Sub-6 GHz mMIMO Base Stations Meet 5G’s Size and Weight Challenges

Walter Honcharenko，MACOM

基站部署和站点获取的受限需要尺寸更小、重量更轻的适用于5G大规模MIMO（mMIMO）无线电设备和天线。改进的信号处理、高效率的器件以及从分立元件到前端模块（FEM）的集成使得满足这些需求成为可能。

射频和微波行业在实现商用sub-6 GHz的5G无线基础设施方面已经取得了相当大的进展，同时毫米波无线通信也有进展。早期人们对5G的热切关注已经转移到制定5G行业标准，而组件和系统制造商已经在可应用、可扩展的5G基站架构上进行了各种调整，这些架构可以为移动用户、物联网和其他应用提供更快速的数据吞吐和更高的容量。

要实现从4G到5G的演变，以及提高100倍容量以满足我们对数据不断增长的需求，就需要在蜂窝通信射频系统架构和设计方面进行根本性的改变。面临较大的通信需求，如用户、设备、汽车、智能电表、低功率广域设备和其他机器对机器通信等，采用固定扇区天线系统的4G蜂窝系统将面临容量不足的问题。众所周知，在最高级别的通信理论中，要实现无线信道吞吐量的最大化，就需要把信噪比（SNR）或信号与干扰噪声比（SINR）最大化。高密度蜂窝网络通常受到干扰限制，而不是噪声限制，这一限制迫使射频架构演变成管理干扰的系统。这就是mMIMO系统的用武之地。与4G系统相比，mMIMO具有更多收发器和天线单元，使用波束赋形信号处理将射频能量传递给用户，并通过调整方位角和仰角动态控制天线波束，使其远离干扰源，从而减少干扰带来的问题。通过将射频能量传递给用户并使信号远离干扰，SINR、吞吐量和整体系统容量都将得到改善。

mMIMO的挑战

随着5G天线阵列和mMIMO技术的实现，无线网络运营商在从4G LTE向5G基站过渡时将面临部署挑战，这种渐进式演变很可能在长时间内见证这两种技术的发展。4G LTE和5G基站拥有相似的物理布局，很可能组装在现有的共址蜂窝塔和屋顶设施上，按照现在的配置，将干扰和覆盖范围缺口最小化。

随着5G基站在现有站点中激增，可用的安装空间将急剧缩小。在部分地区的4G LTE基站持续部署中，安装空间已经供不应求。事实上，许多手机信号塔已经被超负荷使用，达到了它们承载能力的极限，如今城市环境中越来越混乱的铁塔则反映了这一点。

图1为典型的铁塔装置，包括两层天线、无线电、射频电缆和馈电线，每个扇区的重量约为250kg。风负载、冰负载和力矩臂是影响基站在塔上叠加的关键因素，安装时需要注意基站恢复能力和恶劣天气条件下服务的连续性。

图1：传统的手机信号铁塔设施，由两层无线电前端和天线组成。

要应对这些挑战，必须使用尺寸更小、分布更密集的sub-6 GHz 5G基站设计。同时，基站的重量和体积仍然是系统设计人员需要考虑的关键因素，因为无线运营商在安装和后续维护时需要大量的劳动力和设备成本。在仅根据天线的口径大小计算运营成本的情况下，铁塔运营商已基本转向定价模式，即使用基站重量、口径面积和体积计算费用。初始安装费用还取决于安装的位置、重量和类型：塔式或屋顶式、单人或双人、是否使用起重机等等。最初的4G系统分为无线电前端和天线，其中无线电前端通常位于地面，无源天线被安装在塔上。在其他装置中，无线电和天线都位于塔上，二者成本相当。而5G mMIMO天线将有源电子设备放置在塔上，紧靠在天线后面，使它们位于一个集成单元中。

当然，基站的大小和尺寸始终是射频组件供应商、基站设计者和运营商需要考虑的核心问题。铁塔和屋顶设施的短缺将会加剧这些问题。在实现商业规模的毫米波5G连接的道路上，由于频率和物理学常识要求基站之间的间距为100米，站点获取将变得非常困难。安装在灯柱、路牌、公交车站候车亭或者其他结构上时，毫米波基站设备需要比单独安装时轻很多，这样才不会显得太突兀。

