隨著越來越多的使用者選擇無線通訊服務,室內和戶外的無線網路容量需求正不斷地增加。這種網路密度和密集化對於無線營運商進一步施加壓力,迫使他們滿足因語音、視訊和資料流量增加帶來的頻率頻寬消耗需求。這同時也推動營運商擴展其蜂巢式/無線基礎設施,並盡可能地降低成本的增加以及減少對於無線客戶服務中斷的影響。因此,許多營運商開始轉而尋求小型基地台(small cell)解決方案。

5G無線網路的推出可望滿足更高的容量和資料需求,但這些網路離我們還有幾年的時間。因此,繼續使用當前4G無線網路的更實用方案就是使用小型基地台,使其作為微型基地台附加到現有的無線網路。因為他們能以相當低的功率級運作,填補位於室內和戶外地點的任何無線覆蓋「空缺」。

從美國國家美式足球聯盟(NFL)在加州聖克拉拉市舉辦的2016年超級盃(Super Bowl)冠軍賽,就可看出無線用戶的需求如何呈倍數增加。參加這場賽事的粉絲們僅僅在Verizon無線網路中就消耗了超過7TB資料,這相當於2015年超級盃比賽期間所用資料的3倍。大量的球迷們透過智慧型手機等無線裝置連接上網,從4G LTE技術利用小型基地台、大型基地台和行動蜂巢式基地台提供的超大容量中受益。

無線基礎設施:異質網路

當今的無線基礎設施包括許多元素——大型基地台(Macrocell)、都會區基地台(Metro Cell)、戶外和室內分散式天線系統(DAS)、小型基地台等——都可以在一個異質網路(HetNet)架構下共同運作。

行動裝置用戶正從較小的資料封包資訊(圖片、電子郵件或網頁瀏覽等)轉向需要較大資料封包(如視訊、遊戲和直播)的媒體。這使得網路必須具有快速的切換(handover)和資料上行鏈路/下行鏈路(UL/DL),無論是透過小型還是大型基地台。小型基地台的密集化提供了一種高效且便宜的解決方案,並為打造5G的未來奠定了基礎。

20180420_Qorvo_TA31P1 圖1:異質的無線網路基礎架構

什麼是小型基地台?

小型基地台(small cell)是一種將蜂巢式(cellular)站點劃分為更小單元的微型基地台,基本上涵蓋毫微微蜂巢式(Femtocell)、微微型蜂巢式(Picocell)和微型蜂巢式(Microcell)基地台,並可由室內/戶外系統構成。相較於大型基地台只有一條管道連接至網路,小型基地台通常可拆分成多條管道。小型基地台的主要目標是提高大型基地台的邊緣資料容量、速度和整體網路效率。

小型基地台在2008年被納入第9版3GPP LTE規範,並成為網路密集化的一部份,換句話說就是為現有無線基礎設施增添更多的基地台連接。

小型基地台通常用於人群非常密集的都會區,例如購物中心、體育場館、機場和火車站,這些地方基本上都會出現某一時間點有大量的人在使用資料的情況。目前,大多數的小型基地台基礎設施是針對戶外應用而部署的。相形之下,室內的小型蜂巢式系統不一定包含Wi-Fi或者免授權的LTE頻段(LTE-U)/授權輔助存取(LAA),具體取決於服務供應商想要提供哪些功能支援。

參見圖2大致了解從小型蜂巢式到大型蜂巢式等各種基地台的輸出功率、蜂巢式半徑大小以及其他特性。

20180420_Qorvo_TA31P2 圖2:蜂巢式基地台類型

小型基地台發展趨勢與挑戰

小型基地台市場已經出現一段時間了,但過去兩年來的市場成長依舊顯著,年成長率高達50%。根據IHS Technology與Mobile Experts的分析師預測,2017年部署的小型基地台總數高達1百萬以上。

隨著小型基地台的市場持續進展,可歸納出以下以下最新發展趨勢:

  • LTE-U/LAA免授權頻段:免授權頻譜正逐漸應用於小型蜂巢式基地台,為營運商提供了另一條可控制和確保服務品質(QoS)的管道。
  • 系統的頻段數量增加:許多小型基地台在幾年前僅支援一個頻段,如今則開始支持雙頻段,預計在未來一兩年內還會不斷發展,屆時客戶將能夠開發並實現3頻段的系統。無論是從元件數還是整體系統設計的複雜度來看,這都會提高對於小型基地台解決方案的系統級要求。
  • 更高效率的系統設計:今年出貨的系統預計將實現線性化,因而需要較現有更高效率的功率放大器(PA)。在目前的系統設計中,PA通常以回退(back-off)模式運作,這意味著系統作業無需擔心PA的性能表現。而線性化系統將使用反饋,透過基頻晶片組「清理」訊號,並允許PA以更高的頻率運作,從而降低系統功耗。

另一方面,工程師在針對小型基地應用進行設計時,將會面臨新的挑戰,例如增加每個系統的頻段數量。過去針對多輸入多輸出(MIMO)應用設計的小型基地台系統中,每個頻段通常有2個發射器和2個接收器。而當基地台包含多條通道時,意味著需要更多的元件(例如一個3頻系統將會需要6個獨立的PA——2個發射器x3個頻段= 6個PA),如此則會進一步增加系統的複雜度、尺寸和功耗。工程師需要讓系統易於設計、方便使用且高效。

此外,他們還必須確保為發射/接收通道進行良好的隔離與頻段分離,尤其是頻段3 (1.8GHz)。頻段分離間隔僅為20MHz,因此需要透過雙工器實現高度隔離。

小型基地台如何因應5G演進?

