深度文章 | 什么支撐了5G基站的飛躍式發(fā)展？

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4G改變生活，5G改變社會(huì)，只是這個(gè)改變并沒(méi)那么容易。

2020年是ITU所定義的全球5G商用元年，而中國(guó)則還要早一年。據(jù)中國(guó)信息通信研究院，2021年1～4月國(guó)內(nèi)5G手機(jī)出貨量為9126.7萬(wàn)部，占市場(chǎng)總體的72.7%，同比增長(zhǎng)38.4%。這在一定程度上反映了5G通信在個(gè)人用戶層面的推進(jìn)速度。

但5G不止于手機(jī)，在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，必須提前搭建好一條條高速路，5G因此無(wú)可爭(zhēng)議地成為新基建之首。相比4G，5G在初始階段就明確規(guī)劃了三大應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶，其峰值速率將是4G網(wǎng)絡(luò)的10倍以上；海量機(jī)器通信，將實(shí)現(xiàn)從消費(fèi)到生產(chǎn)的全環(huán)節(jié)、從人到物的全場(chǎng)景覆蓋；超高可靠低時(shí)延通信，通信響應(yīng)速度將降至毫秒級(jí)。

由此衍生出的針對(duì)各個(gè)垂直行業(yè)應(yīng)用的美好暢想就像一部科幻小說(shuō)，而支撐這部小說(shuō)實(shí)現(xiàn)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(shè)新變化

一切美好前程，道路總會(huì)曲折波瀾。在行業(yè)內(nèi)，5G基站的短板被調(diào)侃為“覆蓋、成本、功耗三個(gè)3”，即3倍成本、3倍功耗、1/3覆蓋。對(duì)此，德州儀器（TI）杰出技術(shù)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(shù)，需要32通道、64通道等多通道架構(gòu)，硬件通道數(shù)的上升直接導(dǎo)致成本、功耗、體積指標(biāo)呈指數(shù)級(jí)上升。運(yùn)營(yíng)商迫切需要大幅降低建站成本和運(yùn)營(yíng)成本，因此對(duì)芯片的集成度、功耗及成本提出了更高的要求。

德州儀器杰出技術(shù)專家 Wenjing

TI是最早參與中國(guó)5G建設(shè)的半導(dǎo)體廠商之一，據(jù)德州儀器中國(guó)大客戶區(qū)域銷(xiāo)售經(jīng)理Vic介紹，放眼全球，中國(guó)的5G建設(shè)走在前列，截至2020年，中國(guó)已布局了70多萬(wàn)個(gè)5G基站，完成了一些重點(diǎn)城市的大容量覆蓋。2021年計(jì)劃建設(shè)84萬(wàn)個(gè)，完成更廣域的布局，重點(diǎn)轉(zhuǎn)向700MHz 4T4R 組網(wǎng)。通過(guò)更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)、更創(chuàng)新的設(shè)計(jì)架構(gòu)、更大規(guī)模的集成度，TI一直力求實(shí)現(xiàn)高集成、低功耗、低成本的目標(biāo)。事實(shí)上，TI每一代產(chǎn)品都會(huì)通過(guò)工藝演進(jìn)/設(shè)計(jì)架構(gòu)的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)同等規(guī)模下，功耗30%左右的改善。

德州儀器中國(guó)大客戶區(qū)域銷(xiāo)售經(jīng)理 Vic

不斷精進(jìn)的架構(gòu)

RRU單元作為無(wú)線通信的最后一環(huán)、最關(guān)鍵設(shè)備，猶如空中的一座橋，保證了信息的精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)送達(dá)。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(méi)有健康的管道為大腦輸送養(yǎng)分和數(shù)據(jù)，人體就無(wú)法執(zhí)行正常的活動(dòng)。RRU的射頻信號(hào)處理與調(diào)制就如人體內(nèi)的血管和神經(jīng)一樣復(fù)雜，射頻前端是RRU中極具挑戰(zhàn)、又至關(guān)重要的領(lǐng)域。?

在傳統(tǒng)超外差系統(tǒng)中，接收器在RF頻率上接收到信號(hào)后，會(huì)將信號(hào)下變頻為較低的中頻（IF），在此將其數(shù)字化、濾波然后解調(diào)，RF前端要進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)鏈處理。而隨著ADC、DAC轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進(jìn)步，可以將模擬變頻轉(zhuǎn)化為數(shù)字直接變頻，從而省略中頻環(huán)節(jié)，使得射頻直采收發(fā)信機(jī)的整體硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單許多，因此外形尺寸更小、設(shè)計(jì)成本更低。“將傳統(tǒng)離散式超外差系統(tǒng)中的分離ADC、DAC、調(diào)制器、解調(diào)器、Serdes、時(shí)鐘、DVGA等各個(gè)功能模塊，集成到一顆芯片中，為5G Massive MIMO多通道架構(gòu)實(shí)現(xiàn)提供了物理的可能性?！?Wenjing認(rèn)為這個(gè)創(chuàng)新對(duì)于未來(lái)可能會(huì)達(dá)到上百通道數(shù)的Massive MIMO來(lái)說(shuō)至為關(guān)鍵。

高集成度給用戶帶來(lái)的改變是巨大的，隨著通道數(shù)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(fā)4收2反饋路徑）射頻直采架構(gòu)雙頻段收發(fā)器，發(fā)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(fā)鏈路支持獨(dú)立DSA增益控制，8對(duì)29.5 GSPS Serdes與主機(jī)互聯(lián)，集成低頻輸入的在板高頻時(shí)鐘。該產(chǎn)品相對(duì)于上一代產(chǎn)品，功耗降低了30%。

