设计固定无线接入 （FWA）系统时需要考虑的 5.个因素
2018年 5.月 30日
5克最早的用途之一会是固定无线接入(澳洲公平工作委员会)，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（毫米波）或6 GHz以下
- 使用天线阵列实现更快的数据速率
- 全数字或混合波束形成
- 功率放大器(PA)技术选择：硅锗（西格）或氮化镓（甘）
- 从现有的射频前端（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400兆赫的分量载波，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 100兆赫的连续频谱，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（原子吸收光谱法）和大规模多输入多输出（多路输入/多路输出），以便提供千兆级服务。
- 原子吸收光谱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，进而实现波束形成，用于补偿高频率下的较大路径损耗。
- 大规模多输入多输出使用由数十、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。波束形成还可以减少小区间干扰并优化信号覆盖。
进一步了解原子吸收光谱和多输入多输出：载波网络将如何实现5克
#3:全数字或混合波束形成
第三个考虑因素是采用什么类型的波束形成——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形成大规模多输入多输出扩展平台，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。数字波束形成需要使用许多低分辨率模数转换器（艺发局）。但是，具有高采样频率和标准有效位数分辨率的模数转换器可能产生大量功耗。这样的功耗会成为接收器的瓶颈。对于全数字波束形成解决方案来说，具有海量带宽的大型原子吸收光谱是一个巨大挑战。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(附近)，从而有效降低了功耗和成本。
为了实现75年dBm的目标EIRP和波束形成增益，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440 W的总功耗。但是对于户外被动冷却、塔顶电子设备，当射频子系统的功耗超过300瓦时，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。
高效率的甘多尔蒂巴和数字预失真（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形成解决方案。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
- 毫米波互补金属氧化物半导体收发器进步
- 小信号集成度提高
混合方法
另一种方法是混合波束形成，其中预编码和组合在基带和射频前端模块（有限元法）区域中完成。由于射频链、模数转换器和数模转换器的总数量有所减少，混合波束形成既能实现与数字波束形成相似的性能，同时又可以节省能源并降低复杂度。
混合波束形成的另一个优势是，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。
总的来说：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:帕技术选择：西格还是氮化镓
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。这些都由波束形成增益确定，而波束形成增益则由阵列大小确定。目前，您可以选择使用西格前端或氮化镓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28 GHz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75年dBm附近，每个信道的帕功率输出将随着元件数量的增加（即波束形成增益的增加）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，以便使用西格帕，然后西格帕集成至核心波束形成器射频集成电路中。
从下表可以看出，西格帕可以通过1024个有源信道实现65 dBm EIRP。但是，如果前端采用氮化镓技术，则实现相同EIRP所需的信道数减少到1/16。
氮化镓澳洲公平工作委员会前端还具备以下优点：
- 总功耗更低。为确保比较的准确性，氮化镓功耗还包括馈入前端所需的128个波束形成器分支的19.2W功耗。如下图所示，在目标EIRP为65dBm时，氮化镓的总功耗(127 Pdiss)低于西格。这对于塔顶系统设计来说较为有利。
- 可靠性更高。氮化镓比西格更为可靠，在200°C结温条件下的MTTF超过107小时。而西格的结温限制大约为130°C。
- 尺寸更小，复杂度更低。氮化镓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，选择氮化镓比选择西格更好。
#5:从现有的射频技术中选择
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。多家射频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。在整个射频行业，FWA产品示例包括：
- 6 GHz以下频率产品：双通道开关/LNA模块和集成式多尔蒂宾夕法尼亚州模块
- 厘米波/毫米波：集成式发送/接收模块
此外，在5克基础设施领域中，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，以及集成式氮化镓前端模块。这些集成模块包括帕、开关和采用多次，并且具有高增益，能够驱动核心波束形成器射频集成电路。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（SiC上的GaN）来支持更高的结温条件。
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