5G 5G NR 小基站 小型基地台 Qorvo RF

工業/物聯網服務驅動需求 5G小基站RF前端設計有訣竅

2019-11-05
小型基地台的作用會隨著通訊世代演進。本文將說明有關最新小型基地台環境趨勢的實用見解,以及有關如何克服使用5G將可能帶來的RF挑戰。
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2019年小型基地台市場更新

小型基地台部署已轉向大規模密集化,可提高跨多個位置的營運商網路容量,並因應不斷增加的消費者和企業行動寬頻需求。由於有效滿足所有5G使用案例所需的小型基地台部署數目龐大,因此5G使基地台密集化挑戰變得更加嚴峻。

在小型基地台論壇市場更新中,要求78家全球行動電信業者列出其密集化的所有原因,發現最重要的因素與容量和成本增加有關:

・40%的營運商認為首要原因是用來支援增強體驗品質的密集容量,因為這會影響流失率降低和客戶滿意度。

・38%的營運商表示,投資小型基地台的原因是能夠降低總容量成本。

行動網路業者(MNO)希望支援更高的數據使用量,並且滿足客戶對高品質體驗不斷增加的期望。因此,行動網路業者必須服務多個市場且同時獲利,而小型基地台密集化正好有助於實現此目標,且可將成本控制在可管理範圍內。

根據小型基地台論壇預測,到2025年,小型基地台部署和升級將達到1,025萬台無線電,其中840萬為非住宅部署。而企業部署位居首位,達550萬台,其次為城市部署(圖1)。

圖1 小型基地台部署和升級狀況
資料來源:小型基地台論壇

2017年至2019年的40%年增率成長可歸因於中國市場的容量密集化。在2020年以後,由於企業使用案例(即工業自動化、物聯網、裝運港等)數量眾多,市場將保持20%的穩定成長率。雖然北美的小型基地台密集化一直很緩慢,但未來民用頻段無線電服務(CBRS 3.5GHz)的部署將有望增加。

大多數非住宅室內小型基地台在支援私人企業活動的企業環境中是對外公開的。室外小型基地台將為城市、郊區或鄉村環境中的MNO公用網路提供服務(圖2)。大多數室內小型基地台由2.4GHz以下的頻率驅動,而中國市場則推動室外小型基地台的成長。在5G時代,大部分的小型基地台市場成長將與工業和物聯網服務有關。

圖2 新小型基地台於室內室外的部署情況預測
資料來源:小型基地台論壇

適用於5G網路的小型基地台

小型基地台的目的是藉由增強網路容量並擴大覆蓋範圍,以減輕大型基地台的負載。小型基地台僅限用於密集區域和室內(即體育館、購物中心等),這些地方的大型訊號穿透能力不足。為此,小型基地台在用於4G LTE覆蓋範圍和容量增強方面一直很受歡迎。

如今,隨著市場轉向5G,將打開一個全新的頻譜,在2.6~5GHz範圍內提供超過100MHz的連續頻寬,此額外頻譜將支援高資料傳輸速率和新市場機會。此外,高階多輸入多輸出(MIMO)是標準大型架構,可實現更高的傳輸量和資料傳輸速率。在提高5G容量和擴大室內覆蓋範圍方面,小型基地台將繼續發揮重要的作用。

過去,小型基地台一直採用兩路發射/兩路接收(2T/2R)MIMO配置部署,而5G時代,該架構將擴展至4T/4R以提高傳輸量。這些小型基地台與使用大規模MIMO的5G大型基地台連接,從而在32T/32R和64T/64R配置中利用主動天線系統(AAS)。這可藉由在使用者覆蓋範圍和容量之間實現最佳平衡,以使營運商的頻譜效率(每Hz位元數)發揮最大效能。

自從4G LTE-A PRO和5G標準發布以來,大規模MIMO就一直是網路不可或缺的一部分(圖3)。在5G時代,電信商將以比前幾代更快的速率部署小型基地台,因為密集化是首要任務。

圖3 大規模MIMO和小型基地台異質整合
資料來源:Qorvo

如圖3所示,由於大規模MIMO和小型基地台整合,使用LTE-A的網路容量大幅提升。而有了5G,容量更進一步增加。波束成形和先進天線陣列架構也有助於減少共用基地台的干擾。這種新的架構設計透過小型基地台增加頻寬,使能量更加集中、減少干擾,並提升容量。

RF前端設計挑戰和解決方案

典型小型基地台包括授權行動網路和LTE未授權(LTE-U)頻段的無線電。此外,網路邊緣的小型基地台中也在推動物聯網實作,可用於家庭、企業和車用通訊。那麼,製造商和供應商在開發小型基地台系統時面臨哪些挑戰?低資本支出、產品差異化、一流的效能和快速上市時間是製造商面臨的一些主要挑戰。另外,還需要在增加頻譜和密集化之間做出最重要的權衡決定,以提升容量。圖4顯示如何使用各種RF前端解決方案因應設計挑戰的高階視圖。

