5G 愿景正在逐步实现
早在2015年，国际电联（ITU）WP5D第22次会议中，IMT-2020，也就是第五代移动通信内容得到明确，这就是现在大家熟知的5G通信规范。从命名上可以看出，工作组制定的5G相关规范，所期望的成熟时间就是2020年。
ITU同时提出了未来的5G三大主要应用场景：
增强型移动宽带（enhanced mobile broad band，eMBB）：在不同场景提供Gbps为基础，用户在高速移动（高速公路、高速铁路500km/h）时保障100Mbps的连接速率。
大规模机器类型通信（massive machine type communications，mMTC）：每平方公里设备接入量从4G时代的1万个提升到100万个，同时还要保证数据连接质量和功耗控制。
超可靠和低延迟通信（ultra-reliable and low latency communications，URLLC）：自动驾驶、车联网、远程手术、远程施工等关键应用中，保证稳定高可靠性连接和低时延
三大主要应用场景内容涵盖：Gbps速率级别的移动宽带数据接入、智能化的生活(城市、家庭、办公)、超高清视频（8K分辨率）云游戏、在线AR/VR、工业自动化、关键任务应用、自动驾驶汽车等等。
2020年初发生的COVID-19疫情，一度让很多行业陷入困境，影响了5G市场成长的速度，但是随之而来的数字化浪潮，反而使得很多5G相关的应用场景具备了快速落地的条件：
被疫情拉长的社交距离，正在被AR/VR拉回。居家隔离的人们透过AR/VR增强的视频进行交互，还可以参观博物馆、“前往”旅游景点，“亲临”大型商场进行购物，在一些医疗实践中，医生透过使用AR/VR设备与病人沟通病情，甚至进行手术尝试。越来越多应用正在获得市场认可。
AR/VR再度升温
在Facebook更名为Meta之后，AR/VR再度升温，据ABI Research预测，到2025年，VR和AR的市场总额将达到2920亿美元。提供极致用户体验的游戏、建模、实时渲染、沉浸式教学等高阶VR/AR应用，需要高速可靠的移动通信网路，为5G运营商提供更多机会。
与此同时，大量物联网设备正在接入5G网络， Machina Research预测，全球物联网设备的接入量将在2025年达到251亿个，年复合增长率超过20%。中国移动的报告指出，到2022年，中国的物联网设备数量就将达到45亿，其中过半来自5G市场的成长，到2025年，中国大陆物联网设备数量将超过53亿，超7成与5G相关。
大量物联网设备正在接入5G网络
传统4G网络很难胜任自动驾驶对数据交互和时延（毫秒级别的数据处理和判断）的需求，5G通信成为不二选择，依托5G网络进行的智能交通、自动驾驶项目在全球各地进行着实验。根据Navigant Research预测，到2030年，全球自动驾驶相关的车辆将达到2300万辆。
随着越来越多的5G应用场景得到使用，5G基础设施不足的问题变得更加突出，2021年，5G基站的建设速度加快了起来。
5G基站建设加速
根据GSA 今年8月份公布的书，全球已经有70多个国家和地区175家电信运营商推出了5G商用服务，另有近300家运营商正在加快投资部署5G相关业务。
根据中国工业和信息化部11月份公布的最新资料，目前中国拥有的移动电话基站总数接近1000万个，其中4G基站总数为585万个，而已建成的5G基站数量超过115万个，其中相当一部分5G基站是采用室外大型基站外挂5G天线AAU来实现。尽管面临关键芯片短缺的问题，但是中国大陆的5G基站数量仍占全球总量70%以上，已经成为全球规模最大、技术更为先进的5G独立网络，大陆所有地级城市、97%的县城城区、40%的乡镇实现5G网络覆盖，5G终端使用者达到4.5亿，占比全球80%，5G应用案例过万个，内容涵盖工业、医疗、教育、交通等多个关键领域。
爱立信 mini-AAU天线 图片来源: 爱立信网站
同时，中国大陆工信部还提出了继续增建5G基站的计划，将5G基站覆盖到行政村落，预计到2025年，中国大陆部署的5G基站数量将超过360万个，达到每万人拥有26个5G基站的覆盖水平。作为5G大型基站（接入用户数量1000人以上）的补充，各种小基站（接入数量500人）以下，将在2023年之后开始发力，其未来规模将至少是大型基站的2倍以上，方能满足未来5G信号覆盖的基本要求。
随着越来越多的5G应用场景得到使用，5G基础设施不足的问题变得更加突出，2021年，5G基站的建设速度加快了起来。
5G基站功耗2倍于4G基站
2，3年以前，5G基站刚刚开始部署时，能耗问题就变得十分突出。与4G基站相比，5G基站能耗要高出很多。
