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5G 想象空间大、后续延伸应用多!

时间:2018-08-16 16:45来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
把握设计导入黄金期,元器件&设备供货商动起来

5G NR 有独立组网 (SA) 和非独立组网 (NSA) 两种,其中 NSA 没有独立信号方式 (Signaling,信令),主要是为提升特定区域带宽,有多种设置方式,由 LTE演进封包核心 (Evolved Packet Core, EPC) 网络搭配 LTE 无线电接取网络 (RAN)、5G RAN,加上终端 LTE / 5G 用户设备 (UE) 三层迭加的架构最普遍,但最终仍将演进至全新的 5G 核心网络,届时 LTE 手持设备将无法使用。3GPP 在去年底及今年中,分别发布首个 NSA 和 SA 标准;尤其是日前 SA 的冻结,让不少人为之欢呼、雀跃。

 
5G 终端应用仍需时日酝酿,但上游芯片商抢市已趋白热化
这的确意味着 5G 独立部署的引信已被点燃,但事实上,它仅满足 5G"部分场景"需求。尔后,全面标准化须等到明年底的 Release 16 方能一探究竟;最终完整标准,拟于 2020 年初提交国际电信联盟 (ITU)。以标准底定后约 3~5 年才进入商转预估,完全"摆脱"4G LTE、由 5G 独撑大局最快也是 2023 年以后的事。意即:距离坊间大肆吹捧、各种天花乱坠的美丽狂想,着实还有好长一段时间才能面世。不过,对于上游芯片厂来说,因为要将设计、测试、导入、验证、量产等一系列为时数年的工序列入考虑,诚然已临近如火如荼的激战时刻。
 
 
图1:Release 16 将聚焦于 5G 扩展,包括车联网 (V2X)、工业物联网 (IIoT)、超可靠低延迟通信 (uRLLC) 增强版本以及非授权频谱操作
 
不意外,高通 (Qualcomm) 与英特尔 (Intel) 又是先驱者。近日,英特尔更抢先与爱立信 (Ericsson)、中国移动成功展示首个多供货商的 5G NR SA 实时互操作性开发测试 (IoDT),藉由灵活设定正交频分多任务 (OFDM) 的参数集 (Numerology) 分配低、中、高频,并以动态框架结构实现独立数据传输、支持多种用例,包括低延迟、高峰值速率、高可靠性及高效传输。它是基于"波束"设计、支持大规模多输入多输出 (Massive MIMO),并最大限度减少与用户数据交付无直接关系的任何传输,好处是无需始终开启信号、更节能且减少干扰。
 

图2:使用爱立信 5G NR 基地台和英特尔 5G NR UE 平台,在 3.5GHz 成功运行互操作性开发测试 (IoDT)
资料来源:https://www.ericsson.com/en/press-releases/2018/6/ericsson-intel-
and-china-mobile-achieve-3gpp-compliant-multi-vendor-standalone-5g-nr-interoperability
 
高通亦率先推出支援 5G NR 毫米波 (mmWave) 和 6GHz 以下频段的终端设备射频 (RF) 模块,皆正向客户送样中——QTM052 毫米波天线模块及 QPM56xx Sub-6GHz 射频模块系列 (QPM5650 / QPM5651 / QDM5650 / QDM5652),可与高通 Snapdragon X50 5G 调制解调器协作,提供调制解调器到天线 (modem-to-antenna)、跨频段功能,封装尺寸精巧。高通认为,毫米波适用于密集城市区域和拥挤的室内环境;之所以迄今未被应用于移动无线通信,是囿于材料、外形尺寸、工业设计、散热和辐射功率监管要求等诸多挑战之故,而 QTM052 的出现将是新契机。
 