美好的數(shù)字射頻直采

TI在模擬/數(shù)字混合射頻信號(hào)領(lǐng)域具有多年積累，AFE7920正是基于TI的豐富經(jīng)驗(yàn)所開(kāi)發(fā)出的數(shù)字射頻直采芯片，相較于純模擬集成具有諸多優(yōu)勢(shì)。

首先，通常運(yùn)營(yíng)商在sub 6GHz頻段有最高400MHz的瞬時(shí)帶寬要求，在毫米波頻段有至少400MHz/800MHz的瞬時(shí)帶寬要求。TI的收發(fā)器可支持到最寬800MHz帶寬，滿足全部Sub 6GHz及部分毫米波的應(yīng)用需求。

其次，全場(chǎng)景支持使平臺(tái)歸一化成為可能。5G基站的形態(tài)相對(duì)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(tài)，從而使客戶降低開(kāi)發(fā)成本，更快地在市場(chǎng)上推出產(chǎn)品。

同時(shí)還支持混模模式。一個(gè)4T4R的單模芯片劈裂為兩個(gè)獨(dú)立的2T2R承載不同的頻段，實(shí)現(xiàn)單芯片混模場(chǎng)景。例如2T2R TDD 2T2R FDD等。更進(jìn)一步，射頻直采架構(gòu)的超高采樣率使得雙頻段的數(shù)字拉遠(yuǎn)成為可能，從而實(shí)現(xiàn)通道級(jí)的雙頻段發(fā)射和接收，例如宏站場(chǎng)景下的1.8GHz 2.1GHz雙頻段應(yīng)用（從ASIC/FPGA，分別接收1.8GHz和2.1GHz的基帶信號(hào)，在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)字合路，最后通過(guò)同一發(fā)射通道進(jìn)行雙頻段的發(fā)射，接收即為其的反向操作），兩個(gè)頻段的射頻拉遠(yuǎn)距離可以達(dá)到3GHz，滿足客戶不同方面的需求。

此外，數(shù)字射頻直采技術(shù)無(wú)需鏡像和本振校準(zhǔn)，簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，同時(shí)提供芯片自檢報(bào)警機(jī)制，及天線校準(zhǔn)、綠色節(jié)能等系統(tǒng)功能的靈活設(shè)定。

Wenjing強(qiáng)調(diào)，對(duì)于Massive MIMO和波束成形等技術(shù)而言，雖然重要的都是算法，射頻直采技術(shù)只是為算法提供硬件實(shí)現(xiàn)。但如果沒(méi)有高集成及通道間高度協(xié)同的芯片，Massive MIMO等新一代天線技術(shù)只會(huì)是紙上談兵。

5G看中國(guó)，射頻直采收發(fā)信機(jī)看TI

據(jù)悉，2017年中國(guó)第一代4G的MIMO基站就采用了TI的4T4R射頻直采芯片，而中國(guó)第一代5G基站也采用了TI的射頻信號(hào)鏈解決方案。值得一提的是，這一系列產(chǎn)品需求，很多都是來(lái)自中國(guó)客戶，Wenjing參與并主導(dǎo)了產(chǎn)品定義。這也是TI與其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的不同之處，即5G產(chǎn)品定義的重心放在中國(guó)，更貼近中國(guó)客戶的需求，這也是TI深耕中國(guó)35年的體現(xiàn)之一。

TI在中國(guó)5G基站建設(shè)中發(fā)揮了極其重要的作用，跨越2G/3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)，囊括宏站、Massive MIMO、小站等多種站型。而且TI還在不斷改進(jìn)產(chǎn)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(fā)布的AFE8092 8T8R射頻直采多頻段收發(fā)信機(jī)在AFE7920的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的通過(guò)架構(gòu)革新，在集成度提高的同時(shí)，再次實(shí)現(xiàn)了同等場(chǎng)景下功耗的30%下降。相比于4T4R的產(chǎn)品，可以更好地滿足Massive MIMO所需。

為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的5G通信架構(gòu)，有源天線系統(tǒng)的演進(jìn)速度遠(yuǎn)超以往。包括需要減小信號(hào)鏈大小，降低復(fù)雜性，同時(shí)提供寬帶寬和多個(gè)頻率；可在高環(huán)境溫度下工作的高密度電源管理；以及通過(guò)基于分組的前傳接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步。TI除了高集成的模擬前端之外，還提供包括電源、時(shí)鐘、MCU、放大器、接口等，從而實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)解決方案。

不久前，工業(yè)和信息化部網(wǎng)站上公布了《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》并正式征求意見(jiàn)，目標(biāo)到2023年，我國(guó)5G應(yīng)用發(fā)展水平顯著提升，綜合實(shí)力持續(xù)增強(qiáng)；5G個(gè)人用戶普及率超過(guò)40%，用戶數(shù)超過(guò)5.6億；5G網(wǎng)絡(luò)接入流量占比超50%，5G網(wǎng)絡(luò)使用效率明顯提高；5G物聯(lián)網(wǎng)終端用戶數(shù)年均增長(zhǎng)率超200%。

5G基站是新型信息基礎(chǔ)設(shè)施的基石，TI擁有品類齊全的模擬和嵌入式處理系列產(chǎn)品，強(qiáng)大的本地制造研發(fā)能力、遍布全國(guó)的產(chǎn)品分銷(xiāo)及銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò)，幫助中國(guó)客戶實(shí)現(xiàn)更低延遲和更高數(shù)據(jù)速率的5G系統(tǒng)，促進(jìn)更多創(chuàng)新應(yīng)用，賦能中國(guó)新基建。TI植根中國(guó)35年，始終如一，同中國(guó)客戶一起迎接未來(lái)挑戰(zhàn)。

集成電路很小，“心”的天地可以更大。

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