设计固定无线接入 (FWA) 系统时需要考虑的 5 个因素_专栏

5G 最早的用途之一会是固定无线接入 (FWA) ，后者能够提供千兆级网速。向家庭、公寓或企业提供 FWA 所花费的时间和成本仅是传统电缆/光纤安装的一小部分。就像任何其他技术进步一样，FWA 带来了新的设计难题，让人们需要做出新的技术决策。下面我们将深入探讨在设计 FWA 系统时需要考虑的五个因素:

· 频谱选择:毫米波 (mmWave) 或 6 GHz 以下
· 使用天线阵列实现更快的数据速率
· 全数字或混合波束成形
· 功率放大器 (PA) 技术选择:硅锗 (SiGe) 或氮化镓 (GaN)
· 从现有的 RF 前端 (RFFE) 产品组合中选择组件

1.频谱选择：毫米波还是 6 GHz 以下

第一个要做出的决策是 FWA 使用毫米波还是 6 GHz 以下频率:

· 毫米波。这类较高的频率能够以低成本提供大量的连续频谱。毫米波支持宽达 400MHz 的分量载波，能够实现千兆级数据速率。其中的挑战是植被、建筑和干扰等障碍的影响会导致路径损耗。但是，不要认为 FWA 只能在基站与家庭之间视线障碍较少的环境中使用。实际上，FWA 在城市和郊区环境下都可以表现良好。植被和干扰确实带来了挑战，但是可以使用天线阵列提供高增益来克服这些问题。

· 6 GHz 以下。这类较低的频谱有助于克服障碍物导致的问题，但是也要付出一定代价。由于只能提供 100MHz的连续频谱，因此数据速率较低。

有效使用频率范围(6 GHz 以下或毫米波)对于实现扩展部署来说至关重要。无论在何种情形中，进行选择时都需要均衡考虑目标速率与覆盖范围。

2.使用天线阵列实现更快的数据速率

FWA 系统还需要采用有源天线系统 (AAS) 和大规模 MIMO(多路输入/多路输出)，以便提供千兆级服务。

· AAS 提供了许多定向天线波束。这些波束在不到一微妙的时间内重新定向，进而实现波束成形，用于补偿高频率下的较大路径损耗。

· 大规模 MIMO 使用由数十、数百甚至数千个天线组成的阵列，能够同时向每位用户传输单个或多个数据流。这既提升了容量和可靠性，又实现了高数据速率和低延迟。波束成形还可以减少小区间干扰并优化信号覆盖。

3.全数字或混合波束成形

三个考虑因素是采用什么类型的波束成形——全数字还是混合型。

全数字方法

在毫米波基站应用中，最显而易见的选择是升级当前的平台。您可以探索用于 6 GHz 以下频率的全数字波束成形大规模 MIMO 扩展平台，但这并不是即插即用型解决方案。

全数字方法存在以下限制：

· 功耗。数字波束成形需要使用许多低分辨率模数转换器(ADC)。但是，具有高采样频率和标准有效位数分辨率的 ADC 可能产生大量功耗。

这样的功耗会成为接收器的瓶颈。对于全数字波束成形解决方案来说，具有海量带宽的大型 AAS 是一个巨大挑战。从根本上说，功耗会限制这种设计。

· 在密集城市环境中需要使用二维扫描。所需的扫描范围取决于部署场景，如下图所示。在高密度的城市部署中，方位角(约 120°)和仰角(约 90°)方向都需要较宽的扫描范围。对于郊区部署，仰角平面的固定或有限扫描范围 (< 20°) 可能就足够了。郊区部署只需有限的扫描范围或一半的有源信道，就能够实现相同的全向性辐射功率 (EIRP)，从而有效降低了功耗和成本。

记住：阵列大小取决于以下方面：

· 扫描范围(方位角和仰角)
· 所需的 EIRP

EIRP 是以下几个数值的乘积：

· 有源信道的数量
· 每个信道的传导发射功率
· 波束成形增益(阵列系数)
· 固有天线元件增益

为了实现 75dBm 的目标 EIRP 和波束成形增益，全数字解决方案在使用当今技术的情况下将需要 16 个收发器。这相当于 440W 的总功耗。但是对于户外被动冷却、塔顶电子设备，当 RF 子系统的功耗超过 300W 时，热管理就相当具有挑战性。因此，我们需要新的技术解决方案。