从射频系统来看，4G基站采用8天线RRU天线矩阵， 2D MIMO（多输入输出），而5G基站是用64甚至更多天线AAU天线矩阵，实现3D MIMO。4G基站AAU单扇区输出功率在40W到80W之间，经过优化的5G AAU单扇区输出功率仍然高于200W。综合评估结果是，在效率相同的情况下，5G射频系统的功耗是4G的2倍以上，中国移动的测试数据是2.5倍到3.5倍。
5G天线系统 图片来源:adi.com
从基站部署来看，由于5G使用了较高的频段——以适应高带宽和Massive MIMO的要求——单基站的覆盖面积与4G相比会更小，也就意味着覆盖同样的范围，理论上需要5G基站的数量是4G的1.2~1.4倍。
此外，每一个基站都需要空调对整个系统的温度进行调节，综合来开，空调与基站系统的能耗比约为1：1，也就是说，还有除了用于通信的能耗，用于散热的能耗同样惊人，如果是温度较高的地区，散热能耗占比还要增加。
射频系统、基站宏观数量以及散热几大因素，让5G基站的功耗问题变得十分突出，这还是中国目前没有开放5G商用毫米波频段的情况，有业者表示如果一个5G基站的多个AAU全开启，那么运营商就纯属为电力公司打工了。
来自中国铁塔数据显示，一个5G室外基站单租户平均功耗在3.8KW左右，是4G基站的3倍以上，单个5G基站单租户年综合电费约2.5万元人民币/年。按照中国目前已经建成115万个5G基站来计算，三大运营商每年需要为基站支付的电费就达到300亿元人民币左右。中国的三大移动通信运营商，在开启5G商用网络之后，年度电费支出从500亿元人民币左右，上升至超过1200亿元人民币，电费支出涨了2.4倍多，让财大气粗的运营商肉疼不已。这些还只是5G基站部署初期的情况，未来5G基站的建设规模还将继续扩大。因此，用户享受高速网络的同时，相关业者需加快节能减排的步伐，才能让5G基础建设的道路更加平坦。
常见缩写注解：
BBU（Baseband Unit），基站系统中负责处理基带信号的单元
RRU（Remote Radio Unit）远程射频单元，是现代基站的两大核心（BBU 和 RRU）之一。
AAU（Active Antenna Unit）有源天线单元，将RRU与无源天线整合在一起
AAS（Active Antenna System），有源天线系统，可看成多组AAU组合
3D-MIMO（3D Multiple Input MultipleOutput）天线技术，也称为Maasive-MIMO或mMIMO天线技术，大规模多输入多输出天线技术。这项技术不仅实现了水平面的波束赋型，同时也利用更多的振子和通道实现了垂直面的波束赋型，在更大空间范围实现通信，如跨楼层应用。
5G射频关键技术与功耗
基站的通信系统中，功耗分为RRU和BBU两部分，通常RRU也就是远程射频单元的功耗占比最大，高达80%。
早期的RRU和BBU相距不远，RRU与天线Antenna通过馈线连接，后来随着通信技术的演进，RRU开始安装到通信塔上，与BBU之间采用光纤通信。在4G时代后期，由于引入了Massive MIMO技术（也称为3D MIMO技术）采用传统方法，将多个RRU与无源天线之间连接，需要用到大量连接线，设备复杂度增加，可靠性下降，于是设计人员使用了AAU，将原先RRU和无源天线组合到一起，解决了可靠性问题，同时还提升了射频系统的效率。
Massive-MIMO示意图 图片来源：ADI.com
Maasive-MIMO 射频前端 图片来源：ADI.com
由多个AAU组成的AAS系统便于运营商大幅度提升其容量（5G 最高可增加五倍）及其网络的覆盖范围。功率放大器 (PA) 集群与天线组件是 AAS（目前最多可包含 1,024 个 PA）的基本组成部分，可提供完整的网络接入功能，以连接至基带节点。通过 mMIMO可实现频率复用，并且频率复用已成为提高 BTS 容量的主要促成因素，用于实施空间多任务。
“在4G LTE蜂窝基站后期部署中，普遍采用大规模多路输入、多路输出(Massive MIMO)无线电技术，特别是在密集的城市地区，小型蜂窝有效地填补了蜂窝覆盖的空白，同时提高了数据服务速度。此架构的成功清楚印证了其价值。因为这种架构本身具备所需的频谱效率和传输可靠性，它成为新兴的5G网络无线电的优选架构。” ADI射频和微波控制产品部门的营销与产品经理 Bilge Bayrakci说
Massive MIMO架构为接收器架构允许5G运营商精确地将信号从蜂窝网站指向目标接收器（而不是在所有方向上的高功率传输）, 这样每个接收器消耗的能量较少，并且蜂窝网站可以以相同的频率传输信号到其它接收器，从而具有前所未有的灵活性。
