GaN助力運營商和基站OEM實現5G sub-6GHz和mmWave大規模MIMO

到2021年，估計全球會有更多的人擁有移動電話(55億)，將超過用上自來水的人數(53億)。與此同時，帶寬緊張的視頻應用將進一步增長對移動網絡的需求，其會佔移動流量的78%。使用大規模多輸入多輸出(MIMO)技術的 5G網絡將是支持這種增加的關鍵。根據Strategy Analytics的數據，預計5G移動鏈接將從2019年的500萬增加到2023年的近6億。

MIMO技術

如圖1所示，單用戶MIMO系統用於3G，而4G採用多用戶MIMO系統技術。

圖1

每一代無線技術都利用天線技術的進步來幫助提升網絡速度。3G採用單用戶MIMO，其利用多個同時數據流將數據從基站傳輸到單個用戶。多用戶MIMO是4G系統中的主導技術，它爲不一樣用戶分配不一樣的數據流，與3G相比具備顯著的容量和性能優點(圖1)。5G將引入大規模MIMO，進一步提升容量並提供高達20 Gb / s的數據速率(圖2)。

圖2：MIMO的演進最終將致使大規模MIMO用於5G。

5G大規模MIMO

5G常喊的口號是增長網絡容量和數據速率，同時最大限度地下降運營商費用。用戶也愈來愈但願無線數據服務可以提供有線質量。

5G大規模MIMO將幫助運營商實現這些目標。它將爲許多用戶提供高數據速率，有助於提升容量。它將支持實時多媒體服務，而無需額外的頻譜。此外，大規模MIMO將經過利用波束成形將信號定向到各個用戶來減小能量消耗，波束成形技術未來自多個天線的信號聚焦成單個強光束。

空間複用和大規模MIMO優點

Massive-MIMO技術使用大型天線陣列(一般包括64個雙極化，但至少16個陣列元素)來利用空間複用(圖3)。空間複用在同一資源塊內提供多個並行數據流。經過擴展虛擬通道的總數，它能夠增長容量和數據速率，而無需額外的塔和頻譜。

圖3：各類益處都與大規模MIMO相關，例如空間複用。

在空間複用中，每一個空間信道攜帶獨立信息(圖4)。若是環境散射足夠豐富，則在相同的分配帶寬中建立許多獨立的子信道，從而實現多路複用增益而不帶來額外的帶寬或功率成本。多路複用增益也稱爲參考信號空間星座的自由度; 在大規模MIMO配置中，自由度控制着系統的總體容量。

圖4：與大規模MIMO進行空間複用的每一個信道都攜帶獨立的信息。

經過大規模MIMO，多個天線將發送和接收信號集中到較小的空間區域，從而大大提升了吞吐量和能效。數據流越多，數據速率越高，輻射功率的使用效率越高。這種方法還提升了鏈路可靠性。天線的增長意味着能夠在空間分集上花費更多的自由度。它提升了發送和接收數據流的選擇性，並加強了干擾消除功能。

大規模MIMO帶來的好處包括：

防止在不但願的方向上傳輸，減輕干擾

減小延遲，實現更快的速度和更高的可靠性

減小衰落和降低，提升信噪比(SNR)

提升頻譜效率和高可靠性

提升能源效率

5G大規模MIMO和Sub-6GHz部署

很明顯，爲了實現20Gb / s數據速率的5G目標，有必要使用毫米波(mmWave)頻譜。可是，在mmWave真正用於移動通訊以前，必須解決幾個關鍵挑戰。

雖然運營商和原始設備製造商(OEM)正在努力完善mmWave技術，但6GHz如下將成爲近期的5G網絡技術。Sub-6GHz頻率適用於農村和城市地區，由於該技術能夠長距離提供高數據速率(圖5)。運營商最初預計將在3,300~4,200-MHz和4,400~5,000MHz頻率範圍內部署5G，這將容許高達100MHz的信道帶寬。

圖5：覆蓋範圍和容量的差別在5G mmWave和6GHz之間是不一樣的。

Sub-6GHz大規模MIMO將經過在基站使用大量天線來解決干擾問題，並使基站可以爲城市地區的大量用戶提供服務。Massive MIMO還可提升峯值，平均值和小區邊緣吞吐量，經過在用戶覆蓋和容量之間提供最佳平衡來最大化成本效率。

