探索5G射频技术

深入了解5G NR    现在，您可能对5G已有基本认识，下面让我们再深入一些，了解5G的支持技术。5G的骨干技术如下：

» 频谱技术

» 动态频谱共享技术» 扩展正交频分复用技术（OFDM）， 一种将更多数字数据编码到多个载波频率的方法。 » 多进多出技术（MIMO），其中包括同时利用多个天线的技术，以提高数据速度和减少误差。 » 波束赋形技术，将来自多个天线的射频信号合并成一个指向特定设备或接收器的强信号。 » 小蜂窝技术或网络密致化技术，将多个蜂窝站点密集放置，以提高可用容量。   另外，这些技术还将显著强化现有的4G LTE网络，提高网络灵活性、伸缩性和效率。其中部分技术（如5G频谱）已在前文讲解，其他几项技术我们将在以下各节分别讲解。

#频谱与动态频谱共享#  前文提到，为满足增强型移动宽带（eMBB）的需求（例如：1Gbps或以上的数据率速度，以及采纳用户设备所需的数据率），频谱与动态频谱共享是两项必需的技术。

相对于4G LTE ，5G显著提高了数据率。不过，5G的大部分优势都源于新的5G频带所获得的带宽增强，只有少部分数据吞吐量的提高是因为实施了5G NR技术。如您所见，频谱的增加给下行链路的数据率带来指数级增长，而载波聚合与5G NR技术升级仅贡献19%的增长。

4G LTE与5G NR下载链路数据完善情况比较

#频分复用（OFDM）#  在5G NR开发过程中，第一步是为5G NR设计物理层，其中波形是一个核心技术组成。在审查多个提案后，3GPP选择扩展使用频分复用技术，同时在上行链路和下行链路为5G添加循环前缀频分复用（CP-OPDM）波型。  CP-OFDM技术利用多个平行窄带子载波来传输信息，而不使用单个宽带载波。该技术定义充分，已在4G LTE下行链路和Wi-Fi通信标准成功实施，因此也适合用于5G NR设计。

不过，5G NR上行链路还提供了一种不同的波形格式，这种波形格式类似4G LTE上行链路使用的波形模式离散傅立叶变换扩频正交频分复用（DFT-S-OFDM）波形。DFT-S-OFDM波形是一种4G采用的波形，结合了循环前缀正交频分复用和低峰均比（PAPR）的优点。DFT-S-OFDM波形对上行链路有帮助，对于高功率的2级功率应用或者当用户设备位于基站蜂窝的边缘位置，远离信号塔时，DFT-S-OFDM可能是首选波形。

在灵活性上，5G NR提供的子载波间隔方案还超越了LET提供的固定15kHz子载波间隔。5G NR提供的子载波间隔包括FR2，最大间隔达到240kHz。灵活的载波间隔可用于适当支持5G NR所需的多元化频带、频谱类型及部署模式。  DFT-S-OFDM非常类似于LTE上行链路使用的单频分复用接入（SCFDMA），CP-OFDM非常类似于LTE下行链路使用的正交频分复用接入（OFDMA）。3GPP之所以选择CP-OFDM，原因如下：

» CP-OFDM能够面向复杂程度较低的接收器延展。

» 在一些最重要的5G性能指标上（例如：与多天线技术的兼容性），CP-OFDM排名最高。 » CP-OFDM的时域控制良好，这一点对于低延时关键应用和时分双工（TDD）部署具有重要意义。 » 与其他波形相比，CP-OFDM对于相位噪声和多普勒效应（频率变化与波长变化）的耐受性更强。 » CP-OFDM在MIMO空间复用上的效率更高，这相当于提高了频谱效率。 » 在大规范部署条件下，CP-OFDM非常适合上行链路传输。

#5G MIMO与大规模MIMO#  大规模MIMO技术是MIMO技术的扩展。MIMO技术有效地、重复地利用同一带宽，以便传输更多数据，实现对频谱更加高效的利用。

今天许多LTE MIMO基站都最多由八根天线组成，接收器上有一到二根天线。这使得基站能够同时向8名用户分别发送8条数据流；如果合二为 一，则能够同时向4名用户分别发送2条数据流。

随着4G向大规模MIMO的转移，天线数量出现指数增至多达16根、32根、64根、128根，甚至更多。这些天线的集合被称为“天线阵列系统”（AAS）。这有助于通过波束赋形技术，将能量集中到较小的空间区域（参见下节），以极大改善吞吐量和辐射能量效率。

