設計固定無線接入（FWA）系統時需要考慮的5個因素

貿澤電子設計圈 2020-01-14 08:00

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FWA

5G最早的用途之一會是固定無線接入（FWA），后者能夠提供千兆級網速。向家庭、公寓或企業提供FWA所花費的時間和成本僅是傳統電纜/光纖安裝的一小部分。就像任何其他技術進步一樣，FWA帶來了新的設計難題，讓人們需要做出新的技術決策。下面我們將深入探討在設計FWA系統時需要考慮的五個因素:

頻譜選擇：毫米波（mmWave）或6GHz以下
使用天線陣列實現更快的數據速率
全數字或混合波束成形
功率放大器（PA）技術選擇：硅鍺（SiGe）或氮化鎵（GaN）
從現有的RF前端（RFFE）產品組合中選擇組件

頻譜選擇：毫米波還是6GHz以下

第一個要做出的決策是FWA使用毫米波還是6GHz以下頻率：

毫米波
這類較高的頻率能夠以低成本提供大量的連續頻譜。毫米波支持寬達400MHz的分量載波，能夠實現千兆級數據速率挑戰是植被、建筑和干擾等障礙的影響會導致路徑損耗。但是，不要認為FWA只能在基站與家庭之間視線障礙較少的環境中使用。實際上，FWA在城市和郊區環境下都可以表現良好。植被和干擾確實帶來了挑戰，但是可以使用天線陣列提供高增益來克服這些問題。
6GHz以下
這類較低的頻譜有助于克服障礙物導致的問題，但是也要付出一定代價。由于只能提供100MHz的連續頻譜，因此數據速率較低。

有效使用頻率范圍（6GHz以下或毫米波）對于實現擴展部署來說至關重要。無論在何種情形中，進行選擇時都需要均衡考慮目標速率與覆蓋范圍。

使用天線陣列實現更快的數據速率

FWA系統還需要采用有源天線系統（AAS）和大規模MIMO（多路輸入/多路輸出），以便提供千兆級服務。

AAS提供了許多定向天線波束。這些波束在不到一微妙的時間內重新定向，進而實現波束成形，用于補償高頻率下的較大路徑損耗。
大規模MIMO使用由數十、數百甚至數千個天線組成的陣列，能夠同時向每位用戶傳輸單個或多個數據流。這既提升了容量和可靠性，又實現了高數據速率和低延遲。波束成形還可以減少小區間干擾并優化信號覆蓋。

全數字或混合波束成形

第三個考慮因素是采用什么類型的波束成形——全數字還是混合型。

全數字方法

在毫米波基站應用中，最顯而易見的選擇是升級當前的平臺。您可以探索用于6 GHz以下頻率的全數字波束成形大規模MIMO擴展平臺，但這并不是即插即用型解決方案

全數字方法存在以下限制：

功耗
數字波束成形需要使用許多低分辨率模數轉換器（ADC）。但是，具有高采樣頻率和標準有效位數分辨率的ADC可能產生大量功耗。

這樣的功耗會成為接收器的瓶頸。對于全數字波束成形解決方案來說，具有海量帶寬的大型AAS是一個巨大挑戰。從根本上說，功耗會限制這種設計。

在密集城市環境中需要使用二維掃描
所需的掃描范圍取決于部署場景，如下圖所示。在高密度的城市部署中，方位角（約120°）和仰角（約90°）方向都需要較寬的掃描范圍。對于郊區部署，仰角平面的固定或有限掃描范圍（<20°）可能就足夠了。郊區部署只需有限的掃描范圍或一半的有源信道，就能夠實現相同的全向性輻射功率（EIRP），從而有效降低了功耗和成本。

記?。宏嚵写笮∪Q于以下方面：

掃描范圍（方位角和仰角）
所需的EIRP

EIRP是以下幾個數值的乘積：

有源信道的數量
每個信道的傳導發射功率
波束成形增益（陣列系數）
固有天線元件增益

為了實現75dBm的目標EIRP和波束成形增益，全數字解決方案在使用當今技術的情況下將需要16個收發器。這相當于440W的總功耗。但是對于戶外被動冷卻、塔頂電子設備，當RF子系統的功耗超過300W時，熱管理就相當具有挑戰性。因此，我們需要新的技術解決方案。

高效率的GaN DohertyPA和數字預失真（DPD）相結合或可提供所需的裕度，但是這類器件在毫米波應用中的使用仍處于研發階段。不過也不需要太久，我們就能看到全數字波束成形解決方案。以下幾個方面的發展將會使它成為現實：

