行動網路營運商將固定無線接取(FWA)視為5G毫米波(mmWave)頻譜的首選應用。FWA即將快速推出,但目前仍面臨著一個挑戰:打造節能且經濟高效的基地台以及能夠支援高功率與高頻寬的用戶端設備(CPE)。

將FWA視為極具吸引力的首選應用,原因如下:營運商僅需花費傳統電纜和光纖到戶(FTTH)設施的一小部份時間和成本,即可為家庭、公寓或企業提供數千兆(multi-gigabit)速度。這開啟了之前只適用於衛星、光纖或電纜供應商的新市場。另一吸引力在於具有將FWA基礎設施的投資直接延伸至提供5G行動接取的潛力。

因此,Verizon、AT&T以及其他營運商正大力開展FWA試驗,目標是在2019年實現完全商業化。市場調查公司SNS Telecom預測,FWA將迅速起飛,僅在2019年就可創造10億美元收益。

FWA基本原理

固定無線接取描述了一個集中式基地台與多個固定或漫游(nomadic)用戶位置之間的無線5G連接(圖1)。FWA被視為特別適用於以下幾種環境,包括:

● 密集城市和郊區:由於FWA可提供高容量和傳輸效率,營運商看到了向大量用戶提供高性能同時創造可觀收入的潛力。

● 室內/戶外熱點:FWA能夠提供高速、低延遲連線性,以支援密集人群。例如:體育場館內的運動愛好者在觀看比賽時,能夠體驗從各個角度拍攝的沉浸式現場直播視訊。

20180712_Qorvo_TA31P1 圖1:使用MIMO和波束成形的端對端固定無線接取(FWA)連網

FWA頻譜、頻寬和監管進展

營運商已採取措施因應其面對的第一大FWA挑戰:獲得所需頻譜。大多數部署預計將使用毫米波頻率,由此以非常低的成本獲得大範圍連續的未配對頻寬。例如:針對Straight Path Communication的28GHz和全國範圍的39GHz頻譜,Verizon花費的成本大約每MHz-PoP為0.017美元。相較於2015年每MHz-PoP平均2.72美元的AWS-3配對頻譜,這筆交易非常划算。

全球毫米波頻譜的可用性如圖2中所示。首批FWA部署預計將使用24.25~29.5GHz和37~43 GHz頻率範圍。

20180712_Qorvo_TA31P2 圖2:mmWave和cmWave全球頻段

3GPP 5G新無線電(New Radio;NR)標準(Release 15)提議毫米波的分量載波頻寬(亦稱頻率範圍)最高為400MHz,且早期的商業基地台可利用載波聚合(CA)技術支援超過1.2GHz的暫態頻寬。

美國計畫將大約3850MHz的毫米波頻譜用於5G——大約是之前分配給商業用途的全部頻寬之6倍。美國聯邦通訊委員會(FCC)已經為5G定義了28GHz和39GHz頻段,並在探索4GHz至24GHz的其他頻譜。FCC還為基地台和行動裝置設定了非常高的發射功率級(表1)。

20180712_Qorvo_TA31T1 表1:28GHz和39GHz頻段的FCC功率限制

隨著多個監管規則定義後,營運商已掌控了大量頻譜,並擁有足夠的功率輸出能力為多個城市街區提供Gbps級的速度,讓業界得以準備好開始建構基地台。

FWA基地台設計

FWA基地台面臨著一些RF設計挑戰。為了在分區基地台覆蓋範圍內提供所需的容量和足夠的室內穿透能力,基地台必須利用先進的主動相控陣列天線系統(AAS)。主動天線陣列必須具有高能效和穩固性,以便對全戶外塔頂電子設備進行被動式冷卻。此外,基地台必須足夠輕巧,便於安裝在傳統基地台塔和路燈桿等位置。

相控陣列中主動通道的大小或數量都是至關重要的考慮因素。陣列大小取決於掃描(方位角和仰角)要求和預期效果的全向性輻射功率(EIRP)。EIRP是主動通道數量、每個通道的傳導發射功率、波束成形增益(陣列係數)和固有天線元件增益的乘積。

所需的掃描範圍取決於部署場景(圖3)。對於「郊區」部署,仰角平面的固定或有限掃描範圍(< 20°)可能就足夠了,這樣就可以利用更高的固有天線元件增益。對於「城市」部署,則需要較寬的掃描範圍:方位角(約120°),仰角(約90°)。

由於掃描範圍受限,郊區部署可使用固有元件增益比城市部署高6dB的天線。因此,郊區相控陣列天線只需一半的主動通道就能夠實現相同的EIRP,顯著降低了功耗和成本。相反地,對於相同功率和數量的主動通道,郊區陣列可實現更高4倍的EIRP。

20180712_Qorvo_TA31P3 圖3:天線陣列複雜性取決於部署場景所需的掃描範圍

使用毫米波頻率時,相控陣列元件之間的閘格間距則變得非常小——在40GHz時,小於4mm。為了最大程度地減少饋入損耗,務必將關鍵前端元件置於盡可能靠近輻射元件的位置。這有助於縮小功率放大器(PA)的佔位面積,同時將盡可能多的功能整合至單晶片或多晶片模組中。

