GaN助力运营商和基站OEM实现5G sub-6GHz和mmWave大规模MIMO

到2021年，估计全球会有更多的人拥有移动电话(55亿)，将超过用上自来水的人数(53亿)。与此同时，带宽紧张的视频应用将进一步增加对移动网络的需求，其会占移动流量的78%。使用大规模多输入多输出(MIMO)技术的 5G网络将是支持这种增长的关键。根据Strategy Analytics的数据，预计5G移动连接将从2019年的500万增长到2023年的近6亿。

MIMO技术

如图1所示，单用户MIMO系统用于3G，而4G采用多用户MIMO系统技术。

图1

每一代无线技术都利用天线技术的进步来帮助提高网络速度。3G采用单用户MIMO，其利用多个同时数据流将数据从基站传输到单个用户。多用户MIMO是4G系统中的主导技术，它为不同用户分配不同的数据流，与3G相比具有显著的容量和性能优势(图1)。5G将引入大规模MIMO，进一步提高容量并提供高达20 Gb / s的数据速率(图2)。

图2：MIMO的演进最终将导致大规模MIMO用于5G。

5G大规模MIMO

5G常喊的口号是增加网络容量和数据速率，同时最大限度地降低运营商费用。用户也越来越希望无线数据服务能够提供有线质量。

5G大规模MIMO将帮助运营商实现这些目标。它将为许多用户提供高数据速率，有助于提高容量。它将支持实时多媒体服务，而无需额外的频谱。此外，大规模MIMO将通过利用波束成形将信号定向到各个用户来减少能量消耗，波束成形技术将来自多个天线的信号聚焦成单个强光束。

空间复用和大规模MIMO优势

Massive-MIMO技术使用大型天线阵列(通常包括64个双极化，但至少16个阵列元素)来利用空间复用(图3)。空间复用在同一资源块内提供多个并行数据流。通过扩展虚拟通道的总数，它可以增加容量和数据速率，而无需额外的塔和频谱。

图3：各种益处都与大规模MIMO相关，例如空间复用。

在空间复用中，每个空间信道携带独立信息(图4)。如果环境散射足够丰富，则在相同的分配带宽中创建许多独立的子信道，从而实现多路复用增益而不带来额外的带宽或功率成本。多路复用增益也称为参考信号空间星座的自由度; 在大规模MIMO配置中，自由度控制着系统的整体容量。

图4：与大规模MIMO进行空间复用的每个信道都携带独立的信息。

通过大规模MIMO，多个天线将发送和接收信号集中到较小的空间区域，从而大大提高了吞吐量和能效。数据流越多，数据速率越高，辐射功率的使用效率越高。这种方法还提高了链路可靠性。天线的增加意味着可以在空间分集上花费更多的自由度。它提高了发送和接收数据流的选择性，并增强了干扰消除功能。

大规模MIMO带来的好处包括：

防止在不希望的方向上传输，减轻干扰

减少延迟，实现更快的速度和更高的可靠性

减少衰落和下降，提高信噪比(SNR)

提高频谱效率和高可靠性

提高能源效率

5G大规模MIMO和Sub-6GHz部署

很明显，为了实现20Gb / s数据速率的5G目标，有必要使用毫米波(mmWave)频谱。但是，在mmWave真正用于移动通信之前，必须解决几个关键挑战。

虽然运营商和原始设备制造商(OEM)正在努力完善mmWave技术，但6GHz以下将成为近期的5G网络技术。Sub-6GHz频率适用于农村和城市地区，因为该技术可以长距离提供高数据速率(图5)。运营商最初预计将在3,300~4,200-MHz和4,400~5,000MHz频率范围内部署5G，这将允许高达100MHz的信道带宽。

图5：覆盖范围和容量的差异在5G mmWave和6GHz之间是不同的。

Sub-6GHz大规模MIMO将通过在基站使用大量天线来解决干扰问题，并使基站能够为城市地区的大量用户提供服务。Massive MIMO还可提高峰值，平均值和小区边缘吞吐量，通过在用户覆盖和容量之间提供最佳平衡来最大化成本效率。

