莱卡-5G基站为啥比4G多这么多?数量已打破五百万



在 5G 战火纷飞之际,无论是根底运营商、芯片商仍是手机厂商,均以排兵布阵预备好久,只为等候“万箭齐发”的最佳时机。且一起,为了加速商用的脚步,本月初,工业和信息化部正式向我国电信、我国移动、我国联通、我国广电颁发了 4 张 5G 商用车牌。

不过,5G 的开展并没有幻想中那么快,工信和信息化部信息通讯开展司司长闻库也曾表明,“5G 全面商用还需耐性等候。网络建造从无到有需求过长,建得好不是 5G 的意图,用的好才是 5G 真实的意图。”

此前,我国提出的是 2017 年打开 5G 网络第二阶段测验,2018 年大莱卡-5G基站为啥比4G多这么多?数量已打破五百万规模实验组网,并在此根底上于 2019 年发动 5G 网络建造,最快 2020 年正式推出商用服务。现在看来,我国的各项建造均在有条有理的进行中。但在此建造过程中,咱们也发现,比较 4G,5G 所需建造的基站数量远超乎咱们幻想。在这一点上,据悉,作为世界上第一个注册 5G 商用的国家,韩国将于今年内共建造 23 万座 5G 基站;德国计划在 2021 年建造 40000 个 5G 基站;横纵比照,国内 5G 基站的根本数量已抵达 581.4 万,远超过 4G 基站数量。

对此,咱们不由提问,以大容量、低延时、高带宽为特性的 5G,为何需求树立如此巨大数量的基站?这其间的缘由又是为何?接下来,咱们将从爱立信5G 专家、3GPP 5G NR 规范推进及制定者精心编撰的《5G NR规范:下一代无线通讯技能》一书中探寻到 5G 关键技能毫米波的相关奥妙。



毫米波射频技能

毫米波通讯引进了更大的带宽,而更大的带宽就会对数字域和模仿域之间的转化建议更高的应战。业界广泛运用依据信号噪声失真比(Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio,SNDR)的Schreier质量因数(Schreier Figure-of-Merit,Schreier FoM)作为模数转化器的衡量,拜见:



这儿, SNDR的单位是dB,功耗P的单位是W,以及奈奎斯特抽样频率fs的单位是Hz。图19-1研讨成果展现了很多商业ADC的Schreier质量因数和对应奈奎斯特抽样频率(对绝大多数ADC便是2倍的带宽)的联系。图中的虚线标明晰FoM的包络,在100MHz的抽样频率以下根本上安稳在180dB。关于安稳的质量因数,SNDR每添加3dB或许带宽添加一倍,都会导致功耗翻倍。对100MHz以上的抽样频率,会有一个额定的10dB/decade的丢失,意味着带宽添加一倍,功耗是原先的4倍。



图19-1 ADC的Schreier质量因数

虽然跟着集成电路技能的持续开展,未来的高频ADC质量因数包络会缓慢地推高。可是带宽在GHz规模的ADC仍然无法防止功率功率低下的问题。NR毫米波引进的大带宽以及天线阵列装备都会引进很大的ADC功耗。因而对基站和终端都需求考虑怎么下降SNDR的要求。

在相同的精度和速度要求下DAC比较ADC较为简略。并且ADC一般会引进循环处理而DAC不会。因而DAC在研讨范畴的重视度较低。虽然DAC结构和ADC有很大不同,DAC也能够用质量因数来描绘。类似于ADC的状况,大带宽和对发射机的不必要的严苛的SNDR要求,会导致更高的DAC功耗。



本振和相位噪声


本振(Local Oscillator,LO)是现代通讯体系一个必不可少的组成部分。一个描绘本振功能的参数是相位噪声。简略地说,相位噪声便是本振发生信号在频域上的安稳程度的衡量。相位噪声的界说是在一个给定频率偏移f处的dBc/Hz值,描绘的是本振发生信号和希望频率之间误差f的可能性。

本振的相位噪声会明显影响体系功能。如图19-2所示,以单载莱卡-5G基站为啥比4G多这么多?数量已打破五百万波为例,在加入了加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)建模的热噪声之后,比较了有相位噪声和没有相位噪声两种状况下的16QAM星座图。对一个给定的符号错误率门限,相位噪声会约束最高的调制阶数,如图19-2所示。换句话说,不同的调制阶数会对本振的相位噪声提出不同的要求。



图19-2 有相位噪声(右)和无相位噪声(左)的单载波16QAM信号




自在振荡器和锁相环的相位噪声特性


生成频率最常用的电路是压控振荡器(Voltage-Controlled Oscillator,VCO)。图19-3经过一个模型来建模自在振荡的VCO对不同频率偏移的特性。



图19-3 一个典型的自在振荡VCO 相位噪声特性[57]:相位噪声dBc/Hz(Y 轴)和频率偏移Hz(X 轴,对数)

这儿f0是振荡器频率,f是频率偏移,PS是信号强度,Q是谐振器的加载质量因子,F是经历拟合参数(对应的物理含义是噪声系数),而f1/f3有源设备1/f噪声的拐点频率。

依据图19-3所示公式,能够得出:

