什么支撐了5G基站的飛躍式發展？

電子工程世界EEWorld

2021年6月24日 13:18

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4G改變生活，5G改變社會，只是這個改變并沒那么容易。

2020年是ITU所定義的全球5G商用元年，而中國則還要早一年。據中國信息通信研究院，2021年1～4月國內5G手機出貨量為9126.7萬部，占市場總體的72.7%，同比增長38.4%。這在一定程度上反映了5G通信在個人用戶層面的推進速度。

但5G不止于手機，在萬物互聯時代，必須提前搭建好一條條高速路，5G因此無可爭議地成為新基建之首。相比4G，5G在初始階段就明確規劃了三大應用場景：增強移動寬帶，其峰值速率將是4G網絡的10倍以上；海量機器通信，將實現從消費到生產的全環節、從人到物的全場景覆蓋；超高可靠低時延通信，通信響應速度將降至毫秒級。

由此衍生出的針對各個垂直行業應用的美好暢想就像一部科幻小說，而支撐這部小說實現的前提則是一座座看上去并不那么浪漫的高聳的基站。

5G基站建設新變化

一切美好前程，道路總會曲折波瀾。在行業內，5G基站的短板被調侃為“覆蓋、成本、功耗三個3”，即3倍成本、3倍功耗、1/3覆蓋。對此，德州儀器（TI）杰出技術專家Wenjing分析，部分原因是由于5G MM高頻高性能，采用Massive MIMO技術, 需要32通道、64通道等多通道架構，硬件通道數的上升直接導致成本、功耗、體積指標呈指數級上升。運營商迫切需要大幅降低建站成本和運營成本，因此對芯片的集成度、功耗及成本提出了更高的要求。

什么支撐了5G基站的飛躍式發展？的圖1

德州儀器杰出技術專家Wenjing

TI是最早參與中國5G建設的半導體廠商之一，據德州儀器中國大客戶區域銷售經理Vic介紹，放眼全球，中國的5G建設走在前列，截至2020年，中國已布局了70多萬個5G基站，完成了一些重點城市的大容量覆蓋。2021年計劃建設84萬個，完成更廣域的布局，重點轉向700MHz 4T4R 組網。通過更先進的工藝節點、更創新的設計架構、更大規模的集成度，TI一直力求實現高集成、低功耗、低成本的目標。事實上，TI每一代產品都會通過工藝演進/設計架構的創新，實現同等規模下，功耗30%左右的改善。

德州儀器中國大客戶區域銷售經理Vic

不斷精進的架構

RRU單元作為無線通信的最后一環、最關鍵設備，猶如空中的一座橋，保證了信息的精準、實時送達。雖然射頻前端只是5G基站中的管道，真正的大腦是ASIC/FPGA等處理器，但如果沒有健康的管道為大腦輸送養分和數據，人體就無法執行正常的活動。RRU的射頻信號處理與調制就如人體內的血管和神經一樣復雜，射頻前端是RRU中極具挑戰、又至關重要的領域。

在傳統超外差系統中，接收器在RF頻率上接收到信號后，會將信號下變頻為較低的中頻（IF），在此將其數字化、濾波然后解調，RF前端要進行復雜的信號鏈處理。而隨著ADC、DAC轉換器技術的進步，可以將模擬變頻轉化為數字直接變頻，從而省略中頻環節，使得射頻直采收發信機的整體硬件設計簡單許多，因此外形尺寸更小、設計成本更低。“將傳統離散式超外差系統中的分離ADC、DAC、調制器、解調器、Serdes、時鐘、DVGA等各個功能模塊，集成到一顆芯片中，為5G Massive MIMO多通道架構實現提供了物理的可能性。” Wenjing認為這個創新對于未來可能會達到上百通道數的Massive MIMO來說至為關鍵。

高集成度給用戶帶來的改變是巨大的，隨著通道數不斷增加，吞吐量增加，但RRU整體模塊尺寸卻僅有小幅增加。

以TI的AFE7920為例，是4T4R2F（4發4收2反饋路徑）射頻直采架構雙頻段收發器，發射鏈路主要由最高采樣速率為12GSPS 的RFDAC組成，支持第一/第二Nyquist 模式，接收和反饋鏈路主要由最高采樣速率3GSPS的 RFADC組成；收發鏈路支持獨立DSA增益控制，8對29.5 GSPS Serdes與主機互聯，集成低頻輸入的在板高頻時鐘。該產品相對于上一代產品，功耗降低了30%。