然而，这些技术进步并非没有系统设计挑战。Sub-6GHz大规模MIMO波束成形技术将推动对可用于大规模MIMO阵列的小型、经济高效的功率放大器(PA)的需求。此外，由于5G调制方案变得越来越复杂(即256 QAM)，无线基础设施功率放大器将需要在深输出功率回退条件(高达8 dB或更高)下非常高效。达到必要的线性。

利用GaN实现5G Mass-MIMO Sub-6GHz

氮化镓(GaN)技术可以在sub-6GHz 5G应用中发挥重要作用，有助于实现更高数据速率等目标。

高输出功率、线性度和功耗要求正在推动基站和网络OEM部署的PA从使用LDMOS技术转换到GaN。GaN为5G sub-6GHz大规模MIMO基站应用提供了多种优势：

GaN在3.5GHz及以上频率下表现良好，而LDMOS在这些高频下受到挑战。

GaN具有高击穿电压，高电流密度，高过渡频率，低导通电阻和低寄生电容。这些特性可转化为高输出功率、宽带宽和高效率。

采用Doherty PA配置的GaN在100 W输出功率下的平均效率达到50%~60%，显着降低了发射功耗。

GaN PA的高功率密度可实现需要较少印刷电路板(PCB)空间的小尺寸。

在Doherty PA配置中使用GaN允许使用四方扁平无引线(QFN)塑料封装而不是昂贵的陶瓷封装。

GaN在高频和宽带宽下的效率意味着大规模MIMO系统可以更紧凑。GaN可在较高的工作温度下可靠运行，这意味着它可以使用更小的散热器。这样可以实现更紧凑的外形。

满足6GHz以下的RFFE设计目标

构建RF前端(RFFE)以支持这些新的sub-6GHz 5G应用将是一项挑战。RFFE对系统的功率输出、选择性和功耗至关重要。复杂性和更高的频率范围推动了对RFFE集成、尺寸减小、更低功耗、高输出功率、更宽带宽、改善线性度和增加接收器灵敏度的需求。此外，收发器、RFFE和天线之间的耦合要求更严格。

5G sub-6GHz RFFE的一些目标，以及GaN PA如何帮助实现这些目标呢?具体包括如下：

更高的频率和更高的带宽：5G使用比4G更高的频率，并且需要更宽的分量载波带宽(高达100 MHz)。GaN-on-silicon-carbide(GaN-on-SiC)Doherty PA在这些频率下实现比LDMOS更宽的带宽和更高的功率附加效率(PAE)。GaN器件的更高效率，更高输出阻抗和更低寄生电容允许更容易的宽带匹配和扩展到非常高的输出功率。

在更高数据速率下的高功率效率：GaN具有软压缩特性，使其更容易预失真和线性化。因此，它更容易用于数字预失真(DPD)高效应用。GaN能够在多个蜂窝频段上运行，帮助网络运营商部署载波聚合以增加频谱并创建更大的数据管道以增加网络容量。

最大限度地降低系统功耗：我们如何满足5G的高数据率要求?我们需要更多基础设施，例如数据中心，服务器和小型蜂窝。这意味着网络功耗的整体增加，从而推动了对系统效率和整体功率节省的需求，这似乎很难。同样，GaN可以通过提供高输出功率以及提高基站效率来提供解决方案。

图6显示了一个示例性sub-6GHz RFFE的框图，该RFFE使用了Qorvo的Doherty PA设计来实现高效率。

图6：这种sub-6GHz的大规模MIMO RFFE包括Doherty PA。

结语

5G mass-MIMO sub-6GHz基础设施设计已经推出。这意味着现在必须提供解决更高频率、更高功率输出和更低功耗所需的技术和系统设计，以支持全球运营商扩建。