此外,最近興起的整合雙極性和發射/接收趨勢,使得電路密度進一步增加4倍(圖4)。早期的毫米波基地台設計通常使用單獨的單極化發射和接收天線陣列,可為元件提供兩倍的面積,並避免了單刀雙擲(SPDT)發射開關的額外插入損耗和線性度難題。

然而,自適應波束成形很大程度上取決於接收和發射陣列之間的相對校準能力。這種校準取決於發射和接收陣列之間的空間相關性。因此,整合發射/接收陣列是首選方案,這樣陣列就可以共用一套通用的天線元件和RF路徑。此外,分集和容量也需要雙極化。

20180712_Qorvo_TA31P4 圖4:FWA天線陣列的演進

如果要在如此小的面積內部署所有功能,需要使用基於矽鍺/矽(SiGe/Si)半導體技術的極小PA,以產生非常低的功率輸出;或使用高功率密度的半導體技術,如氮化鎵(GaN),其功率密度是SiGe/Si的100多倍。

FWA 前端技術

為發射/接收鏈中每個功能選擇最適合的半導體技術至關重要。圖5顯示混合波束成形主動天線系統的方塊圖。

Bulk CMOS技術用於數位處理和混合訊號轉換。SiGe適合混頻器以及由最終RF頻率決定的小訊號增益模組,以及混合RF波束成形器。波束成形器功能將RF訊號分成多個路徑,以饋入相控陣列的每個主動元件。它可執行高解析度相位和振幅加權,而這是合成波束成形模式和自適應零電位干擾源所必需的。由於I/O數量較多以及需要儲存數百個波束成形加權值,設計人員也使用SiGe實現這一功能。然而,最終的波束成形器RFIC要求仍在聚合中,而設計師必須在線性度、輸出驅動功率和功耗之間尋求一種微妙的平衡。是否需要採用高線性度砷化鎵(GaAs)波束成形器技術耦合bulk-CMOS控制器以儲存波束加權值,以便克服密集多基地台部署中固有的干擾,則仍有待觀察。

20180712_Qorvo_TA31P5 圖5:混合波束成形功能方塊圖

最後的模組為前端,包括一個高功率和高效率的發射PA、一個發射/接收開關和低雜訊放大器(LNA)。前端的技術選擇取決於波束成形增益,即陣列大小的直接函數(圖6)。

為了以均勻矩形陣列實現65dBm EIRP,每個通道的PA功率輸出將隨著元件數量的增加(即波束成形增益的增加)而減少。隨著陣列大小變得越來越大(超過512個主動元件),每個元件的輸出功率將變得小到足以使用SiGe,然後SiGe整合至核心波束成形器RFIC中。相反地,如果前端採用GaN技術,則實現相同EIRP所需的通道數會減少到1/16。關鍵問題是,哪一種方法可最佳化系統成本和功耗。

20180712_Qorvo_TA31P6 圖6:天線陣列元件數量和RFFE製程技術之間的權衡

為了回答這個問題,我們將比較兩個系統:使用整合SiGe前端的大型陣列和使用高功率GaN前端的較小型陣列。表2列出了每個系統的假設和總功耗。為了確保比較的準確性,GaN總功耗還包括饋入前端所需的128個波束成形器分支之19.2W功耗。此外,GaN在200℃結溫條件下的MTTF超過107小時,安全可靠,而SiGe的極限結溫約為130℃。無線基礎設施需要較高的可靠性,其設備壽命預計至少為10年。

20180712_Qorvo_TA31T2 表2:SiGe與GaN前端的假設和總功耗

顯然使用GaN前端具有功率優勢,但是其成本如何?估計成本的一種方法是計算兩個系統需要的晶片總面積(表3)。

20180712_Qorvo_TA31T3 表3:SiGe與GaN前端的假設和晶片總面積

為了確保比較的準確性,我們需要在使用GaN前端時為SiGe波束成形器增加512mm2的晶片面積。按量計算,GaN on SiC的成本約為SiGe的5倍。最終比較結果(表4)顯示,由於尺寸巨大,SiGe陣列的成本明顯更高。我們發現,因為可以擴大陣列以實現完全基於矽的系統,所以如果需要一英畝大小的陣列,那麼成本將明顯更高。

20180712_Qorvo_TA31T4 表4:SiGe與GaN前端的成本

總結

相較於採用SiGe的解決方案,將SiGe波束形成與GaN前端結合在一起可使功耗降低17%,同時讓成本減少9%。此外,陣列元件的數量可以減少到1/8,昂貴的天線基板材料成本也相應地減少了87%。

20180712_Qorvo_TA31P7 圖7:比較完全採用SiGe的FWA系統,以及SiGe波束成形和GaN前端的組合

FWA商業化即將實現,這一部份得益於豐富的低成本頻譜、早期監管和標準工作,而且營運商有機會快速開拓新的市場。其他的的挑戰是要有可用的設備能夠以合理成本閉合鏈路。如今,為了滿足FWA基地台的嚴苛挑戰,我們需要使用混合波束形成架構。該架構可充份利用不同半導體製程的不同優勢,例如結合GaN前端與SiGe混合波束成形技術一起使用,這種的方法看起來最有希望實現FCC EIRP的目標,同時盡可能降低成本、複雜性、尺寸和功耗。