5G通信的未來如何？擁有30年電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的博士這樣說

ADI公司無線技術(shù)總監(jiān)Thomas Cameron博士曾經(jīng)談到第五代通信技術(shù)的ADI解決方案和開發(fā)情況，以及其未來。 Cameron博士擁有超過30年的電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，包括蜂窩基站、微波無線電以及電纜系統(tǒng)，在接下來的內(nèi)容中我們分享了他的專業(yè)見解。

談?wù)?u>5G通信及其未來

5G進(jìn)展順利，許多現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)已完成，還有許多其他工作正在全球穩(wěn)步進(jìn)行。GSA最近發(fā)布的5G試驗(yàn)快照?qǐng)?bào)告顯示，迄今全球已確定了326個(gè)以上的單獨(dú)5G試驗(yàn)和示范，約有62個(gè)國家和地區(qū)的134家移動(dòng)運(yùn)營商宣布了5G試驗(yàn)。雖然其中許多試驗(yàn)都側(cè)重于展示更高吞吐量，但5G頗具靈活性，其提供的新特性將實(shí)現(xiàn)新用例。5G為無線標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)，帶領(lǐng)我們走進(jìn)2030年和未來。

展望未來，隨著視頻共享在社會(huì)中越來越普遍，移動(dòng)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和消耗絲毫沒有減緩。但是，隨著我們進(jìn)入即將到來的機(jī)器時(shí)代，在未來，連接也意味著與我們身邊的世界相連。我們正邁入數(shù)字轉(zhuǎn)型時(shí)代，屆時(shí)，我們每天的生活方式、工作方式以及移動(dòng)方式都將發(fā)生翻天覆地的變化。雖然當(dāng)前智能手機(jī)充當(dāng)人與信息之間的接口，但未來的設(shè)備將積極地相互通信，不受人類互動(dòng)的影響，通過密集的互連傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控我們周圍的環(huán)境。以高可靠性和低延遲連接每個(gè)人、連接萬物的強(qiáng)大移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，是即將到來的數(shù)字轉(zhuǎn)型的核心。

雖然作為工程師，我們更關(guān)注帶寬、延遲等新興規(guī)范，但5G的基礎(chǔ)之一是靈活性。如果我們觀察這些規(guī)范是如何形成的，就可以看到人們正在定義波形，希望通過規(guī)定還未預(yù)想到的用例來實(shí)現(xiàn)目前設(shè)想的一系列用例。

從較高層面來看，實(shí)現(xiàn)三大用例的目標(biāo)推動(dòng)著5G的發(fā)展

增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）

大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）

高可靠低延遲通信（uRLLC）

目前，行業(yè)5G焦點(diǎn)的相當(dāng)一部分是增強(qiáng)移動(dòng)寬帶，利用中頻和高頻頻譜中的波束成型技術(shù)向高網(wǎng)絡(luò)容量和更高吞吐量發(fā)展。我們也開始看到利用5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)低延遲特性的用例興起，例如工業(yè)自動(dòng)化。

無線電技術(shù)在哪些方面對(duì)5G貢獻(xiàn)最大？

增強(qiáng)移動(dòng)寬帶推動(dòng)了對(duì)更高數(shù)據(jù)吞吐量和更高網(wǎng)絡(luò)容量的需求。蜂窩基站容量可通過三大措施予以提高：獲得新頻譜，提高基站密度，以及改善頻譜效率。雖然我們不斷看到全球?yàn)橐苿?dòng)應(yīng)用提供新的頻譜，并且網(wǎng)絡(luò)密度通過增加小型蜂窩而提高，但仍然非常需要改進(jìn)可用頻譜的利用率。

近年來興起的大規(guī)模MIMO技術(shù)可顯著改善頻譜效率。大規(guī)模MIMO涉及到使用大量有源天線元件，這些天線可以通過相干方式進(jìn)行調(diào)整，以精確地將信號(hào)傳遞給空間中的目標(biāo)用戶，同時(shí)控制對(duì)其他用戶的干擾。大量天線與信號(hào)處理算法相結(jié)合，使系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上將頻率復(fù)用擴(kuò)展到微觀尺度。這給頻率復(fù)用引入了一個(gè)新因素，現(xiàn)在可以使用空間讓基站能同時(shí)并在同一頻譜中向多個(gè)用戶傳送獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。這導(dǎo)致頻譜效率大幅提高，進(jìn)而大大改善蜂窩的吞吐量。圖1顯示了這樣一個(gè)系統(tǒng)。天線在物理上顯示為面板，其上安裝有許多輻射器（天線振子）。每個(gè)輻射器后面是無線電信號(hào)鏈。

