下一代移動(dòng)連接5G的迅速采用引起了很多激動(dòng)和期待,。分析師預(yù)測(cè),，到2020年底，商用5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量將翻兩番,，5G連接的總數(shù)將從2019年的500萬增加到2025年的28億,，而5G技術(shù)的全球市場(chǎng)將在2026年達(dá)到6679.0億美元。不幸的是,，要實(shí)現(xiàn)這些雄心勃勃的覆蓋目標(biāo)并不是一件容易的事,，這將需要對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（尤其是RF功率應(yīng)用）進(jìn)行大幅修改。
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為了滿足RF前端功率需求,，OEM廠商開始使用氮化鎵（GaN），這是一種相對(duì)較新的商用半導(dǎo)體,。它的功率效率,，功率密度和更大范圍頻率處理能力使其非常適合大型MIMO基站,。
了解MIMO
要充分發(fā)揮5G的高速和超低延遲的潛力，客戶需要移動(dòng)運(yùn)營商提高所有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的性能,。這意味著對(duì)頻譜采集,，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和傳輸技術(shù)的大量投資。無論如何完成,，在全國范圍內(nèi)推出5G對(duì)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商來說都是非常昂貴的,。資金也是5G運(yùn)營的最大障礙。盡管人們對(duì)高頻毫米波的關(guān)注度很高,，但運(yùn)營商仍在Sub-6GHz范圍內(nèi)實(shí)施Massive MIMO技術(shù),，以最大程度地降低成本從而推動(dòng)5G。
MIMO代表“多輸入多輸出”,，是一種用于無線通信的天線技術(shù),，它使用多個(gè)天線來發(fā)送和接收信號(hào)。MIMO取代了傳統(tǒng)無線通信中使用的經(jīng)典單天線,，它通過不同的天線發(fā)送多個(gè)信號(hào)相同的數(shù)據(jù),。這允許空間多路復(fù)用，其中每個(gè)信道將獨(dú)立的信息傳送給接收器-與傳統(tǒng)的單天線相比,，MIMO具有許多優(yōu)勢(shì),。
當(dāng)RF信號(hào)遇到建筑物等障礙物時(shí)，信號(hào)會(huì)散射并采用不同的路徑到達(dá)目標(biāo)接收器,。這種多徑傳播會(huì)導(dǎo)致接收不良,，通話中斷以及速率下降。 MIMO無線電接收并合并相同數(shù)據(jù)的多個(gè)流,，因此可以使用多徑傳播來改善信號(hào)質(zhì)量和強(qiáng)度,。如果環(huán)境散射足夠豐富，則可以在相同的分配帶寬中創(chuàng)建許多獨(dú)立的子信道,，從而產(chǎn)生質(zhì)量和信號(hào)增益,，而無需額外的帶寬或功率。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以專注于使用更大的天線以滿足需求,，而不是更多的基站,。
MIMO天線陣列還可以通過波束成形和波束控制將信號(hào)聚焦在各個(gè)用戶的方向上。單個(gè)天線可以在所有方向上廣播無線信號(hào),，通過數(shù)字和模擬方法,，多個(gè)天線還可以將特定方向上的信號(hào)聚焦到接收器。這極大地提高了頻譜和功率效率,。
5G規(guī)模MIMO
過去幾代的無線技術(shù)已經(jīng)利用MIMO在天線陣列技術(shù)方面的進(jìn)步來提高網(wǎng)絡(luò)速度,。 3G引入了單用戶MIMO，它利用多個(gè)同時(shí)的數(shù)據(jù)流將數(shù)據(jù)從基站傳輸?shù)絾蝹€(gè)用戶,。4G系統(tǒng)使用多用戶MIMO,，將不同的數(shù)據(jù)流分配給不同的用戶,，以實(shí)現(xiàn)顯著的容量和性能優(yōu)勢(shì)。借助5G新無線電標(biāo)準(zhǔn),，MIMO變得足夠“龐大”,。4G系統(tǒng)通常配備四個(gè)發(fā)射和四個(gè)接收天線：也就是一個(gè)4×4天線陣列。5G Massive MIMO使用更多的發(fā)射和接收天線來增加傳輸增益和頻譜效率,；一些典型的MIMO天線大小為256×256,。
由于大規(guī)模MIMO使用更多天線，因此發(fā)送到接收器的信號(hào)束要窄得多,。它使基站能夠更精確,，更有效地向用戶傳遞RF能量。每個(gè)天線的相位和增益都是單獨(dú)控制的,，并且由于信道信息將保留在基站中,，因此移動(dòng)設(shè)備并不需要多個(gè)接收器天線。大量的基站天線增加了小區(qū)中的信噪比,，從而提高了小區(qū)站點(diǎn)容量和吞吐量,。
