打通5G技術(shù)應(yīng)用的“任督二脈”，ADI射頻與微波技術(shù)走向系統(tǒng)與生態(tài)化

近日，中國移動率先在國內(nèi)打通了首個5G電話，媒體認(rèn)為這意味著一個上萬億元人民幣的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐步拉開序幕。同樣是在前不久，國家發(fā)改委發(fā)布了《2018年新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程擬支持項目名單》，中國電信、中國移動、中國聯(lián)通的5G規(guī)模組網(wǎng)建設(shè)及應(yīng)用示范工程正式進入名單。作為5G市場和設(shè)備技術(shù)全球的排頭兵，中國在5G應(yīng)用上的明確態(tài)度將加速5G應(yīng)用的落地部署。

在通信射頻技術(shù)扮演關(guān)鍵角色的ADI公司無線技術(shù)部總監(jiān)Thomas Cameron博士前不久來華參加通信行業(yè)活動時，也對中國在推動全球5G發(fā)展中扮演的積極作用給予高度評價：“中國移動、電信和聯(lián)通三大運營商，以及本土設(shè)備廠商正在推動5G技術(shù)演進和部署落地上的作用巨大。中國正在從3G跟隨、4G同步，到5G引領(lǐng)。”

ADI無線技術(shù)部總監(jiān)Thomas Cameron縱談5G應(yīng)用挑戰(zhàn)

從sub-6G到mm wave，直面5G之路挑戰(zhàn)

但是，正如業(yè)界專家在對首個5G通話事件的點評所指出，5G應(yīng)用依然面臨很多挑戰(zhàn)，預(yù)計2019年下半年真正的5G手機終端才能夠相對成熟。而其實技術(shù)挑戰(zhàn)同樣存在于設(shè)備端。5G網(wǎng)絡(luò)的核心指標(biāo)是遠(yuǎn)高于4G時代的接入速率，業(yè)界預(yù)測未來20年數(shù)據(jù)流量將增加至當(dāng)前的10,000倍。“Sub 6G頻段逐漸成為移動運營商5G部署初期優(yōu)先考慮的頻譜資源，其中又以3.5GHz最優(yōu)?？紤]到每個運營商能夠獲取的3.5GHz頻譜資源通常只有100MHz左右，因而如何高效使用有限的頻譜資源來提供5G預(yù)期的接入速率成為運營商面臨的最大挑戰(zhàn)。”Thomas Cameron指出。

5G是滿足未來廣泛的無線通信應(yīng)用的靈活網(wǎng)絡(luò)。

從現(xiàn)有的頻譜資源里面繼續(xù)提升利用空間是一個明智的方法，因為稀缺的頻譜資源是無線蜂窩通信行業(yè)發(fā)展的命脈。但是，即便蜂窩頻段擴展至6GHz以下的頻段，5G仍無法滿足帶寬指數(shù)級增長的需求。當(dāng)6GHz頻道以下的通信僅僅能夠提供數(shù)百MHz的頻段資源的時候，20GHz以上的潛在頻譜則是數(shù)十GHz，基于mm Wave(微波)技術(shù)實現(xiàn)5G愿景還面臨著許多挑戰(zhàn)。 “巨大的市場需求正在推動朝毫米波邁進的技術(shù)革命，但覆蓋和建網(wǎng)成本壓力需要通過技術(shù)手段去克服。” Thomas表示。

5G應(yīng)用對設(shè)備開發(fā)的技術(shù)挑戰(zhàn)，Thomas總結(jié)為——體積、功耗和成本。“我們看到像大Massive MIMO里64發(fā)64收這樣的系統(tǒng)可能是最多的，甚至128收128發(fā)。” Thomas指出，“如果用傳統(tǒng)的解決方案來設(shè)計實現(xiàn)，體積、功耗和成本將會成倍增長，市場是難以接受的。”

從器件到系統(tǒng)，“軟硬兼施”解決主要難點

“無論是sub 6 GHz還是未來的5G毫米波通信，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)將成為實現(xiàn)前所未有的頻譜效率和容量密度的關(guān)鍵。” Thomas指出，“解決大規(guī)模MIMO應(yīng)用的體積、功耗和成本的挑戰(zhàn)，必須從硬件和系統(tǒng)設(shè)計入手。”對于擁有完整的射頻和微波技術(shù)的ADI來說，5G無線設(shè)計具有絕對的話語權(quán)，特別是ADI在2014年成功收購訊泰(Hittite)公司以后，無線技術(shù)完全覆蓋0赫茲到100GHz完整的無線頻譜范圍。

在這方面，ADI的幾款最新產(chǎn)品代表了業(yè)界走向高集成低功耗的設(shè)計思路并融入了其獨特的創(chuàng)新設(shè)計。“在集成式寬帶RF收發(fā)器AD9371中，我們將近20個芯片和一些外圍分離器件集成到單個芯片中，把整個系統(tǒng)的面積縮小近一半，而且把這個信號鏈的功耗降低了一半。這種方案可以在5G的小蜂窩等設(shè)備中發(fā)揮很大的作用。” Thomas表示。ADI在射頻集成的路上這幾年的步伐有明顯加快的趨勢，去年最新發(fā)布的AD9375再次將射頻中非常關(guān)鍵的收發(fā)器的功能集成推到新的高度，首次在業(yè)界將數(shù)字預(yù)失真 (DPD)功能集成到寬帶RF收發(fā)器上，相對于基于FPGA解決方案將DPD功耗降低 90%，將SERDES線路數(shù)量減少一半，并降低了FPGA復(fù)雜性和成本。

