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为5G毫米波部署提供高性能波束合成系统
录入时间:2021/6/1 11:29:58

自2019年中国5G宣布正式商用以来,全球的5G发展仿佛按下了快进键,这其中有一点值得注意——目前全球5G的大部分部署都在6GHz以下,这是由于部署初期需要覆盖范围广、推进速度快、成本更低的建网方式。但当信号覆盖基本完备之后,考虑精细化运营和考虑重点地区覆盖时,未来通信频段必然向低频段+毫米波频段相结合的方式延伸。

相较Sub-6GHz,毫米波传播和穿透衰减较大,然而毫米波却具备多项优势:频谱资源丰富,有极高的空间分辨力,设备更容易小型化等等。高频毫米波的成熟也为5G时代的诸多新用例创造了条件:移动运营商可使用毫米波频谱进行室内部署,室内毫米波专网能够为企业、场馆和交通枢纽等室内环境带来数千兆比特速率、超低时延和极大容量;毫米波支持的固定无线接入可以替代传统宽带,直接向家庭提供高速互联网连接等等。就在几年前,业界还在讨论在移动通信中使用毫米波频谱的可行性,以及规划无线电设计人员面临的挑战。现在,行业已经从最初的原型制作迅速发展到成功的现场试验,其中高性能半导体解决方案提供商ADI公司就为企业带来了广泛的毫米波技术系统化方法。

从5G毫米波的常见部署情景看起

我们在开发技术时,务必了解技术最终的部署方式。下图突出了目前在28GHz和39GHz频谱中探索的两种常见情景。

5G毫米波部署情形

上图a演示了一个固定无线接入(FWA)用例,在此用例中,我们试图向郊区环境中的家庭提供高带宽数据。在这种情况下,基站位于电线杆或塔上,并需要覆盖大片区域才能产生积极的商业案例。在初始部署中,我们假设覆盖范围是室外到室外,是以客户终端设备(CPE)安装在户外,并且在设计链接时确保最佳无线连接。由于天线向下,而用户固定,我们可能不需要很大的垂直转向范围,但发射功率可能相当高,超过65dBm EIRP,以最大限度地增加覆盖范围并利用现有的基础设施。

在上图 b中,我们展示了一个密集的城市场景,基站将安装在建筑物屋顶或正面离地较低的位置,将来可能会发展成路灯或其他街道级安装。无论如何,这种类型的基站将需要垂直扫描功能,以便在整个建筑物的立面上传送信号,最终随着移动设备的出现,向地面上的移动用户(行人和车辆)传送信号。这种情况下,传输功率可能不需要像郊区那样高,但是室外向室内穿透仍然要面对低辐射玻璃的问题。如图所示,在光束扫描范围内,无论是水平轴还是垂直轴,我们都需要更大的灵活性。总之,没有万能的解决方案。部署情形将决定波束合成架构,而架构将影响射频技术的选择。

如何决定波束合成的技术路线?

5G毫米波系统中的关键技术是波束合成。现在,我们来看一下各种波束合成方法:模拟、数字和混合。数字波束赋形就是字面意思,相移完全在数字电路中实现,然后通过收发器阵列馈送到天线阵列。简单地说,每个无线电收发器都连接到一个天线元件,但实际上每个无线电都可以有多个天线元件,具体取决于所需扇区的形状。该数字方法可实现最大容量和灵活性,并支持毫米波频率的多用户MIMO发展规划,类似于中频系统。这非常复杂,考虑到目前可用的技术,无论是在射频还是数字电路中,都将消耗过多的直流电。

目前最实用、最有效的波束合成方法是混合数模波束赋形,它实质上是将数字预编码和模拟波束合成结合起来,在一个空间(空间复用)中同时产生多个波束。通过将功率引导至具有窄波束的目标用户,基站可以重用相同的频谱,同时在给定的时隙中为多个用户服务。这里显示的子阵系统实际上支持2到8个数字流,可以用于同时支持单个用户,或者向较少数量的用户提供2层或更多层的MIMO。

