加速 5G 部署的 7 个基本要素

Qorvo半导体 2020-06-17 00:00

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5G 不再仅仅是一个承诺——它是非常真实的庞大市场，尽管其实施尚处于起步阶段。2019 年有两个例子表明 5G 的部署正在成为现实。其中之一是 Verizon 在其所有 NFL 橄榄球赛场中都推出了 5G 服务；另一个例子在韩国，5G 用户在当年 8 月——仅在本地运营商推出商业化技术四个月后便达到 200 万以上。在本文中，我们将探讨小型基站密集化、频谱采集、频谱共享和大规模 MIMO 等领域中 5G 的发展趋势。尽管普及尚需时日，但 5G 有望成为有史以来增长最快的移动技术。根据全球移动供应商协会（GSA）的调研，5G 的增长速度远远快于 4G LTE ——部署节奏超越后者约两年；其最近发布的数据表明，全球有 50 多家运营商推出了 5G 移动网络，并且至少有 60 款不同的 5G 移动设备可用。

最终，5G 将带来改变生活的影响，并颠覆许多行业。但是，在 2020 年，运营商将重点支持前两个主要 5G 用例：更快的移动连接性和带来高速无线连接的固定无线接入（FWA）。

Qorvo 在其《5G RF 傻瓜书（5G RF for Dummies）》第二版中强调了 5G 的高速发展；这本新近更新的著作描述了将 5G 愿景变为现实的关键趋势与技术支持因素。

Verizon 在其所有 NFL 橄榄球赛场中都推出了 5G 服务

https://www.verizonwireless.com/business/articles/business/stadium-transformation-verizon-5g/

全球移动供应商协会（GSA）

https://gsacom.com/paper/50-5g-commercial-networks-november-snapshot/

《5G RF 傻瓜书（5G RF for Dummies）》第二版

https://www.qorvo.com/design-hub/ebooks/5g-rf-for-dummies

以下是书中的一些要点。

1. 网络密集化与小型基站

5G用户将需要更多的蜂窝基站以大幅扩展网络容量并支持数据流量的增长。这促使移动网络运营商（MNO）急于采用小型基站（即人口稠密的城区中安装在建筑物、路灯柱等场合的小型低功率基站）来提高网络密集度。这些小型基站将帮助MNO满足用户对大量数据的渴求，改善服务质量。

2. 频谱收集

5G 需要大量带宽。更大的带宽使运营商可以增加容量并提高数据速率，从而使用户可以更快地下载大文件并获得高分辨率的无抖动流媒体。物理层和更高层的设计与频率无关，但为每个层制定了单独的无线电性能要求。较低的频率范围（FR1）也称为 sub-7GHz，即 410 - 7,125 MHz 频段；较高的频率范围（FR2）也称为毫米波（mmWave），范围为 24.25 - 52.6 GHz。

为了获得 FR1 和 FR2 中的带宽，必须分配更多的频谱。目前，约 40 个国家和地区的监管机构已经分配了新的频率并实现了 LTE 频谱的重新划分，然而，这还远远不够。根据 GSA 的数据，有 54 个国家计划从现在起到 2022 年底分配更多频谱，以尽可能地至少解决一部分问题。

3. 4G 到 5G 网络的演进

5G 无线电接入网络（RAN）旨在与现有 4G LTE 网络配合使用。3GPP 允许多个新无线电（NR）部署选项。因此，如下图所示，通过从非独立（NSA）到独立（SA）组网，MNO 可以更轻松地迁移至 5G。

4. 动态频谱共享

动态频谱共享（DSS）是一项新技术，可以进一步帮助实现从 4G 到 5G 的平滑迁移。借助 DSS，运营商可以允许 4G 和 5G 用户共享同一频谱，而不必将频谱的每个部分专用于 4G 或 5G。这意味着运营商可以更有效地使用其网络，并根据用户需求分配容量从而优化用户体验。因此，随着 5G 用户数量的增加，网络可以在总容量中为每个用户动态分配更多容量。

5. 毫米波（mmWave）

5G 网络可以使用毫米波 FR2 频谱来提供最高的数据速率，在该频谱中可以使用大范围的带宽。毫米波现已成为现实：5G 网络正在将其用于 FWA 和移动设备，并将在将来用于其它用例。随着 5G 网络部署的扩大和适用于家用设备的出现，运营商预计将 FWA 推广到更多家庭。

6. 大规模 MIMO

MIMO（多输入多输出）通过使用多个天线以相同的带宽传送多个数据流来提高数据速度和网络容量。当今的许多 LTE 基站已经使用多达 8 根天线来传输数据，但是 5G 引入了大规模 MIMO，它使用 32 或 64 个天线，在将来甚至还会更多。大规模 MIMO 对毫米波尤为重要，因为多个天线集中了收发信号，以提高数据速率并补偿高频下的传播损耗。这极大地提升了吞吐量和能效。

7. RFFE 创新助力 5G

真正实现 5G 愿景需要创新射频前端（RFFE）技术的参与。随着手机、基站和其它设备变得越来越时尚、小巧，RFFE 将需要在更少的空间中获得更强大性能，同时提高能效。一些 RF 技术是实现 5G 目标的关键；它们包括：

氮化镓（GaN）。GaN 非常适合能够在高温下工作的大功率晶体管。GaN PA 在 5G 中的潜力才刚刚开始被认识到。其所具备的高射频功率、低直流功耗、小尺寸和高可靠性使设备制造商可以制造体积更小、重量更轻的基站。通过 GaN PA，运营商可以以更少的天线阵列单元和更低的功耗，满足毫米波传输的高效全向辐射功率（EIRP）输出规范。这使得系统重量更轻，安装成本更低。
BAW 滤波器。5G 所使用的频段及载波聚合（CA）组合的数量大幅增加，并且需要与许多其它无线标准共存，这意味着高性能滤波器对于避免干扰至关重要。表面声波（SAW）和体声波（BAW）滤波器占板面积小、性能卓越且价格适中，是 5G 移动设备中使用的主要滤波器类型。