然而，這些技術進步並不是沒有系統設計挑戰。Sub-6GHz大規模MIMO波束成形技術將推進對可用於大規模MIMO陣列的小型、經濟高效的功率放大器(PA)的需求。此外，因爲5G調製方案變得愈來愈複雜(即256 QAM)，無線基礎設施功率放大器將須要在深輸出功率回退條件(高達8 dB或更高)下很是高效。達到必要的線性。

利用GaN實現5G Mass-MIMO Sub-6GHz

氮化鎵(GaN)技術能夠在sub-6GHz 5G應用中發揮重要做用，有助於實現更高數據速率等目標。

高輸出功率、線性度和功耗要求正在推進基站和網絡OEM部署的PA從使用LDMOS技術轉換到GaN。GaN爲5G sub-6GHz大規模MIMO基站應用提供了多種優點：

GaN在3.5GHz及以上頻率下表現良好，而LDMOS在這些高頻下受到挑戰。

GaN具備高擊穿電壓，高電流密度，高過渡頻率，低導通電阻和低寄生電容。這些特性可轉化爲高輸出功率、寬帶寬和高效率。

採用Doherty PA配置的GaN在100 W輸出功率下的平均效率達到50%~60%，顯着下降了發射功耗。

GaN PA的高功率密度可實現須要較少印刷電路板(PCB)空間的小尺寸。

在Doherty PA配置中使用GaN容許使用四方扁平無引線(QFN)塑料封裝而不是昂貴的陶瓷封裝。

GaN在高頻和寬帶寬下的效率意味着大規模MIMO系統能夠更緊湊。GaN可在較高的工做溫度下可靠運行，這意味着它可使用更小的散熱器。這樣能夠實現更緊湊的外形。

知足6GHz如下的RFFE設計目標

構建RF前端(RFFE)以支持這些新的sub-6GHz 5G應用將是一項挑戰。RFFE對系統的功率輸出、選擇性和功耗相當重要。複雜性和更高的頻率範圍推進了對RFFE集成、尺寸減少、更低功耗、高輸出功率、更寬帶寬、改善線性度和增長接收器靈敏度的需求。此外，收發器、RFFE和天線之間的耦合要求更嚴格。

5G sub-6GHz RFFE的一些目標，以及GaN PA如何幫助實現這些目標呢?具體包括以下：

更高的頻率和更高的帶寬：5G使用比4G更高的頻率，而且須要更寬的份量載波帶寬(高達100 MHz)。GaN-on-silicon-carbide(GaN-on-SiC)Doherty PA在這些頻率下實現比LDMOS更寬的帶寬和更高的功率附加效率(PAE)。GaN器件的更高效率，更高輸出阻抗和更低寄生電容容許更容易的寬帶匹配和擴展到很是高的輸出功率。

在更高數據速率下的高功率效率：GaN具備軟壓縮特性，使其更容易預失真和線性化。所以，它更容易用於數字預失真(DPD)高效應用。GaN可以在多個蜂窩頻段上運行，幫助網絡運營商部署載波聚合以增長頻譜並建立更大的數據管道以增長網絡容量。

最大限度地下降系統功耗：咱們如何知足5G的高數據率要求?咱們須要更多基礎設施，例如數據中心，服務器和小型蜂窩。這意味着網絡功耗的總體增長，從而推進了對系統效率和總體功率節省的需求，這彷佛很難。一樣，GaN能夠經過提供高輸出功率以及提升基站效率來提供解決方案。

圖6顯示了一個示例性sub-6GHz RFFE的框圖，該RFFE使用了Qorvo的Doherty PA設計來實現高效率。

圖6：這種sub-6GHz的大規模MIMO RFFE包括Doherty PA。

結語

5G mass-MIMO sub-6GHz基礎設施設計已經推出。這意味着如今必須提供解決更高頻率、更高功率輸出和更低功耗所需的技術和系統設計，以支持全球運營商擴建。