设计固定无线接入(FWA)系统时需要考虑的5个因素

贸泽电子设计圈 2020-01-14 08:00
FWA



5G最早的用途之一会是固定无线接入(FWA),后者能够提供千兆级网速。向家庭、公寓或企业提供FWA所花费的时间和成本仅是传统电缆/光纤安装的一小部分。就像任何其他技术进步一样,FWA带来了新的设计难题,让人们需要做出新的技术决策。下面我们将深入探讨在设计FWA系统时需要考虑的五个因素:

  • 频谱选择:毫米波(mmWave)或6GHz以下
  • 使用天线阵列实现更快的数据速率
  • 全数字或混合波束成形
  • 功率放大器(PA)技术选择:硅锗(SiGe)或氮化镓(GaN)
  • 从现有的RF前端(RFFE)产品组合中选择组件



频谱选择:毫米波还是6GHz以下

第一个要做出的决策是FWA使用毫米波还是6GHz以下频率:

  • 毫米波
    这类较高的频率能够以低成本提供大量的连续频谱。毫米波支持宽达400MHz的分量载波,能够实现千兆级数据速率挑战是植被、建筑和干扰等障碍的影响会导致路径损耗。但是,不要认为FWA只能在基站与家庭之间视线障碍较少的环境中使用。实际上,FWA在城市和郊区环境下都可以表现良好。植被和干扰确实带来了挑战,但是可以使用天线阵列提供高增益来克服这些问题。

  • 6GHz以下
    这类较低的频谱有助于克服障碍物导致的问题,但是也要付出一定代价。由于只能提供100MHz的连续频谱,因此数据速率较低。

有效使用频率范围(6GHz以下或毫米波)对于实现扩展部署来说至关重要。无论在何种情形中,进行选择时都需要均衡考虑目标速率与覆盖范围。


使用天线阵列实现更快的数据速率


FWA系统还需要采用有源天线系统(AAS)和大规模MIMO(多路输入/多路输出),以便提供千兆级服务。

  • AAS提供了许多定向天线波束。这些波束在不到一微妙的时间内重新定向,进而实现波束成形,用于补偿高频率下的较大路径损耗。

  • 大规模MIMO使用由数十、数百甚至数千个天线组成的阵列,能够同时向每位用户传输单个或多个数据流。这既提升了容量和可靠性,又实现了高数据速率和低延迟。波束成形还可以减少小区间干扰并优化信号覆盖。


全数字或混合波束成形


第三个考虑因素是采用什么类型的波束成形——全数字还是混合型。

全数字方法

在毫米波基站应用中,最显而易见的选择是升级当前的平台。您可以探索用于6 GHz以下频率的全数字波束成形大规模MIMO扩展平台,但这并不是即插即用型解决方案


全数字方法存在以下限制:
  • 功耗
    数字波束成形需要使用许多低分辨率模数转换器(ADC)。但是,具有高采样频率和标准有效位数分辨率的ADC可能产生大量功耗。

这样的功耗会成为接收器的瓶颈。对于全数字波束成形解决方案来说,具有海量带宽的大型AAS是一个巨大挑战。从根本上说,功耗会限制这种设计。

  • 在密集城市环境中需要使用二维扫描
    所需的扫描范围取决于部署场景,如下图所示。在高密度的城市部署中,方位角(约120°)和仰角(约90°)方向都需要较宽的扫描范围。对于郊区部署,仰角平面的固定或有限扫描范围(<20°)可能就足够了。郊区部署只需有限的扫描范围或一半的有源信道,就能够实现相同的全向性辐射功率(EIRP),从而有效降低了功耗和成本。

记住:阵列大小取决于以下方面:
  • 扫描范围(方位角和仰角)

  • 所需的EIRP


EIRP是以下几个数值的乘积:
  • 有源信道的数量

  • 每个信道的传导发射功率

  • 波束成形增益(阵列系数)

  • 固有天线元件增益



为了实现75dBm的目标EIRP和波束成形增益,全数字解决方案在使用当今技术的情况下将需要16个收发器。这相当于440W的总功耗。但是对于户外被动冷却、塔顶电子设备,当RF子系统的功耗超过300W时,热管理就相当具有挑战性。因此,我们需要新的技术解决方案。