從小基站到大規(guī)模MIMO應(yīng)用，體積、功耗和成本都面臨新的挑戰(zhàn)。

“這樣的無線電創(chuàng)新非常重要，”Thomas指出，“對于小基站來說，以前很多小基站只支持一個頻段，現(xiàn)在要求在同樣一個大小的盒子里面同時支持3-4個頻段。因此，半導(dǎo)體解決方案在體積、成本和功耗方面等指標(biāo)上的技術(shù)創(chuàng)新將非常關(guān)鍵。”在Thomas的描述中，5G基站的體積可能會比以前更大，一米高、近半米寬。“現(xiàn)代的天線數(shù)越來越多，半導(dǎo)體在5G基站應(yīng)用中可能越來越多，或者說這個里面半導(dǎo)體的分量越來越重，整個行業(yè)需要思考怎么樣能夠把成本、功耗和體積一起做下來。” Thomas表示。

在采訪中Thomas還指出，5G部署初期階段基本將仍以宏站建設(shè)為主，運營商最關(guān)注的還是站點部署的密度和建網(wǎng)成本問題，如何盡可能借助4G站點基礎(chǔ)設(shè)施解決3.5GHz頻段的覆蓋短板降低5G新建基站數(shù)量也是運營商關(guān)注的焦點。“在這方面，ADI一直在探索軟件無線電技術(shù)來支持系統(tǒng)廠商面對不同無線電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的平滑過渡問題，結(jié)合射頻至基帶收發(fā)器PHY和數(shù)字處理器，提供可重復(fù)使用且適應(yīng)未來發(fā)展的無線電平臺。”Thomas表示，他特別提到該公司一直在軟件定義無線電領(lǐng)域探索和創(chuàng)新的RadioVerse射頻生態(tài)系統(tǒng)方案。

一款高度集成的寬帶RF收發(fā)器AD9371輕松替代過去需要20個以上器件的解決方案。

上面提及的AD9371和AD9375都是RadioVerse設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)的硬件組成一環(huán)，該系統(tǒng)除了ADI豐富的硬件產(chǎn)品組合，還包括經(jīng)過測試的PA庫、小蜂窩參考設(shè)計和評估套件，而其核心價值點之一就是其軟件可定義的無線電架構(gòu)。“基于軟件定義的無線電架構(gòu)可利用軟件實現(xiàn)靈活配置，支持不同的頻率、頻段、不同的制式以及不同的標(biāo)準(zhǔn)以實現(xiàn)系統(tǒng)靈活通用性。”Thomas指出，“以AD9371的軟件定義特性為例，客戶可以很容易隨時改變IF，帶寬也可以在8 MHz至100 MHz范圍內(nèi)輕松調(diào)整。這些特性對于系統(tǒng)客戶很重要，例如同一款基站要在不同地方部署時，軟件可定制特性讓他們通過微調(diào)就能輕松覆蓋某個國家特定的頻段標(biāo)準(zhǔn)，這對于當(dāng)前的sub-6GHz的5G應(yīng)用特別重要。”

ADI構(gòu)建的這個生態(tài)系統(tǒng)還包括補充性產(chǎn)品和服務(wù)，用于更好地為客戶提供支持幫助他們緩解設(shè)計壓力。例如他們在該生態(tài)系統(tǒng)中構(gòu)建了一個仿真工具生態(tài)系統(tǒng)，包含MathWorks和多種第三方硬件和軟件包，以便在開始設(shè)計軟件定義無線電之初，就幫助縮小系統(tǒng)架構(gòu)師、射頻微波設(shè)計師和系統(tǒng)軟件開發(fā)人員之間的開發(fā)空白，幫助客戶實現(xiàn)更精巧、更高效的設(shè)計，同時加快產(chǎn)品上市速度。

在5G復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用中，構(gòu)建完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài)對推進創(chuàng)新應(yīng)用非常重要。

深度合作，解決5G技術(shù)應(yīng)用落地的最后障礙

在工程師的印象中，ADI在無線通信市場的角色主要是各種射頻微波器件的提供商，包括高速ADC/DAC、集成收發(fā)器、時鐘、PLL，等等。“其實ADI可以提供非常完整的射頻微波信號鏈解決方案，對通訊系統(tǒng)和整個行業(yè)有非常深刻的理解，ADI通過與客戶非常深、緊密的合作，我們能夠提供給他們更完整的系統(tǒng)級解決方案。”Thomas說道。

ADI投資解決未來通信的射頻技術(shù)挑戰(zhàn)。

在ADI近年來公開了多起5G應(yīng)用合作創(chuàng)新案例，國家儀器公司(NI)的第二代向量信號收發(fā)器 (VST) 系列便是其中一例。隨著5G技術(shù)的不斷演進，第二代VST的性能和靈活性可使其適應(yīng)不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)，成為面向未來、能夠應(yīng)對未來5G嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的理想測試設(shè)備性能。在該產(chǎn)品中，ADI提供的100多款元器件為第二代VST性能的大幅提升以及外形尺寸的縮小提供了有力支撐。

“ADI與NI之間深度合作十分關(guān)鍵，正是通過密切合作，ADI和NI才有機會探討第二代VST如何能夠達到行業(yè)所需的性能級別，并且ADI會根據(jù)NI的精確規(guī)格提供定制器件，雙方的深入合作也幫助實現(xiàn)了第二代VST的另一個核心優(yōu)勢，即顯著縮小的尺寸。”Thomas指出，“這種與核心元器件原廠的深度合作，對于5G技術(shù)應(yīng)用落地來說更具現(xiàn)實意義，特別是隨著5G未來走向24-29GHz甚至更高的毫米波頻段，企業(yè)在這類技術(shù)應(yīng)用上的經(jīng)驗通常很少，與像ADI這樣擁有完整的微波、毫米波信號鏈技術(shù)的企業(yè)合作能有效解決企業(yè)的技術(shù)短板。”