此外，各界对有效全向辐射功率（EIRP）的重视将加剧站点获取的挑战。虽然4G LTE和sub-6 GHz的5G基站在计算波束赋形增益时可能表现出类似的EIRP水平，但越来越高的频率将需要更高的射频功率来补偿穿透建筑物的损耗，并提高EIRP以实现类似程度的室内覆盖。衍射损耗、口径效率和路径损耗均受频率影响（即6至12dB每倍频程）。同时，由于涂层玻璃的趋肤深度和导电性、导电（潮湿）砌体、砖面和其他材料的影响，穿透损耗在较高频率下会急剧增加。

健康和安全方面的要求规定EIRP的辐射限值（1mW每平方厘米）和禁区在4G LTE到5G过渡期间保持在可接受的水平内，因此提高EIRP水平自然会带来一些安装方面的挑战。如果使用理论上的最大功率，这些将与mMIMO波束赋形技术的实现相结合。与传统天线水平指向不同，波束扫描天线阵列可以在向多个方向辐射，甚至向下辐射至人行道。这种与健康和安全有关的问题将为获取5G基站点带来更多限制，加大对尺寸更小、功率更低的基站设计的压力——这些基站在保证安全的同时要能灵活部署。

减小尺寸和重量

在优化sub-6 GHz基站的尺寸和重量时，必须考虑到设计因素，从组件到系统，其中功耗、效率和散热是最重要的。

天线的口径尺寸完全取决于天线单元的数量，而天线单元的数量取决于所需的网络容量和预期的干扰。无论阵列有64、128或者192个单元，其物理尺寸由阵列的物理特性、扫描角度要求、栅瓣性能和波束宽度决定。基站的体积和高度——由底层电子设备和散热决定——完全可以被优化。在这方面，我们看到了很大的提升空间。

与典型的LTE系统相比，5G mMIMO经常被忽略的影响系统尺寸的关键因素是急剧增加的信号处理硬件。mMIMO系统可以将192个天线单元连接到64个发送/接收（TRx）FEM，这些TRx FEM具有16个收发器RFIC和4个数字前端（DFE)，与典型的LTE 4T MIMO中的4个收发器相比，数字信号处理性能可提高16倍（如图2）。例如，当频率从20增加到100MHz时，带宽将增加5倍，并且信号处理的倍数是惊人的。

图2：传统4G LTE远程无线电前端架构(a)与包含192个天线单元和64个TRx FEM的mMIMO无线电前端。

图3中的叠层展示了典型mMIMO集成的天线和无线电的功能。顶层包括天线单元，下一层包含射频和数字电路。虽然TRx FEM、RFIC和DFE层是单独的电路板，但实际上这三个功能将组合成一个或两个密集封装的功能层，从而尽量减少互联。

图3：mMIMO无线电设备叠层概念图。

可能比mMIMO系统中的额外硬件更令人震惊的是，随之而来的对于功耗和散热的影响。以前，功率放大器（PA）功耗是设计基站散热器和电源时最主要的考虑因素。现在，信号处理电子设备的功耗正在逼近板载功率放大器的功耗，在某些情况下，甚至已经超过了板载功率放大器的功耗。

通过优化应用于发送信号的信号和波形调节算法，可以在一定程度上抵消信号处理硬件的显著增加。传统的信号调节算法，例如削峰因子降低和数字预失真（DPD)，主要是针对具有非常高功率的功率放大器的宏基站而开发的。相比于用尺寸更小、功率更低的功率放大器填充mMIMO天线，传统算法需要更复杂、更繁重的处理工作量。无论是对于自定义ASIC/SOC还是FPGA，这些算法很轻易就可以消耗DFE处理器中75%的可用信号处理资源。通过简化5G mMIMO架构的这些算法并将功能重新分配到多个逻辑块中，每一个最小化的组块里的优化算法将可以提高信号处理效率，降低整体功耗。