大規(guī)模MIMO現(xiàn)狀如何？

大規(guī)模MIMO已被證實(shí)能夠使移動(dòng)數(shù)據(jù)吞吐量提高3至5倍，并且還將繼續(xù)提高。全球許多移動(dòng)運(yùn)營商已完成大規(guī)模MIMO試驗(yàn)，預(yù)計(jì)在2019年至2020年，早期采用者就會(huì)開始商業(yè)部署該技術(shù)，以支持網(wǎng)絡(luò)中最擁堵地區(qū)的通信。展望未來，隨著大規(guī)模MIMO技術(shù)的演進(jìn)和3GPP無線標(biāo)準(zhǔn)中新特性的增加，我們預(yù)計(jì)這種無線電規(guī)格會(huì)在全球移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中普及。

這項(xiàng)技術(shù)給工程界帶來哪些挑戰(zhàn)？

在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，我們給系統(tǒng)添加了更多無線電通道，使其從普通8T8R（8個(gè)發(fā)射器、8個(gè)接收器）TDD（時(shí)分復(fù)用）無線電頭端擴(kuò)展為64T64R系統(tǒng)。雖然大規(guī)模MIMO系統(tǒng)能大幅改善基站容量，但其代價(jià)是無線電頭端的復(fù)雜性提高。傳統(tǒng)無線電部署采用無源天線罩，由遠(yuǎn)程無線電頭端通過電纜饋送信號(hào)。

大規(guī)模MIMO物理結(jié)構(gòu)基于有源天線架構(gòu)，現(xiàn)在有源無線電信號(hào)鏈嵌入天線組件中。這些無線電系統(tǒng)通常是塔式或桿式安裝，因此有源天線系統(tǒng)的容許尺寸和重量存在限制。天線尺寸由天線元件間距決定，而直流功耗也是影響系統(tǒng)重量的關(guān)鍵因素。為在尺寸、重量和功耗限制范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所需的無線電性能，無線電設(shè)計(jì)人員面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)。

ADI產(chǎn)品如何支持5G？

有多種方法可以減小無線電系統(tǒng)的尺寸、重量和功耗，最常見的方法是利用電路集成和摩爾定律來縮小尺寸并提高功效比。ADI公司提倡通過系統(tǒng)級(jí)方法解決這些重大問題。當(dāng)然，集成是最直接的無線電收縮辦法，但集成本身也許無法產(chǎn)生預(yù)期的好處。然而，如果我們分割系統(tǒng)并優(yōu)化集成架構(gòu)，便能產(chǎn)生令人印象更深刻的結(jié)果。例如，如果我們基于可減少和/或消除大濾波器及其他無源要素的無線電架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，便能得到一個(gè)綜合性能出色的解決方案。再比如，由于采用了零中頻無線電架構(gòu)，整體系統(tǒng)復(fù)雜性和功耗降至最低，故能實(shí)現(xiàn)很高的無線電功能集成度。

圖2. 業(yè)界最寬帶寬RF收發(fā)器加快2G到5G基站和相控陣?yán)走_(dá)的開發(fā)

ADI公司的集成CMOS無線電收發(fā)器產(chǎn)品系列基于零中頻架構(gòu)，能夠帶來高集成度，顯著改善整體無線電系統(tǒng)的大小、重量和功耗。除了CMOS無線電收發(fā)器之外，ADI公司還提供用于無線電前端信號(hào)鏈的各種高性能RF器件系列、精密監(jiān)測(cè)和控制功能、高效電源管理電路。

ADI的收發(fā)器產(chǎn)品系列頗受好評(píng)， AD9375 和最近發(fā)布的 ADRV9009就是其中幾個(gè)例子。2017年，我們發(fā)布了AD9375，它是首款片內(nèi)集成數(shù)字預(yù)失真（DPD）算法的RF收發(fā)器，專門用于優(yōu)化小型蜂窩無線電和有源天線系統(tǒng)的發(fā)射功效比?！坝捎贒PD系統(tǒng)從FPGA劃分到收發(fā)器，故JESD204B串行數(shù)據(jù)接口通道數(shù)減半，使得功耗大幅降低，尤其是在每個(gè)基站的天線數(shù)增加的情況下。