多频段&"共模"成常态,低功耗是铁则
QTM052 支持先进的波束成形 (Beamforming)、波束导向和波束追踪技术,可显著改善毫米波信号的覆盖范围及可靠性,包括整合式 5G NR 收发器、电源管理芯片、射频前端组件和相控天线数组,可在 26.5~29.5GHz (n257)、27.5~28.35GHz (n261) 和 37~40GHz (n260) 毫米波频段支持高达 800MHz 带宽,一部智慧手机最高可安装四个 QTM052 模块。PM56xx 射频模块搭载 Snapdragon X50 5G 调制解调器,可支持 Sub-6GHz 频段的 5G NR——QQPM5650 和 QPM5651 包括整合式 5G NR 功率放大器 (PA)、低噪声放大器 (LNA)、开关及滤波子系统。
 
QDM5650 和 QDM5652 具备除了 PA 之外的上述器件。上述四款模块均支持整合式信道探测参考信号 (SRS) 切换以提供最佳的 Massive MIMO 应用,并支持 3.3~4.2GHz (n77)、3.3~3.8GHz (n78) 与 4.4~5.0GHz (n79) 等 Sub-6GHz 频段。在可预见的未来,不同通信系统的"共模"课题,更亟待RF 开发者克服。首先,新定义的毫米波与 Sub-6GHz 频段的单载波带宽最高达 100 MHz,是 LTE 的五倍之多,须根据 PA 的平均输出功率调节供电电压,以坚守低功耗的金科玉律。
 
图3:高通 QTM052 毫米波天线模块 (左上) 与 Snapdragon X50 5G 调制解调器芯片 (左下) 尺寸精巧
资料来源:高通提供
 
其次,LTE 传输所产生的谐波恐与 5G 频段重迭而降低接收器的灵敏度,加入滤波器 (filter) 又会产生损耗、须再加大 PA 输出功率,明显不利于功耗。再者,5G 规范手机须支持 4 GHz 以上频段的四个下行链路路径,意谓需要四个天线和四个独立 RF 路径,势必增加信号链的复杂性和天线带宽,使原本已十分有限的电路板空间更形拥挤,需要高度整合且微型化的元器件;最后就是天线调变 (Modulation) 与空间多任务 (Spatial Multiplexing)。为增强不同 OFDM 的持续时间 (Symbol Duration),5G 子载波间隔参数须依应用场景灵活设定。
 
图4:5G NR 旨在以统一的空中接口覆盖不同用例及频段,OFDM 参数集设定亦随之不同
资料来源:https://www.keysight.com/upload/cmc_upload/All/
 
损失、增益、峰均功率比,如何优化?
台湾学界专家亦对毫米波系统设计提出建言:1.路径损失 (Path Loss) 较高,须以较大的增益天线或传输功率 (Transmit Power) 补偿,但又须规范等效全向辐射功率 (EIRP)、接收器功率及 RF 曝露限制;2. Massive MIMO 需更高的增益天线,以便让传输更具指向性,但波束将随之变窄、更难以追踪 UE;3.尽力减少馈线损失 (Feed Line Loss),包括因数组规模变大的反射损失、或频率函数增加导致的传输损失。一个浅显易懂的妙喻是:基地台与手机天线均为窄波束,两者需对准在直视波 (LOS) 联机且维持一静、一动,才能恰如针 vs. 线一般合作无间。
 
一般来说,为降低 OFDM 的峰均功率比 (PAPR) 并因应大带宽需要更大的 PA 补偿,恐会降低发射器信号链路径效率,故 PA 设计须符合高线性功率要求;另为顾及 EIRP,组件散热问题亦是关键。同时,有开发者提到,指向性数组天线在实作时,未必真能有效对到目标物,或可利用不同天线角度的重迭交错以增强覆盖率;此外,毫米波用于室内时,多路径更易受到阻挡而衰减 (fading),增益效果可能被抵消,可用算法调试补强。如何应对这么多的设计难点?还有哪些因子须仔细琢磨?量测厂商对此也有全盘的观察及解决方案。

 

 

(责任编辑:helen)
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