  1. 振荡器频率f0加倍,则相位噪声添加6dB。
  2. 相位噪声和信号强度Ps成反比。
  3. 相位噪声和谐振器加载质量因子Q的平方成反比。
  4. 1/f噪声上变频进步了接近载波频点方位的相位噪声(即:小频率偏移)。

因而在规划VCO的时可乐鸡腿的做法分,需求平衡几个相关参数。为了比较不同半导体技能和电路拓扑下VCO的功能,往往运用质量因数(考虑了功耗的影响)来进行公正的比较:



其间是PNvco(f)VCO的相位噪声,单位为dBc/Hz;是功耗,单位为W。这个公式值得注意的一点是相位噪声和功耗(线性值)都与f20成正比。因而为了坚持必定的相位噪声,添加频率N倍则意味着功耗需求添加N2倍(假定质量因数必定)。

一个一般的按捺相位噪声的做法是运用锁相环(Phase Locked Loop,PLL)。根本结构包括VCO、分频器(frequency divider)、相位检测器(phase detector)、环路滤波器(loop filter)和一个高安稳性低频参阅源(比方晶振)。锁相环输出的相位噪声来历包括:

  • 在环路滤波器带宽之外的VCO相位噪声部分。
  • 环路之内的参阅振荡器发生的相位噪声。
  • 相位检测器和分频器的相位噪声。



图19-4 运用锁相环的倍频至28GHz的VCO的本振相位噪声丈量(Ericsson AB,经答应运用)

图19-4供给了一个典型的毫米波本振的特性,显现莱卡-5G基站为啥比4G多这么多?数量已打破五百万了一个28GHz本振相位噪声的丈量成果。该本振在低频运用了锁相环然后倍频到28GHz。能够调查到有4个不同特色的区间:

  1. f1小频率偏移<10kHz。大致依照30dB/decade的速率下降,首要来自1/f噪声上变频。
  2. f2频率偏移在锁相环带宽之内。相对平整并包括多种噪声来历。
  3. f3频率偏移大于锁相环带宽。大致依照20dB/decade的速率下降,首要来自VCO相位噪声。
  4. f4更大的频率偏移>10MHz。平整,首要来自底噪。




毫米波信号生成的应战


当振荡器频率从3GHz进步到30GHz,相位噪声也会随之进步。对特定频率偏移,相位噪声会恶化20dB数量级。这显然会约束毫米波可用调制形式的最高阶,莱卡-5G基站为啥比4G多这么多?数量已打破五百万终究约束毫米波的最高频谱功率。

毫米波本振相同受限于质量因子Q和信号强度Ps。Lesson方程指出,为了取得较低的相位噪声,有必要进步质量因子Q和信号强度Ps,一起下降有源器材的噪声系数。不幸的是,当本振频率进步的时分,上述三个方面往往朝着欠好的方向改变:

  • 单片压控振荡器(monolithic VCO),振荡器的质量因子Q会跟着频率添加而快速下降。首要的原因是:(1)寄生损耗(parasitic loss)添加,比方金属损耗(metal loss)或衬底损耗(substrate loss)添加。(2)变容二极管Q下降。
  • 信号强度受限。这首要由于高频操作需求愈加先进的半导体设备,其击穿电压也会跟着尺度的下降而下降。这些要素的影响在19.3节里介绍的功放部分也能调查到,功放也会跟着频率的添加而导致功放才能的下降(-20dB/decade)。

依据这些原因,在完成毫米波本振的时分,一般都是运用一个相对低频的锁相环然后倍频到方针频点上。

除了上述的应战,1/f噪声上变频也进步了接近载波相位噪声。当然1/f噪声和完成技能十分相关,比较于笔直双极器材(vertical bipolar device)如双极和HBT,一些平面器材比方CMOS和高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)会发生更高的1/f噪声。

为了彻底集成MMIC/RFIC VCO和锁相环,能够选用各种技能(从CMOS和BiCMOS到III-V族资料)。可是由于较低的1莱卡-5G基站为啥比4G多这么多?数量已打破五百万/f噪声和较高的击穿电压,一般InGaP HBT是最为常用的。虽然有较为严峻的1/f噪声,少量状况下也会选用pHEMT设备。一些计划运用GaN FET结构,虽然能够取得很高的击穿电压,可是1/f噪声乃至会比GaAS FET器材设备还要高。图19-5总结了不同的半导体技能,在100kHz频偏规模内相位噪声功能和振荡器频率的联系。



图19-5 不同的半导体技能下相位噪声功能和振荡器频率的联系

最近的研讨成果提醒了本振噪底对体系功能的影响。在符号速率比较低的状况下噪底对体系影响不大。可是当符号速率进步之后,比方5G NR,平整噪底开端对调制后的信号EVM发生影响。如图19-6所示为不同的符号速率和不同的噪底水平下丈量发射信号的EVM成果。这类调查意味着为宽带通讯进行毫米波本振体系规划的时分,需求额定重视技能的挑选、VCO拓扑和倍频系数,以期得到合理的较低相位噪声的噪底。



图19-6 经过对7.5GHz上发射64QAM信号丈量得到符号速率和本振噪底的联系