图4的功能框图解释了mMIMO系统中数字信号处理和收发器的16倍倍数关系。该架构是一个典型的mMIMO设计，但在逻辑分区方面存在一些差异（例如8或16通道DFE），或是使用分立组件代替集成的FEM。根据图4所示，从左到右，64个射频和收发器路径被划分为16个收发器RFIC。这16个收发器RFIC用于驱动4个DFE，而这些DFE将处理来自64个通道的数字数据，并连接到波束赋形处理器和基带接口处理器。具有大约60 GSPS转换速率的直接采样模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的RF SOC的出现，有助于减少传统收发器架构中模数、数模转换所需的步骤，从而缩小5G天线的尺寸和重量。通过放弃使用混频器、转换器和本地振荡器，减少了整体元件数量和成本。

图4：典型的mMIMO无线电设备功能模块图。

FEM的优势

与LDMOS器件相比，硅基GaN提供了良好的宽带性能和卓越的功率密度和效率，能满足严格的热规范，同时为紧密集成的mMIMO天线阵列保留了宝贵的PCB空间。可以节省空间的多功能MMIC和多芯片模块（MCM）正在取代分立式IC和单功能器件，从而为5G基站提供集成RFIC。FEM得益于类似的简化设计方法，采用集成装配的功率放大器、T/R开关、匹配电路、低噪声放大器、数字步进衰减器、控制器和DPD耦合器进行紧凑封装（如图5）。

图5：简化的FEM模块图。

由于漏极效率接近60%，Tx和Rx组件的优化以及DPD反馈路径的集成，在mMIMO无线电和TRx板中使用FEM具有许多优点：

*      可重复使用收发器板布局的部分模块

*      优化设备对散热器的热管理

*      优化功率电平、反馈环路、VSWR和控制电路

*      管理FEM内的隔离和噪声

*      启用动态省电模式

*      与分立设计相比，提高了最终良率，因为集成的FEM已经过全面测试

使用FEM设计方法，为不同数量天线单元、频带或者功率电平重新设计mMIMO无线电是很简单的，因为FEM是“即插即用”模块，具有标准化接口、控制逻辑和射频电平，这些都是设计方法的一部分。

热设计

在所有的mMIMO设计中，天线和电子设备都包含在一个外壳中（如图6），产品工程的主要关注点是热性能管理。信号处理、射频设计、数字设计、电路板布局、电源设计相关的工程设计确实很复杂，但最终机械/热/设计和产品环境需求将决定天线的体积和重量。传统的4G无线电前端与无线电一并安装在散热器内部，散热片围绕着整个封装。采用mMIMO设计后，天线及其天线罩的导热性能非常差，限制了mMIMO无线电装置后端的散热性能。

图6：集成的mMIMO无线电设备。

通过在FEM设计中采用先进的MMIC和MCM封装技术，可以实现额外的冷却功能和节省空间的优势。图7展示了简化的mMIMO设计，不包括电源和光纤接口。封装壳体将散热片延伸至壳体内部，以节省铸造重量并提高热效率。TRx板集成了FEM和RFIC，FEM通过热过孔传导热量，而RFIC的热量将通过盖子传导出去。这使得热量可以在多个方向消散，而不是从FEM和RFIC单向消散。热量可以通过接地过孔和底板从顶盖和封装底部消散，效率更高，并且有效减小散热器封装。此外，FEM可以通过热过孔和盖子引导热量，从而把散热性能最大化。

图7：集成的mMIMO无线电设备横截面图，展示了各层示意图和热传导的路径。

结语

在不久的将来，在sub-6 GHz继而在毫米波频段运行的5G基站数量将大量增加，这无疑会给铁塔和屋顶部署的灵活性和站点获取带来挑战。通过减少信号处理和转换工作量，并利用更高级别的集成方案，从分立元件到FEM，可以显著减小基站的尺寸和重量。

从光学到射频输出，FEM、SOC和完整单模块解决方案的预期路线依据的是技术的自然发展。光学接口的集成，结合直接采样的射频Tx和Rx以及所需的信号调节，将定义真正的SOC。这些不断发展的功能将使5G mMIMO基站无处不在，和谐地融入城市和郊区环境。