大规模MIMO有助于：»  防止在非理想方向上传输数据，减轻干涉

» 减少延时，从而提高速度和可靠性

» 减少通知和连接的衰落与掉线

» 同时服务大规模用户群

» 推出二维波束赋形

大规模MIMO不仅能够增加蜂窝容量和蜂窝效率，还能利用锐利天线波束方向图（由多个天线元素组成）平行发送和接收射频信号。在采用大规模MIMO技术的基站，每条数据流都有独特的辐射方向图，因此不会相互干涉。每条数据流的信号强度都按照目标用户设备的方向传送；在其他用户设备的方向，信号强度则被减少，以降低干涉。

#波束赋形#  波束赋形技术对天线阵列中的单根天线的量级和相位进行适当加权，利用多根天线来控制波形的传送方向，为5G带来显著优势。由于波束赋形技术是大规模MIMO系统使用的一项技术，因此有时“波束赋形”与 “大规模MIMO”这两个术语可以互换使用。

波束赋形技术被用于毫米波频谱，基本频率在24GHz以上。该频谱使用的是200至400MHz的宽信道带宽，因此提供了超高的数据传输速度。承运商将使用该技术部署5G固定无线接入服务（FWA），作为“最后一英里”连接解决方案，为家庭和企业提供高速连接。

固定无线接入毫米波有一个缺点：雨、植物或建筑物等，都可能造成毫米波信号衰减。在这些情况下，有时候难以保持用户设备处于视距范围，因此会造成信号延迟、衰减以及到达信号发生变化。不过，波束赋形技术有助于减少这些负面效果。通过利用大规模MIMO和波束赋形技术带来的多条路径，即使在视距受限的情况下，也可以对天线元素与用户设备之间的空间信道进行定性及数字化编码和解码，从而有助于减少信号损失。

大规模MIMO与波束赋形    #网络密致化#  今天，无线基础设施网络包含众多元素，有大蜂窝基站、地铁蜂窝基站，还有室内外分布式天线系统和小蜂窝基站。这些元素在异质网络（HetNet）环境下共同工作，如下图所示。

无线基础设施异质网络与小蜂窝基站集成

所谓“密致化”，是一种通过增强蜂窝站点，提高可用蜂窝容量的技术。这种蜂窝可以是微蜂窝或小蜂窝， 以应对网络容量紧张的区域。另外，这些蜂窝还可以分担周边大基站和微基站的通信流量。

小蜂窝基站是一种将蜂窝基站拆分成更小型群组的迷你基站。另外，还可根据覆盖面积的大小，细分为皮蜂窝基站、微蜂窝基站和飞蜂窝基站，并且这些基站既可以设在室内，也可以设在室外。

 微蜂窝基站与小蜂窝基站之间存在重要区别。微蜂窝基站有一条大型数据管道通向网络。小蜂窝基站则将这条管道拆分成覆盖一定区域的多条小型管道。小蜂窝基站的主要目标是提高大蜂窝基站的边缘数据容量或 者覆盖大蜂窝不能覆盖的区域（覆盖不良） ，最终目标是完善数据、速度和网络效率。下图所示为小蜂窝集成网络。

小蜂窝集成网络

小蜂窝：

» 提高数据容量，尤其是高端购物区或城市中心区等高度稠密的区域。 » 消除了高成本的屋顶系统和设备或租用成本。

» 提高了手机性能。

在讨论密致化与小蜂窝基站时，我们需要考虑物联网设备使用多种无线技术进行连接。小蜂窝基站的实施以及众多设备的互联，将构成大规模、超可靠、低延时机械类通信（MTC）的一个关键方面。  物联网的传输类型大致分为以下四种：» 有线传输

» 中短距离无线传输（从蓝牙到网状网络Wi-Fi、ZigBee）

» 长距离无线传输（4G LTE和5G蜂窝），低功率广域网（LPWAN）

» 卫星传输

5G将可实现大规模物联网， 大规模物联网能够支持数百亿个设备、物品和机器，并且这些设备都需要连接无处不在。这些设备可以是移动设备、漫游设备，还可以是固定设备。    #5G NR频谱载波聚合# “载波聚合”是一种将两个以上载波合并成一条数据信道， 以增加数据容量的技术。通过利用现有网络频谱，载波聚合技术让运营商能够提供更高的上行链路和下行链路数据率，因此能够提高网络性能和确保高质量用户体验。载波聚合为4G提高用户数据吞吐量做出重要贡献，并且还将在5G起到同样重要的作用。为了增加容量，全球运营商都在积极地添加载波聚合频带和功能（例如：MIMO）。

