸，从而简化了装配过程，并缩小了整个系统尺寸。

总而言之：在无线基础设施应用中，设备寿命必须至少为10年，因此可靠性至关重要。对于FWA来说，综合考虑可靠性、成本、低功耗和阵列尺寸后，选择GaN比选择SiGe更好。

从现有的RF技术中选择

最后一个考虑因素是选择要在实际应用中采用的产品解决方案。多家RF公司已经有意支持研发6GHz以下和厘米波/毫米波FWA基础设施。例如，Qorvo已经在供应相关产品，用于多个第1层和第2层供应商现场试验。在整个RF行业，FWA产品示例包括：

6GHz以下产品：双通道开关/LNA模块和集成式Doherty PA模块
厘米波/毫米波：集成式发送和接收模块

此外，在5G基础设施领域中，还必须考虑以下几个因素：

集成
满足高温条件下的被动冷却需求

为了响应这些趋势，Qorvo打造了用于厘米波/毫米波的集成发送和接收模块，以及集成式GaN前端模块。这些集成模块包括PA、开关和LNA，并且具有高增益，能够驱动核心波束成形器RFIC。为了满足基础设施的被动式冷却规格要求，我们采用碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）来支持更高的结温条件。

FWA时代即将到来

FWA已经开始实施，很快就能实现完全商业化。目前，我们认为混合波束成形是最佳的解决方法。此外，GaN与SiGe核心波束成形可以满足75dBm的FCC EIRP目标和100MHz的基站目标。这种方法还可以尽可能降低成本、复杂度、尺寸和功耗。

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