“由于基站射频系统的功耗增加，电源管理总线(PMBus) 的作用越来越明显。与此同时，高压降压型变换器正在不断改进以适应 PA 数量的增加，需要 3D热耗散和具有可变电流限制的 100V 操作转换器。为了在增加密度的同时，在无线电中提供精密的时钟和收发器电路，还可以通过多通道专用转换器来降低尺寸和噪音，将转换器作为低压差稳压器的替代品，开关速度高于 1MHz，以便在保持效率的同时降低尺寸。”TI Sector General Manager Pietro Scalia指出。
GaN是5G的超级动力
以4G 基站采用 4T4R 方案为例，三个扇区，对应功率放大器( PA: Power Amplifier) 需求量为12颗，同等情况下的5G 基站，采用64T64R主流方案是，对应的 PA 需求量高达 192 颗。前面提到，基站通信系统中，远程射频单元RRU功耗占比高达80%，而在这80%的功耗中，又有70%的能源被PA（Power Amplifier）消耗。因此，在5G应用中，PA成为了非常关键的组件。
PA有硅基LDMOS或射频氮化镓（GaN）两种材料，最早的PA器件来自motorola分出来的freescale，采用了LDMOS材料，后来陆续有NXP和英飞凌加入这一市场。进入4G时代之后，GaN材料主要优点是可以实现更高的功率密度，优秀表现获得了市场认可，在高功率5G时代更是拉开了与LDMOS材料的距离。由于5G有两个不同的频域，sub-6GHz和mmWave，在高频率下，GaN在超过2GHz以上的频段中优势十分明显。随着5G市场的发展，预计整个GaN RF市场规模将在2025年达到20亿美元。中国目前尚未开放mmWave频段商用，这意味着在5G毫米波市场，GaN RF具有非常可观的潜力。
“GaN 是一种 III-V 直接带隙半导体技术。由于其具备更高的效率、出色的高压可持续性、更低的功耗、更高的温度属性和功率处理特性，GaN 在功率电子设备领域的应用越来越广泛。这些属性使 GaN 成为 5G 射频的焦点，尤其是在毫米波 5G 网络中。虽然我们都“听说过”5G 的各种前景，随着主要的无线网络运营商向其客户推出 5G 服务，如今大城市中的许多人，更确切地说大约有 500 万人，开始了解这些前景。但其实我们尚未到那一步。完全不是那么回事。我们的目标是到 2025 年连接 28 亿用户。要实现这一目标，就意味着要改造整个移动基础设施，虽然这是一项复杂的任务，但却是能够完成的。借助 GaN 技术，5G 将在不知不觉中达到数十亿用户。“Qorvo 高性能解决方案部门总经理Roger。
GaN PA的高功率密度还支持更小的外形尺寸，需要更少的PCB空间。在给定区域内，系统设计人员可以产生比其他技术更多的功率。或者，对于给定的功率级，系统设计人员可以缩小RFFE的尺寸并降低成本。
GaN PA对5G基础设施市场的吸引力是显而易见的——更便宜、更高效、带宽更宽的基站。随着GaN在这市场中激增，规模经济增加，价格将继续下降到大规模普及的程度。
尽管LDMOS技术在基站RF系统中仍然占据着最大的市场份额，但GaN预计将在5G大规模MIMO部署中取代它。
降低5G基础设施功耗问题需要多个环节的合作
面对5G基础设施的功耗问题，除了电信运营商，相关系统业者也在努力帮助运营商降低电费。除了采用新材料提升射频系统的效率，包括爱立信、华为、中兴、诺基亚等公司均给出了精准控制基站休眠的方案。透过对运营商业务的分析整理，优化射频的系统的工作时间，在闲时进行降低频率、载波关断、基站休眠等操作。在浙江，华为与铁塔公司的实验表明，可以为每个5G基站降耗17%，节约电费超5000元以上。
爱立信则更进一步提出潮汐功放技术，让基带系统不休眠，不彻底关断，借助AI技术优化业务模型，动态调节功耗，在非典型业务负荷下，基站的射频单元功耗可以降低20%，整体功耗下降15%。
蜂窝基础设施对性能的要求更为严苛，这些针对信号链系统的功耗控制，需要半导体公司提供更加完整的解决方案，解决成本、功耗及灵活性的问题。
“听起来很简单，这些都是非常困难的问题，解决这些问题需要模拟电路、混合信号电路和数字电路设计人员、信号处理博士、嵌入式实时软件设计人员以及其他人员通力合作。很多人认为ADI是组件供货商，但其实需要大规模的系统级工作。我们提供的最终产品可能是大型系统中的一个组件，但它非常复杂，需要基于我们对整个系统的理解来定义这个产品。” ADI公司 汽车，通信和航空航天技术副总裁 Tony Montalvo博士说。
JMA与其技术合作伙伴ADI公司合作，就开发出了新的5G零延迟宽带互联网接入，每个基站可以为多达100,000个设备和节点提供大规模连接，确保身处全球各地场馆的粉丝能够在线与家人和朋友分享自己的喜悦。