新一代節能的數模轉換器和模數轉換器
毫米波CMOS收發器進步
小信號集成度提高

混合方法

另一種方法是混合波束成形，其中預編碼和組合在基帶和RF前端模塊（FEM）區域中完成。由于RF鏈、模數轉換器和數模轉換器的總數量有所減少，混合波束成形既能實現與數字波束成形相似的性能，同時又可以節省能源并降低復雜度。

混合波束成形的另一個優勢是，可以同時滿足郊區部署的固定或有限掃描范圍（<20°）和高密度城市部署所需的寬方位角（約120°）和仰角（約90°）掃描范圍。

歸根結底：

全數字方法和混合方法各有利弊。我們認為，目前混合方法更具吸引力和可行性，但是在未來，即將問世的新產品可能會使全數字方法同樣具有吸引力。

PA技術選擇：SiGe還是GaN

在選擇用于FWA前端的技術時，需要考慮系統在EIRP、天線增益和噪聲系數（NF）方面的需求。這些都由波束成形增益確定，而波束成形增益則由陣列大小確定。目前，您可以選擇使用SiGe前端或GaN前端來滿足所需的系統需求。

美國聯邦通信委員會（FCC）已經規定了28GHz和39GHz頻譜的EIRP最高限值，如下表所示。

為了使用均勻矩形陣列實現75dBm EIRP，每個信道的PA功率輸出將隨著元件數量的增加（即波束成形增益的增加）而減少。如下圖所示，隨著陣列大小變得越來越大（超過 512個有源元件），每個元件的輸出功率將變得足夠小，以便使用SiGe PA，然后將SiGe PA集成至核心波束成形器RFIC中。

從下表可以看出，SiGe PA可以通過1024個有源信道實現65dBm EIRP。但是，如果前端采用GaN技術，則實現相同EIRP所需的信道數將減少到1/16。

GaN FWA前端還具備以下優點:

總功耗更低。為確保比較的準確性，GaN功耗還包括饋入前端所需的128個波束成形器分支的19.2W功耗。如下圖所示，在目標EIRP為65dBm時，GaN的總功耗（127Pdiss）低于SiGe。這對于塔頂系統設計來說較為有利。

可靠性更高：GaN比SiGe更為可靠，在200°C結溫條件下的MTTF超過107小時。而SiGe的結溫限制大約為130°C。
尺寸更小，復雜度更低：GaN的高功率能力可以減少陣列元件數量和陣列尺寸，從而簡化了裝配過程，并縮小了整個系統尺寸。

總而言之：在無線基礎設施應用中，設備壽命必須至少為10年，因此可靠性至關重要。對于FWA來說，綜合考慮可靠性、成本、低功耗和陣列尺寸后，選擇GaN比選擇SiGe更好。

從現有的RF技術中選擇

最后一個考慮因素是選擇要在實際應用中采用的產品解決方案。多家RF公司已經有意支持研發6GHz以下和厘米波/毫米波FWA基礎設施。例如，Qorvo已經在供應相關產品，用于多個第1層和第2層供應商現場試驗。在整個RF行業，FWA產品示例包括：

6GHz以下產品：雙通道開關/LNA模塊和集成式Doherty PA模塊
厘米波/毫米波：集成式發送和接收模塊

此外，在5G基礎設施領域中，還必須考慮以下幾個因素：

集成
滿足高溫條件下的被動冷卻需求

為了響應這些趨勢，Qorvo打造了用于厘米波/毫米波的集成發送和接收模塊，以及集成式GaN前端模塊。這些集成模塊包括PA、開關和LNA，并且具有高增益，能夠驅動核心波束成形器RFIC。為了滿足基礎設施的被動式冷卻規格要求，我們采用碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）來支持更高的結溫條件。

FWA時代即將到來

FWA已經開始實施，很快就能實現完全商業化。目前，我們認為混合波束成形是最佳的解決方法。此外，GaN與SiGe核心波束成形可以滿足75dBm的FCC EIRP目標和100MHz的基站目標。這種方法還可以盡可能降低成本、復雜度、尺寸和功耗。

有關Qorvo FWA解決方案的更多信息，請掃描下方的二維碼，在那里您可以找到產品詳細信息和交互式框圖。

進一步了解Qorvo產品 :

長按二維碼

本文轉載自：Qorvo半導體

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