相关命名惯例因为5G频带而发生改变。5G命名重新加入字母“n”（即n77或n78），用以指代“New Radio”（即新空口）；而4G命名则使用字母“B”指代“频带”。5G NR使用的LTE频带仍将使用相同的频带编号，只是增加了n标识符。  

  5G载波聚合将提供带有非对称上下载功能的多重连接能力，并且在毫米波频率提供高达700MHz的信道带宽。在7GHz以下频带，可以利用4条100MHz信道，实现400MHz瞬时带宽。   在频分双工（FDD）或时分双工（TDD）条件下，每条分量载波能够获得1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz或20MHz带宽。因此，如果有5条20MHz分量载波，那么利用载波聚合，最高可以实现100MHz带宽。在时分双工条件下，分量载波的带宽和数量必须在上下行链路保持相同。4G LTE-Advanced Pro能够提供最高100MHz带宽，支持32条分量载波，因此最高带宽可以达到640MHz。于是在5G NR条件下，还有另外一个载波聚合方案，该方案被称为“双重连接”，能够聚合4G LTE和5G NR频带。探索射频前端技术的不同   

5G愿景的真正实现，还需要更多创新。网络基站和用户设备（例如：手机） 变得越来越纤薄和小巧，能耗也变得越来越低。为了适合小尺寸设备，许多射频应用所使用的印刷电路板（PCB）也在不断减小尺寸。因此，射频应用供应商必须开发新的封装技术，尽量减小射频组件的占位面积。再进一步，部分供应商开始开发系统级封装办法（SiP），以减少射频组件的数量，尽管这种办法将会增加封装成本。

系统级封装办法正在被用于射频前端，而射频前端包含基站与天线中间的所有组件。

一个典型的射频前端由开关、滤波器、放大器及调谐组件组成。这些技术设备的尺寸不断减小，并且相互集成度不断加大。结果，在手机、小蜂窝、天线阵列系统、Wi-Fi等5G应用中，射频前端正在变成一个复杂的、高度集成的系统封包。

不管怎样，5G愿景的实现都需要射频技术和封装技术的颠覆性创新。

#氮化镓技术#

氮化镓（GaN）是一种二进制III/V族带隙半导体，非常适合用于高功率、耐高温晶体管。氮化镓功率放大器技术的5G通信潜力才刚刚显现。氮化镓具有高射频功率、低直流功耗、小尺寸及高可靠性等优势，让设备制造商能够减小基站体积。反过来，这又有助于减少5G基站信号塔上安装的天线阵列系统的重量，因此可以降低安装成本。另外，氮化镓还能在各种毫米波频率上，轻松支持高吞吐量和宽带宽。

氮化镓技术最适合实现高有效等向辐射基站功率（EIRP），如下图所示。美国联邦通信委员会定义了非常高的EIRP限值，规定对于28GHz和39GHz频带，每100MHz带宽需要达到75dBm功率。因此带来了哪些挑战？相关设备的搭建既要满足这些目标，又要将成本、尺寸、重量和功率等保持在移动网络运营商的预算范围内。氮化镓技术是关键；相比于其他技术，氮化镓技术在达到以上高EIRP值时，使用的元件更少， 并且输出功率更高。

半导体技术与EIRP需求的适应性比较

对于高功率基站应用，相比于锗硅（SiGe）或硅（Si）等其他功率放大器技术，在相同EIRP目标值下，氮化镓技术的总功率耗散更低，如下图所示。氮化镓减少了整体系统的重量和复杂性，同时还仍保持较低功耗，因此更适合塔上安装系统的设计。

氮化镓减少了基站设计的复杂性，降低了成本

氮化镓技术的部分重要属性：  

可靠性与结实性：氮化镓的功率效率更高，因此降低了热量输出。氮化镓的带隙宽，能够耐受更高的工作温度，因此可以减少紧凑区域的冷却需求。由于氮化镓能够在塔上应用（例如：天线阵列系统）的高温条件下工作，因此可以不需要冷却风扇，以及/或者可以减少散热器的体积。历史上，冷却风扇由于其机械性质，一直是造成外场故障的首要原因。大型散热器不仅硬件本身构成重大成本，并且由于重量原因，还可能带来额外的人力成本。使用氮化镓可以让人们不再使用这些高成本的散热办法。

