為何5G網路需要Sub-6GHz與大規模MIMO?

作者 : Roger Hall,Qorvo高性能解決方案業務部門總經理

要想充分發揮5G通訊技術達到數Gbps的資料傳輸速率和超低延遲潛力,行動通訊業者需提高所有網路參數的性能。這意味著要對頻譜採集、網路基礎設施和傳輸技術進行大量投資。無論採取何種方式實現,對行動通訊業者來說,在全國範圍內部署5G的成本都非常高...

市場對於5G通訊技術的迅速普及感到非常興奮,同時也充滿期待。分析師預測,2020年商用5G網路的數量將會是目前的四倍;5G連結總數將在2025年從2019年的500萬增加到28 億;到2026年,5G技術的全球市場規模將達到6,679億美元。遺憾的是,要實現這些宏大的覆蓋率目標並非易事,需要對現有行動網路基礎設施(尤其是RF功率應用)進行重大改革。

為了滿足RF前端功率需求,廠商開始使用氮化鎵(GaN)這種相對較新的商用半導體材料。其電源效率、功率密度,以及支援更寬頻率範圍的能力,使其非常適合大規模MIMO基地台應用。本系列文章將分別探討讓GaN獲得市場採用的動力、GaN的半導體應用價值,以及嵌入式設計工程師如何妥善將GaN整合至元件,還有我們可期待未來出現哪些GaN創新技術。

了解MIMO

要想充分發揮5G通訊技術達到數Gbps的資料傳輸速率和超低延遲潛力,行動通訊業者需提高所有網路參數的性能。這意味著要對頻譜採集、網路基礎設施和傳輸技術進行大量投資。無論採取何種方式實現,對行動通訊業者來說,在全國範圍內部署5G的成本都非常高。以較低成本提供5G服務是普及5G技術的最大障礙。儘管高頻毫米波備受關注,但營運商目前仍採用Sub-6GHz大規模MIMO技術,以最小化成本,並部署橫跨全國範圍的5G網路。

MIMO (多輸入/多輸出)無線通訊天線技術採用多根天線發送和接收訊號。不同於一般使用單天線的傳統無線通訊,MIMO藉由透過不同天線以多訊號形式發送相同資料,以實現空間多工(spatial multiplexing),其中每個通道都向接收器傳送獨立資訊,因此與傳統的單天線相比,MIMO具有諸多優勢。

當RF訊號遇到建築物等障礙時,訊號會散射,並透過不同的路徑到達目標接收器。在單天線系統中,這種多路徑傳播會導致接收不良、通話中斷以及資料傳輸速度急遽下降等問題。MIMO無線電可接收並合併多個相同資料的傳輸流,因此可使用多路徑傳播提高訊號品質和強度。如果傳播環境中散射足夠豐富,在分配的相同頻寬中會生成許多獨立的子通道,從而在不需要額外頻寬或功率的情況下,實現品質和訊號增益。網路營運商可專注於構建更多天線來滿足需求,而不是更多基地台。

MIMO天線陣列還可以利用波束成形(beamforming)和波束控制(beam steering)技術,將訊號聚焦於個別使用者方向。單天線是朝著所有方向傳播無線訊號,而透過數位和類比方式,多天線可以將訊號聚焦到朝著接收器的特定方向,大幅提高頻譜與電源效率。

5G通訊大規模MIMO

歷代無線通訊技術都利用MIMO天線陣列技術的演進來提高網路速度。例如3G技術導入單用戶MIMO,利用多個同步資料流將資料從基地台傳輸給單一用戶;4G通訊系統則運用多使用者MIMO技術,將不同資料流分配給不同用戶,以實現明顯的容量和性能優勢。

利用最新5G行動通訊標準,MIMO則能實現「大規模」(massive)部署。4G系統通常配備4根發射天線和四根接收天線,即4×4天線陣列;5G大規模MIMO則採用更多的發射和接收天線,來提高發射增益和頻譜效率;有些陣列甚至可達到256×256。

由於大規模MIMO採用更多天線,傳送到接收器的訊號波束會比較窄,這能讓基地台更精確、有效率地向客戶傳遞RF能量。每個天線的相位和增益都是單獨控制,而且通道資訊將保留在基地台,所以行動裝置不需要多根接收器天線。基地台天線數量一多,就會提高基地台的訊號雜訊比(SNR),從而提高基地台的容量和傳輸量。