波束赋形功能受到许多因素的推动,包括分段形状和距离、功率电平、路径损耗、热限制等,是毫米波系统的区段,随着行业的学习和成熟,需要一定的灵活性。即便如此,仍将继续需要各种传输功率电平,以解决从小型蜂窝到宏的不同部署情形。另一方面,用于基站的位到毫米波无线电需要的灵活性则要小得多,并且在很大程度上可以从当前Release 15规格中派生出来。换言之,设计人员可以结合多个波束赋形配置重用相同的无线电。这与当前的蜂窝无线电系统没有什么不同,在这些系统中,小信号段跨平台很常见,而且每个用例的前端更多都是定制的。

波束赋形可采用多种技术实现,具体取决于系统需求。当我们从数字转向天线时,就已经为信号链绘制了潜在技术的进展图。当然,数字信号和混合信号都是在细线体CMOS工艺中产生的。根据基站的要求,整个信号链可以用CMOS开发,或者更有可能的是,采用多种技术的混合开发,为信号链提供最佳性能。例如,一种常见的配置是使用具有高性能SiGe BiCMOS IF到毫米波转换的CMOS数据转换器。

基于宽带毫米波无线电打造高性能波束合成方案

下图展示了一个基于组件的高性能位到毫米波无线电的方框图示例,构成ADI公司的宽RF和混合信号产品系列。该信号链经证实在28GHz上支持连续的8×100MHz NR载波,具有出色的误差矢量幅度(EVM)性能。

Block diagram for broadband bits-to-millimeter wave radio

宽带位到毫米波无线电框图

上图显示了所使用的直接高中频变送器发射和高中频接收器采样,其中数据转换器在中频进行发射和接收。在能够合理实现的情况下,中频要尽可能高,以避免在RF下的图像滤波困难,从而将中频驱动到3GHz及以上。AD9172是一款高性能、双通道、16位DAC,支持高达12.6GSPS的采样速率。该器件具有8通道、15Gbps JESD204B数据输入端口、高性能片内DAC时钟倍频器和数字信号处理功能,支持带宽和高达6GHz的多频段直接至RF信号生成。在接收器中,我们显示了双通道、14位、3GSPS ADC AD9208。该器件内置片内缓冲器和采样保持电路,专门针对低功耗、小尺寸和易用性而设计。该产品设计支持通信应用,能够实现高达5GHz的宽带宽模拟信号直接采样。

在发射和接收中频阶段需要将数字增益放大器从单一转换为平衡,反之亦然,以避免使用巴伦。对于中频和毫米波之间的上变频和下变频,ADI推出了一种基于硅的宽带上变频器ADMV1013和下变频器ADMV1014。这些宽带变频器件的操作范围为24.5GHz至43.5GHz。此频率覆盖范围广泛,因此设计人员用一种无线电设计即可处理目前定义的所有5G毫米波频段(3GPP频段n257、n258、n260和n261)。两种器件均支持高达6GHz的中频接口和两种变频模式。RF链中的最后一个组件是ADRF5020宽带硅SPDT开关,其能够在30GHz时提供2dB的低插入损耗和60dB的高隔离度。

对于混合波束赋形架构,下图所示也给出了ADI公司的“位到波束”毫米波系列产品芯片组,该方案同样提供了系统级产品,涵盖了整个数字、混合信号、IF和毫米波功能链到天线阵列。ADI的芯片组覆盖24至30GHz,包括一个16通道双/单偏振波束赋形器(ADMV4821),16通道单偏振波束赋形器(ADMV4801),毫米波上/下变频器(ADMV1017)和MxFE™ RF数据转换器平台(AD9081和AD9082)。该芯片组具有最高的集成度,可为n257,n258和n261频段提供支持。

混合波束赋形信号链


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