低电流消耗：氮化镓降低了工作成本，产生的热量也更少。另外，低电流还有助于减少系统功耗和降低电源需求。再者，由于功耗降低，服务提供商也减少了运营支出。

功率能力：相比于其他半导体技术，氮化镓设备提供更高的输出功率。市场的发展趋势以及对于基站高功率输出的需求，更加有利于氮化镓技术的发展。

频率带宽：氮化镓拥有高阻抗和低栅极电容，能够实现更大的工作带宽和更高的数据传输速度。另外，氮化镓技术还在3GHz以上拥有良好的射频性能，其他技术（例如：硅）在这个频率范围的性能却不佳。今天氮化镓模块和功率放大器提供的宽带性能，能够支持5G前所未有的带宽需求。  

集成：5G需要体积更小的解决方案，这促使供应商将大规模、包含多个技术的离散式射频前端，替换成单体式全面集成解决方案。氮化镓制造商开始抓住这个潮流，开发那些能够将收发链条整合到单一封装的全面集成解决方案。这进一步减少了系统的体积、重量和上市时间。

#体声波滤波器技术#   

由于新增频带和载波聚合，再加上蜂窝通信必须与许多其他无线标准共存的事实，干涉问题比以往更加严重。要减少频带与标准之间的干涉，滤波器技术是关键。

表面声波滤波器和体声波滤波器具有占位面积小、性能优异、经济适用等优势，在移动设备滤波器市场上居于主导地位。

体声波滤波器最适合1GHz至6GHz的频段，表面声波滤波器最适合1GHz以下的频段。因此，体声波的5G “甜蜜点”是低于7GHz的频段。

体声波和表面声波能够减少LTE、Wi-Fi、自动通信以及新的7GHz以下5G频率的干涉，同时又能满足制造商严格的体积和性能标准。

对于智能手机设计者， 5G的推出对于电池寿命和主板空间又是一个挑战。随着每代产品推陈出新，集成的压力和缩小体积的压力不断增加。在较高频率下工作，意味着功率放大器效率降低，同时天线和线路的损耗增加。另外，5G手机还需要增加射频开关，因此带来更多链路预算损失。（所谓“链路预算”，是指在电信系统中，从发送器经由电缆、走线等直至接收器，在这一过程中产生的所有增益与损失的总和。）

不出意外，从4G到5G，手机里安装的滤波器数量急剧增加，如下图所示。载波聚合是滤波器数量增加的主要促成因素。随着全球载波聚合以及手机中标准和频带的数量越来越多，滤波器技术方兴未艾。另外，在载波聚合以及手机性能优化需求的驱使下，滤波器的复杂性也在增加。

智能手机与集成滤波器技术

体声波技术的一项优势就是散热，如下图所示。如前所述，放大器功率的增加导致热量的增加。如果为补偿系统功率损耗或信号范围问题而增加放大器的功率，则发送滤波器产生的热量也将增加。该热量对滤波器的性能和工作寿命都有不利影响，并且会在衰减区域和传输频带造成频率偏移。体声波技术有助于减轻这一问题，因为SMR体声波滤波器（BAW-SMR）产生垂直热通量，有助于将热量导离设备。在高频率下，反射器层变得更薄，这更加有助于体声波谐振器的散热。

SMR BAW滤波器功率处置方式

#射频技术、封装及设计#    射频前端由多个半导体技术设备组成。众多的5G应用需要五花八门的处理技术、设计技巧、集成办法和封装办法，以满足各个独特用例的需求。  对于5G的7GHz以下频段，相应的射频前端解决方案需要创新封装办法，例如，提高组件排列的紧凑度；缩短组件之间的导线长度，以尽量减少损耗；采用双面安装；划区屏蔽； 以及使用更高质量的表面安装技术组件等。   所有5G用例都需要射频前端技术。根据射频功能、频带、功率等级等性能要求，射频半导体技术的选择不尽相同。如下图所示，每个射频功能和应用分别对应多个半导体技术。  

  5G射频通信技术   这些应用需要五花八门的处理技术、设计技巧、集成办法和封装办法，以满足各个独特用例的特定需求。