美好的數字射頻直采

TI在模擬/數字混合射頻信號領域具有多年積累，AFE7920正是基于TI的豐富經驗所開發出的數字射頻直采芯片，相較于純模擬集成具有諸多優勢。

首先，通常運營商在sub 6GHz頻段有最高400MHz的瞬時帶寬要求，在毫米波頻段有至少400MHz/800MHz的瞬時帶寬要求。TI的收發器可支持到最寬800MHz帶寬，滿足全部Sub 6GHz及部分毫米波的應用需求。

其次，全場景支持使平臺歸一化成為可能。5G基站的形態相對于4G更加豐富，包括宏站、小站、Massive MIMO等。同一顆芯片可以支持不同的基站形態，從而使客戶降低開發成本，更快地在市場上推出產品。

同時還支持混模模式。一個4T4R的單模芯片劈裂為兩個獨立的2T2R承載不同的頻段，實現單芯片混模場景。例如2T2R TDD+2T2R FDD等。更進一步，射頻直采架構的超高采樣率使得雙頻段的數字拉遠成為可能，從而實現通道級的雙頻段發射和接收，例如宏站場景下的1.8GHz+2.1GHz 雙頻段應用（從ASIC/FPGA，分別接收1.8GHz和2.1GHz的基帶信號，在芯片內部實現數字合路，最后通過同一發射通道進行雙頻段的發射，接收即為其的反向操作），兩個頻段的射頻拉遠距離可以達到3GHz，滿足客戶不同方面的需求。

此外，數字射頻直采技術無需鏡像和本振校準，簡化了整個系統的開發，同時提供芯片自檢報警機制，及天線校準、綠色節能等系統功能的靈活設定。

Wenjing強調，對于Massive MIMO和波束成形等技術而言，雖然重要的都是算法，射頻直采技術只是為算法提供硬件實現。但如果沒有高集成及通道間高度協同的芯片，Massive MIMO等新一代天線技術只會是紙上談兵。

5G看中國，射頻直采收發信機看TI

據悉，2017年中國第一代4G的MIMO基站就采用了TI的4T4R射頻直采芯片，而中國第一代5G基站也采用了TI的射頻信號鏈解決方案。值得一提的是，這一系列產品需求，很多都是來自中國客戶，Wenjing參與并主導了產品定義。這也是TI與其競爭對手的不同之處，即5G產品定義的重心放在中國，更貼近中國客戶的需求，這也是TI深耕中國35年的體現之一。

TI在中國 5G 基站建設中發揮了極其重要的作用，跨越2G/3G/4G/5G網絡，囊括宏站、Massive MIMO、小站等多種站型。而且TI還在不斷改進產品，支持更多的通道，更大的帶寬和更低的功耗，以滿足客戶不斷更新的需求。TI 最新發布的AFE8092 8T8R射頻直采多頻段收發信機在AFE7920的基礎上進一步的通過架構革新，在集成度提高的同時，再次實現了同等場景下功耗的30%下降。相比于4T4R的產品，可以更好地滿足Massive MIMO所需。

為了應對復雜的5G通信架構，有源天線系統的演進速度遠超以往。包括需要減小信號鏈大小，降低復雜性，同時提供寬帶寬和多個頻率；可在高環境溫度下工作的高密度電源管理；以及通過基于分組的前傳接口實現網絡同步。TI除了高集成的模擬前端之外，還提供包括電源、時鐘、MCU、放大器、接口等，從而實現全系統解決方案。

不久前，工業和信息化部網站上公布了《5G應用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）》并正式征求意見，目標到2023年，我國5G應用發展水平顯著提升，綜合實力持續增強；5G個人用戶普及率超過40%，用戶數超過5.6億；5G網絡接入流量占比超50%，5G網絡使用效率明顯提高；5G物聯網終端用戶數年均增長率超200%。