同樣重要的是,5G技術構築於4G網路基礎設施之上,可以透過動態頻譜共享(dynamic spectrum sharing)與前一代技術共用頻譜,這讓行動通訊業者能提高網路容量,支援高資料傳輸速率、節約頻譜,同時盡可能減少營運支出。

毫米波的未來與Sub-6GHz的現實

毫米波(mmWave)技術常被誤認為5G的同義詞。毫米波是5G通訊使用的24GHz至100GHz無線電頻段,其他還有「Sub-6GHz」頻段與「低頻」。由於毫米波頻段的訊號傳播損耗高,並且會被建築物、樹葉、雨水和人體阻擋,所以先前我們認為毫米波不適合用於行動通訊。

不過那些短波長能夠在短距離內傳輸更多資料,顯然要想實現5G通訊的20Gbps資料傳輸速率目標,最終仍得使用毫米波頻譜。雖然行動通訊領域有許多人都對毫米波發展前景感到興奮,但在要全國範圍內推廣該技術所面臨的後勤部署挑戰,並未受到足夠的重視。

從基地台部署的角度來看毫米波,這一點就尤為明顯。毫米波基地台的傳輸範圍比發射低頻率訊號的基地台更小。研究人員估計,要實現全國性覆蓋,美國的行動通訊業者需要設置 1,300萬個基地台,而目前全美行動通訊基地台數量只有約30萬個。此外要滿足毫米波高昂功耗要求的成本非常高,大範圍部署毫米波基地台的資本支出會進一步增加。因此以美國為例,除了體育場館以及都會區熱點,要在未來幾年於全國部署毫米波技術是不切實際的。

雖然廠商致力於降低毫米波技術成本,Sub-6GHz會是5G網路營運商所仰賴的主要頻段。較低頻的訊號能進一步穿透建築物等障礙,並在逐漸衰弱前覆蓋基地台周遭更大的區域範圍,鄉村或都會區都適用。這意味著採用Sub-6GHz頻段的5G網路可透過更少的基地台實現更大的覆蓋範圍,並能使用營運上已經部署的現有基地台。

大規模MIMO基礎設施需求

儘管Sub-6GHz的5G網路無法像毫米波技術那樣實現大幅度的速度提升,其大規模MIMO天線陣列可支援更多的同步連接,提高訊號輸送量,並在使用者覆蓋和容量之間實現最佳平衡。所以說,Sub-6GHz是更實際可行的5G網路實現途徑,相較於毫米波部署,Sub-6GHz可更迅速地提高行動寬頻的速度和一致性,在朝向全整合5G網路邁進同時,它還可以即時改善當前的4G系統。

因此,許多產業人士都期望行動通訊業者投標較低頻譜範圍,以便利用動態頻譜共享,在同一頻段提供3G、4G和5G服務。我們已看到國際間有5G實施方案採用了這種方法──韓國在兩年前就推出低頻5G,中國則將對整個網路基礎設施進行改革,以便在未來幾年實現全國性的5G網路覆蓋。

但這並不是說Sub-6GHz的5G部署非常簡單,這些新技術也會帶來艱鉅的系統設計挑戰。為了在5G基地台上採用大規模MIMO技術,設計人員需要開發包含數百個天線元件的高複雜度系統。許多系統採用主動相位陣列天線(active phased array antennas),以便朝特定使用者提供動態波束成形和波束控制功能。所有這些附加天線意味著更佳性能,但它們功耗更大,且得採用專屬RF前端(RFFE)晶片組和放大器。

打造能支援Sub-6GHz 5G應用的RF前端會是一項挑戰,RFFE電路在4G系統中已經對功率輸出、選擇性和功耗具備關鍵影響,5G調變機制又帶來額外需求,因此無線基礎設施的功率放大器(PA)需要具備非常高的效率,才能實現所需的線性度。此外,峰值和最低功率要求之間的巨大差異,會為功率放大器和RF前端帶來散熱問題。

在未來的文章中,我們將繼續探討業界如何進行創新,以滿足5G對嵌入式系統帶來的新要求,從而推動從傳統LDMOS放大器朝GaN解決方案的轉變。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌簡體中文版2021年3月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:5G and GaN: Understanding sub-6Ghz Massive MIMO infrastructure,By Roger Hall ;本文出自EE Times姊妹網站,ASPENCORE旗下Embedded.com)

 

 

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