高效率的GaN DohertyPA和数字预失真(DPD)相结合或可提供所需的裕度,但是这类器件在毫米波应用中的使用仍处于研发阶段。不过也不需要太久,我们就能看到全数字波束成形解决方案。以下几个方面的发展将会使它成为现实:

  • 新一代节能的数模转换器和模数转换器
  • 毫米波CMOS收发器进步
  • 小信号集成度提高


混合方法

另一种方法是混合波束成形,其中预编码和组合在基带和RF前端模块(FEM)区域中完成。由于RF链、模数转换器和数模转换器的总数量有所减少,混合波束成形既能实现与数字波束成形相似的性能,同时又可以节省能源并降低复杂度。

混合波束成形的另一个优势是,可以同时满足郊区部署的固定或有限扫描范围(<20°)和高密度城市部署所需的宽方位角(约120°)和仰角(约90°)扫描范围。

归根结底:

全数字方法和混合方法各有利弊。我们认为,目前混合方法更具吸引力和可行性,但是在未来,即将问世的新产品可能会使全数字方法同样具有吸引力。



PA技术选择:SiGe还是GaN

在选择用于FWA前端的技术时,需要考虑系统在EIRP、天线增益和噪声系数(NF)方面的需求。这些都由波束成形增益确定,而波束成形增益则由阵列大小确定。目前,您可以选择使用SiGe前端或GaN前端来满足所需的系统需求。

美国联邦通信委员会(FCC)已经规定了28GHz和39GHz频谱的EIRP最高限值,如下表所示。


为了使用均匀矩形阵列实现75dBm EIRP,每个信道的PA功率输出将随着元件数量的增加(即波束成形增益的增加)而减少。如下图所示,随着阵列大小变得越来越大(超过 512个有源元件),每个元件的输出功率将变得足够小,以便使用SiGe PA,然后将SiGe PA集成至核心波束成形器RFIC中。


从下表可以看出,SiGe PA可以通过1024个有源信道实现65dBm EIRP。但是,如果前端采用GaN技术,则实现相同EIRP所需的信道数将减少到1/16。


GaN FWA前端还具备以下优点:

  • 总功耗更低。为确保比较的准确性,GaN功耗还包括馈入前端所需的128个波束成形器分支的19.2W功耗。如下图所示,在目标EIRP为65dBm时,GaN的总功耗 (127Pdiss)低于SiGe。这对于塔顶系统设计来说较为有利。



  • 可靠性更高:GaN比SiGe更为可靠,在200°C结温条件下的MTTF超过107小时。而SiGe的结温限制大约为130°C。

  • 尺寸更小,复杂度更低:GaN的高功率能力可以减少阵列元件数量和阵列尺寸,从而简化了装配过程,并缩小了整个系统尺寸。

总而言之:在无线基础设施应用中,设备寿命必须至少为10年,因此可靠性至关重要。对于FWA来说,综合考虑可靠性、成本、低功耗和阵列尺寸后,选择GaN比选择SiGe更好。

从现有的RF技术中选择

最后一个考虑因素是选择要在实际应用中采用的产品解决方案。多家RF公司已经有意支持研发6GHz以下和厘米波/毫米波FWA基础设施。例如,Qorvo已经在供应相关产品,用于多个第1层和第2层供应商现场试验。在整个RF行业,FWA产品示例包括:

  • 6GHz以下产品:双通道开关/LNA模块和集成式Doherty PA模块
  • 厘米波/毫米波:集成式发送和接收模块

此外,在5G基础设施领域中,还必须考虑以下几个因素:
  • 集成
  • 满足高温条件下的被动冷却需求

为了响应这些趋势,Qorvo打造了用于厘米波/毫米波的集成发送和接收模块,以及集成式GaN前端模块。这些集成模块包括PA、开关和LNA,并且具有高增益,能够驱动核心波束成形器RFIC。为了满足基础设施的被动式冷却规格要求,我们采用碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)来支持更高的结温条件。

FWA时代即将到来

FWA已经开始实施,很快就能实现完全商业化。目前,我们认为混合波束成形是最佳的解决方法。此外,GaN与SiGe核心波束成形可以满足75dBm的FCC EIRP目标和100MHz的基站目标。这种方法还可以尽可能降低成本、复杂度、尺寸和功耗。


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本文转载自:Qorvo半导体

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