同樣重要的是，5G技術(shù)建立在4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)上,，可以使用動(dòng)態(tài)頻譜共享,。這使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商能夠增加網(wǎng)絡(luò)容量，提供高數(shù)據(jù)速率并節(jié)省頻譜,，同時(shí)最大程度地減少運(yùn)營商支出,。
毫米波的承諾與Sub-6 GHz的現(xiàn)實(shí)
毫米波技術(shù)（即mmWave）和5G通常被錯(cuò)誤地視為同義詞。毫米波是5G網(wǎng)絡(luò)使用的24GHz至100GHz射頻頻譜上的一個(gè)頻段,，與Sub-6GHz頻段并行,。以前認(rèn)為毫米波不適合移動(dòng)通信,，因?yàn)樵擃l帶中的信號(hào)明顯傳輸距離有限,，并容易被建筑物，樹葉,，雨水和人體阻擋,。但是，這些短波長能夠在短距離上傳輸更多數(shù)據(jù),。很明顯,，要實(shí)現(xiàn)5G的20Gb / s數(shù)據(jù)速率目標(biāo)，最終將有必要使用毫米波頻譜,。盡管許多移動(dòng)通信對(duì)毫米波感到興奮,，但對(duì)于在全球范圍內(nèi)推廣所需要的基站建設(shè)挑戰(zhàn)卻沒有給予足夠的重視。
當(dāng)通過基站建設(shè)來審視毫米波時(shí),，這一點(diǎn)變得尤為清楚,。毫米波基站的范圍遠(yuǎn)小于以較低頻率發(fā)射信號(hào)的蜂窩塔,。為了實(shí)現(xiàn)全國覆蓋，研究人員估計(jì)美國網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將需要建立1300萬個(gè)基站,?？紤]到當(dāng)今的美國移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)大約有30萬個(gè)基站，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)還有很長一段路要走,。另外毫米波高昂的功耗要求進(jìn)一步加劇資本支出,，因此除了在體育館和城市熱點(diǎn)之外，毫米波在接下來的幾年中,，針對(duì)全美推廣是不現(xiàn)實(shí)的,。
在OEM努力降低毫米波成本的同時(shí)，Sub-6GHz頻段將成為5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商所依賴的重要頻段,。較低頻率的信號(hào)會(huì)進(jìn)一步穿透建筑物等障礙物,，并在逐漸消失之前覆蓋鐵塔周圍的較大區(qū)域，從而適合于農(nóng)村和城市地區(qū),。這意味著Sub-6 GHz的5G還可以用更少的基站來做更多的事情,，并使用現(xiàn)有的信號(hào)塔。
大規(guī)模MIMO基礎(chǔ)架構(gòu)要求
即使Sub-6 GHz的5G并不能提供毫米波所能帶來的巨大速度改善,，其大規(guī)模MIMO天線陣列仍可以實(shí)現(xiàn)更多同時(shí)連接,，提高信號(hào)吞吐量，并在用戶覆蓋范圍和容量之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡,。這是更現(xiàn)實(shí)的實(shí)施途徑,。Sub-6GHz 5G的推出將比毫米波部署地更快，從而提高移動(dòng)寬帶的速度和一致性,。在向完全集成的5G網(wǎng)絡(luò)過渡的同時(shí),，它提供了對(duì)當(dāng)前4G系統(tǒng)的改進(jìn)。這就是為什么許多業(yè)內(nèi)人士期望運(yùn)營商競(jìng)標(biāo)較低頻譜范圍的原因,，他們可以利用動(dòng)態(tài)頻譜共享在相同的頻譜范圍內(nèi)提供3G,，4G和5G服務(wù)。我們已經(jīng)在國際5G實(shí)施中看到了這種方法,。韓國于兩年前開始在較低頻率中推出5G,，中國將全面改革其整個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)全國范圍的5G覆蓋,。
這并不是說Sub-6 GHz的5G易于部署,；這些新技術(shù)伴隨著重大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為了在5G基站上采用大規(guī)模MIMO技術(shù),，設(shè)計(jì)師的任務(wù)是開發(fā)包含數(shù)百個(gè)天線元件的高度復(fù)雜的系統(tǒng),。許多利用有源相控陣天線來向特定用戶提供波束成形和波束調(diào)制的能力。所有這些額外的天線都具有更好的性能,，但是這些大型天線陣列消耗的功率更多,，并且需要專用的RF前端（RFFE）芯片組和放大器,。
構(gòu)建支持這些新的Sub-6 GHz的5G應(yīng)用的RF前端將是一個(gè)挑戰(zhàn)。 RFFE電路對(duì)于4G系統(tǒng)的功率輸出,，選擇性和功耗至關(guān)重要,。 5G調(diào)制方案帶來了額外的需求，因此無線基礎(chǔ)設(shè)施功率放大器（PA）將需要非常高效才能實(shí)現(xiàn)必要的線性度,。此外,，峰值功率要求和最低功率要求之間的巨大差值也給功率放大器和RF前端帶來了散熱問題。