簡單來說,5G將提供更大的數據容量、更低的延遲以及更長的電池壽命。然而:

  • 5G並不會取代4G;而僅僅是在4G的基礎之上適用更多樣化的應用。4G網路(如小型蜂巢式基地台)將與5G網路的進展並駕齊驅。
  • 5G新無線(5G NR)網路預計至少要到2020年才能投入使用,這意味著5G行動裝置也要等到屆時整合5G網路後才能正式面世。

小型基地台之所以有助於pre-5G/LTE-Advanced Pro (LTE-A Pro)過渡,主要體現在以下幾點:

  • 提供更大的資料容量
  • 幫助服務供應商免去安裝或租用屋頂系統的高昂成本,從而降低總成本
  • 有助於提升行動裝置性能。當用戶的手機接近小型基地台時,它將以更低的功率傳輸訊號,有效地降低手機功率輸出,從而大幅延長電池壽命。

根據現有的許多討論顯示,真正的5G將採用更高的頻率頻寬,例如28GHz或39GHz。針對於這些毫米波(mmWave)頻率而言,由於訊號無法穿透牆壁或建築物,而蜂巢式基地台的覆蓋半徑也不到500公尺,因此小型基地台顯得至關重要。除了目前適用於小型基地台的系統,預計在未來的幾年裡,可能還會有針對5G網路的系統問世。

小型基地台+DAS解決方案

透過小型基地台和DAS,可在5G無線網路中實現更高資料容量,同時提高這些網路中的QoS。但是,由於密集度會造成干擾並在小型基地台和大型網路之間帶來網路切換挑戰,所以需要精心地設計和管理網路。

20180420_Qorvo_TA31P3 圖3:為了使5G無線網路的性能最佳化,必須使用多種技術,包括分散式天線系統(DAS)、毫米波(mmWave)技術和小型蜂巢式基地台

隨著行動通訊裝置從大型蜂巢式環境遷移至小型基地台覆蓋區域時,網路需要採用暫態轉接配置。小型基地台支援相對較低的功率級,可以讓行動裝置靠近基地台配置,使其得以獲取網路存取的權限,同時節省電池使用壽命,而且不必以傳輸強度隨距離降低的更遠端較大蜂巢式站點建立無線通訊鏈路。行動裝置用戶也將受益於更高的資料速度、行動性和靈活性,這是因為小型基地台和DAS解決方案支援多種標準,包括3G和4G蜂巢式網路,而且能以LTE-A系統實現載波聚合(CA)。

多用戶的MIMO方案、波束控制和相控陣列等天線技術,有助於提供額外的無線覆蓋範圍,以及多頻段3G和4G系統的互通性。採用大規模MIMO途徑,讓無線網路營運商得以提高資料速率和網路容量,因為它可以使用基地台和使用者裝置上的多支天線,在同一頻段傳輸多個空間隔離的資料串流。

大規模MIMO基地台致力於支援16至256條通道,挑戰著基地台設計師在更小元件尺寸中實現節能高效與熱管理的能力。因此,高效節能的半導體技術對這些基地台非常有吸引力。

高度整合的半導體也有助於在相對較小的基地台中實現更多通道。要把256個發射通道擠進一個基地台,需要有一個子系統,把PA、低雜訊放大器(LNA)和開關封裝到緊湊的模組中,並使用小尺寸的濾波器解決方案。

技術集錦

如圖2所示,小型基地台的輸出功率級、覆蓋範圍以及所能服務的用戶數各不相同。為了實現最佳性能和功效,小型基地台中使用的這些子系統必須根據不同的製程技術組合多個元件。例如,PA可能提供合適的輸出功率和功效。

濾波器可能需要第三種技術,尤其是可能出現極端溫度和濕度的操作情況。例如,Qorvo提供的溫度穩定型體聲波(BAW)低漂移(LowDrift)濾波器,有助於濾除高功率訊號,同時避免相鄰頻段的干擾。

除了無線基礎設施設計中需要的不同元件,如濾波器、開關和LNA,還需要高度整合的功率放大器,如Qorvo為小型基地台開發的PA系列。這些功率放大器不需要線性化,並配備晶片上偏置控制功能和溫度補償電路,可進一步簡化小型基地台的設計。驅動一個20MHz寬的LTE訊號時,可提供+24或+27dBm的平均線性輸出功率。這些功率放大器還可在低成本表面裝貼(SMT)封裝中整合兩級放大器增益。

例如Qorvo 0.25W(+24dBm)的功率放大器TQP9218,專為用於工作頻率為1805-1880MHz的小型基地台而設計。它可在頻率範圍內提供31dB的小訊號增益,以及內部阻抗匹配、晶片偏置控制電路和溫度補償電路,全部都封裝在一個7x7毫米、符合RoHS規範的SMT外殼內。這款功率放大器可實現16%的功率附加效率(PAE),並且僅從+4.5V直流(DC)電源中汲取240mA的靜態電流。

簡而言之,為了滿足日益成長中的無線通訊用戶對於更多語音、視訊和資料的需求,必須持續擴大無線網路的覆蓋範圍。相應的解決方案包括DAS,以及為大型蜂巢式基地台增加小型基地台。隨著自動車輛控制和安全等技術以及數百萬物聯網(IoT)裝置湧入無線作業頻段,未來幾年內對於小型基地台的需求將會水漲船高。