圖4 小型基地台的設計挑戰與RF前端解決方案
資料來源:Qorvo

第一個要面對的課題是頻段數增加,就像行動裝置越來越複雜一樣,小型基地台也必須變得更具多面向。目前頻段數也已增加,達到52個。使用的頻段移動至3GHz以上,且具有n77、n78和n79等新的5G NR頻段。在小型基地台中加入額外的頻段以及採用4T4R MIMO無線電配置有助於實現載波聚合(CA),以進一步提高網路容量和資料速度。大量RF前端元件從一個來源提供多頻段解決方案是最佳方案,這可以縮短小型基地台製造商的設計時間和減少供應商認證。

第二點則是,更大頻寬要求。如前所述,容量擴展需要更多的頻譜。無線電容量必須增加,才能達到5G的高資料傳輸速率期望。要滿足5G的無線電容量,小型基地台前端將需要使用寬頻寬放大,因為窄頻段裝置再也不能滿足需要。RF產品組合同時涵蓋LTE-A PRO和5G頻段至關重要,因為它會為小型基地台製造商提供設計和最小庫存單位(SKU)彈性。此外,提供更寬的頻寬RF元件有助於以更少的離散元件滿足增加的頻寬要求,從而縮短設計時間和上市時間。

接著要面對的挑戰是頻段和標準的共存,營運商必須滿足4G LTE、5G和未授權頻段的容量和資料傳輸速率要求。小型基地台製造商必須設計能夠減少所有這些頻段和標準(即LTE、5G、Wi-Fi等)之間干擾的設備。小型基地台設備內部和設備周圍可能發生這些干擾。使用BAW濾波器是減少干擾的最佳防禦措施,因為這些濾波器尺寸小,可提供陡峭頻帶邊緣裙部,並可滿足高功率要求而不會損壞。

另外還有輸出功率持續增加的問題。最近,平均PA輸出功率位準有提高的趨勢。小型基地台製造商正在請求更高的RF PA輸出功率位準,以增加設計彈性。這有助於他們將設計擴展到需要更大覆蓋範圍和容量的不同市場區隔。但是,對於PA設計人員來說,此要求確實增加複雜度,他們需要在增加PA輸出功率的同時,維持較高的線性度和效率。最近,PA輸出功率要求約增加了3dB。增加的功率位準限值也增加帶外失真的可能性,使得製造商很難滿足頻譜發射遮蔽要求。尋找提供可滿足這些高功率要求的PA產品的RF廠商有助於縮短設計時間,並可減少RF鏈中的元件。

PA可最有效接近飽和,但是如圖5所示,PA接近飽和可產生帶外失真元件。使用一種稱為數位預失真(DPD)的設計技術,PA可運行到更接近飽和的狀態,並將帶外失真減至最小。DPD是一種使用數位訊號處理技術來消除失真的軟體設計方法。採用該方法可對PA進行最佳設計,以降低功耗但達到類似的輸出功率,同時仍維持與線性PA一樣的所需頻譜遮蔽要求。這種技術已運用多年,並廣泛用於無線基礎設施應用。許多RF元件供應商既提供DPD元件,也提供非DPD元件,讓小型基地台製造商擁有設計和SKU彈性。

圖5 數位預失真技術可使PA運行到更接近飽和的狀態
資料來源:Qorvo

尺寸、重量和功耗(SWaP)需要更高效的裝置。隨著小型基地台的部署(即在燈柱、城市長椅、人孔蓋下等),需要更小、效率更高的元件。如上所述,控制失真和保持線性度最佳化有助於獲得更高的輸出功率並實現SWaP。

一般來說,小型基地台製造商需要RF PA具有最小35%的功率附加效率(PAE),因為該效率可提供低功耗和低營運成本。設備尺寸取決於最終使用者放置的位置,如公園長椅或路標。要滿足客戶對外形尺寸的期望,RF元件製造商必須建立更具線性和功耗的裝置。只有這樣,才能滿足尺寸限制、功率輸出和較低功耗的要求。

共同打造未來

小型基地台的演變有諸多驅動因素,包括5G密集化部署。小型基地台變得更具多面向,整合更多頻段、頻寬、更高的線性度和效率,有助於MNO滿足迫切的投資報酬率需求。Qorvo透過提供PA、LNA、濾波器、雙工器、開關和前端模組的廣泛產品組合,在此發展過程中,為小型基地台供應鏈設計人員和營運商提供支援。圖6與表1是RF前端元件清單以及FDD和TDD小型基地台應用的方塊圖。

圖6 小型基地台FDD和TDD方塊圖
資料來源:Qorvo
表1 小型基地台FDD和TDD之RF前端元件

(本文作者為Qorvo網路基礎設施產品線經理)

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