高效率的 GaN Doherty PA 和数字预失真 (DPD) 相结合或可提供所需的裕度，但是这类器件在毫米波应用中的使用仍处于研发阶段。不过也不需要太久，我们就能看到全数字波束成形解决方案。以下几个方面的发展将会使它成为现实：

· 新一代节能的数模转换器和模数转换器
· 毫米波 CMOS 收发器进步
· 小信号集成度提高

混合方法

另一种方法是混合波束成形，其中预编码和组合在基带和 RF 前端模块 (FEM) 区域中完成。由于 RF 链、模数转换器和数模转换器的总数量有所减少，混合波束成形既能实现与数字波束成形相似的性能，同时又可以节省能源并降低复杂度。

混合波束成形的另一个优势是，可以同时满足郊区部署的固定或有限扫描范围 (< 20°) 和高密度城市部署所需的宽方位角 (约 120°) 和仰角 (约 90°) 扫描范围。

归根结底：全数字方法和混合方法各有利弊。我们认为，目前混合方法更具吸引力和可行性，但是在未来，即将问世的新产品可能会使全数字方法同样具有吸引力。

4.PA 技术选择：SiGe 还是 GaN

在选择用于 FWA 前端的技术时，需要考虑系统在 EIRP、天线增益和噪声系数 (NF) 方面的需求。这些都由波束成形增益确定，而波束成形增益则由阵列大小确定。目前，您可以选择使用 SiGe 前端或 GaN 前端来满足所需的系统需求。

美国联邦通信委员会 (FCC) 已经规定了 28GHz 和 39GHz 频谱的 EIRP 最高限值，如下表所示。

为了使用均匀矩形阵列实现 75dBm EIRP，每个信道的 PA 功率输出将随着元件数量的增加(即波束成形增益的增加)而减少。如下图所示，随着阵列大小变得越来越大(超过 512 个有源元件)，每个元件的输出功率将变得足够小，以便使用 SiGe PA，然后 SiGe PA 集成至核心波束成形器 RFIC 中。

从下表可以看出，SiGe PA 可以通过 1024 个有源信道实现 65dBm EIRP。但是，如果前端采用 GaN 技术，则实现相同 EIRP 所需的信道数减少到 1/16。

GaN FWA 前端还具备以下优点:

· 总功耗更低。为确保比较的准确性，GaN 功耗还包括馈入前端所需的 128 个波束成形器分支的 19.2W 功耗。如下图所示，在目标 EIRP 为 65dBm 时，GaN 的总功耗 (127Pdiss) 低于 SiGe。这对于塔顶系统设计来说较为有利。

· 可靠性更高。GaN 比 SiGe 更为可靠，在 200°C 结温条件下的 MTTF 超过 107 小时。而 SiGe 的结温限制大约为 130°C。

· 尺寸更小，复杂度更低。GaN 的高功率能力可以减少阵列元件数量和阵列尺寸，从而简化了装配过程，并缩小了整个系统尺寸。

总而言之:在无线基础设施应用中，设备寿命必须至少为 10 年，因此可靠性至关重要。对于 FWA 来说，综合考虑可靠性、成本、低功耗和阵列尺寸后，选择 GaN 比选择 SiGe 更好。

5.从现有的 RF 技术中选择

最后一个考虑因素是选择实际应用中正在使用的产品解决方案。多家 RF 公司已经有意支持研发 6 GHz 以下和厘米波/毫米波 FWA 基础设施。例如，Qorvo 已经在供应相关产品，用于多个第 1 层和第 2 层供应商现场试验。在整个 RF 行业，FWA 产品示例包括:

· 6 GHz 以下产品:双通道开关/LNA 模块和集成式 Doherty PA 模块
· 厘米波/毫米波:集成式发送和接收模块

此外，在 5G 基础设施领域中，还必须考虑以下几个因素:

· 集成
· 满足高温条件下的被动冷却需求

为了响应这些趋势，Qorvo 已经打造了用于厘米波/毫米波的集成发送和接收模块，以及集成式 GaN 前端模块。这些集成模块包括 PA、开关和 LNA，并且具有高增益，能够驱动核心波束成形器 RFIC。为了满足基础设施的被动式冷却规格要求，我们采用碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 来支持更高的结温条件。

Qorvo FWA 解决方案：6GHz 以下大规模 MIMO GaN前端