最近，ADI公司推出業(yè)界最寬帶寬RF收發(fā)器ADRV9009，以擴(kuò)展其屢獲殊榮的 RadioVerse? 技術(shù)和設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)。該收發(fā)器為設(shè)計(jì)人員提供單一無線電平臺(tái)來加速5G部署，支持2G/3G/4G覆蓋范圍，并簡化相控陣?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)。ADRV9009 RF收發(fā)器提供兩倍于前代器件的帶寬（200 MHz），可取代多達(dá)20個(gè)器件，功耗降低一半，封裝尺寸減小60%。ADRV9009內(nèi)置LO（本振），支持多芯片相位同步，可實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字波束合成成型，同時(shí)減小尺寸、重量和功耗。

詳解ADI RadioVerse無線技術(shù)

RadioVerse技術(shù)體現(xiàn)了我們?nèi)绾卫孟到y(tǒng)級(jí)方法為客戶帶來價(jià)值。通過我們?nèi)娴谋忍氐教炀€產(chǎn)品系列，再加上系統(tǒng)級(jí)專業(yè)技術(shù)，我們不僅是供應(yīng)商，更是客戶的合作伙伴，幫助他們解決最棘手的問題。例如，通過設(shè)置和利用我們網(wǎng)站上的RadioVerse生態(tài)系統(tǒng)，客戶能夠快速從概念進(jìn)入原型制作，再到生產(chǎn)。

無論客戶使用我們高度集成的收發(fā)器產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，還是使用前沿?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和RF產(chǎn)品系列進(jìn)行設(shè)計(jì)，RadioVerse技術(shù)均可提供豐富的技術(shù)信息、參考設(shè)計(jì)、軟件和工具，協(xié)助客戶完成設(shè)計(jì)流程。通過EngineerZone?——一個(gè)包括支持論壇、博客及其他內(nèi)容的活躍支持社區(qū)，設(shè)計(jì)人員可以與我們的技術(shù)專家互動(dòng)，快速獲得設(shè)計(jì)問題的答案。

AD9375小型蜂窩參考設(shè)計(jì)是RadioVerse生態(tài)系統(tǒng)中的又一個(gè)很好的例子。圖3中的參考設(shè)計(jì)包括小型蜂窩無線電所需的所有元件，從SERDES接口到天線。該設(shè)計(jì)適用于2T2R 250 mW輸出功率/每根天線的室內(nèi)小型蜂窩。所有無線電元件均為板載元件，包括帶DPD的AD9375、高效率PA、LNA、濾波器和電源解決方案。功耗小于10 W且尺寸小巧，手持非常方便舒適。只需一個(gè)12 V電源即可為電路板供電，它配有一個(gè)評(píng)估套件，可直接連接到基帶子系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)人員能夠快速開發(fā)系統(tǒng)原型。

圖3：參考設(shè)計(jì)

5G的商業(yè)現(xiàn)實(shí)及其采用和發(fā)展

2017年年底，3GPP發(fā)布了首個(gè)5G NR規(guī)范（第15版）。雖然該非獨(dú)立規(guī)范是實(shí)現(xiàn)5G的第一步，但這能使SoC供應(yīng)商可以有調(diào)制解調(diào)器向前邁進(jìn)，支持2019年推出5G手機(jī)。最近，3GPP宣布完成了又一個(gè)里程碑——5G NR獨(dú)立規(guī)范制定完畢，這將支持5G NR網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立部署。雖然頻譜選擇因地區(qū)而異，但預(yù)計(jì)到2020年，5G商業(yè)部署將會(huì)啟動(dòng)，屆時(shí)消費(fèi)者有望體驗(yàn)5G技術(shù)的先期優(yōu)勢(shì)。我們預(yù)計(jì)，隨著技術(shù)逐漸成熟，在許多地區(qū)，5G大規(guī)模MIMO將利用中頻段，接著是毫米波部署。在任何部署情況下，無論低頻段、中頻段還是毫米波，ADI公司都能為我們的客戶提供強(qiáng)大且不斷發(fā)展的技術(shù)組合，使其能夠在5G中超越一切可能。

最近，ADI公司推出業(yè)界最寬帶寬RF收發(fā)器ADRV9009，以擴(kuò)展其屢獲殊榮的 RadioVerse? 技術(shù)和設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)。該收發(fā)器為設(shè)計(jì)人員提供單一無線電平臺(tái)來加速5G部署，支持2G/3G/4G覆蓋范圍，并簡化相控陣?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)。ADRV9009 RF收發(fā)器提供兩倍于前代器件的帶寬（200 MHz），可取代多達(dá)20個(gè)器件，功耗降低一半，封裝尺寸減小60%。ADRV9009內(nèi)置LO（本振），支持多芯片相位同步，可實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字波束合成成型，同時(shí)減小尺寸、重量和功耗。