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5G通信热度不减,射频芯片与测试企业加紧备战

作者:中国电子商情 单祥茹  来源:中国电子商情

发布时间:2017-03-07

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尽管在很多国家4G移动通信技术尚未全面部署,然而围绕5G的标准和技术之争在业界已经进入白热化,中国移动、AT&T、Verizon 、NTT DoCoMo等运营商都急于率先为客户提供下一代无线技术服务,华为、Nokia、Ericsson、Qualcomm等设备商也不惜投入巨资用于5G技术的研发。现实的表现是,在 5G 技术的竞赛中,人人都想争得先机。位于产业链基础环节的射频芯片和测试测量企业同样不会错失这一商机。

业内公认2018年5G将确立统一标准,“现阶段原型化在5G的标准推进过程中是非常重要的一个步骤,可以推动5G从概念到落地实现。”NI中国区市场开发经理姚远先生在不久前召开的第六届EEVIA年度中国ICT媒体论坛暨2017产业和技术展望研讨会上这样说道。他从SDR原型挑战入手,同时结合5G的高带宽、爆炸性万物互连测量需求以及任务关键性应用场景的极低时延Timing要求,详细阐述了5G测试趋势和最先进的平台化方案。

原型化是5G从概念到现实的关键
现阶段原型化在5G的标准过程中是非常重要的一个步骤,而怎样进行一个原型化才能让5G从概念变成现实呢?姚远先生表示,软件定义无线电SDR(Software Defined Radio)是目前进行原型化的重要手段。IEEE对SDR技术的定义是“部分或者全部物理层功能通过软件定义完成”,简易框图如下图所示。图中右侧为射频硬件部分,由于集成度、频率范围、可调带宽以及功耗等方面的局限性,一直以来是一个瓶颈。近几年,一些顶尖厂商不断推出高集成度、高频率范围和高通道带宽的标准化可编程射频收发器产品,这在很大程度上解决了这个问题。与此同时,位于图中左侧的CPU、GPP、DSP、FPGA中待开发的软件部分,其重要性愈发明显。

对许多开发者而言,在SDR系统中,利用软件代码去定义硬件前端是一个首要的挑战。因为可供选择的开发语言种类繁多且标准不一。如Matlab、C、C++、Assembly、VHDL、Verilog等开发语言都可以应用在5G、SDR等开发场景与技术构想中。开发者与科研工作者将浪费很多时间用于学习不同的开发语言与开发工具。据姚远先生介绍,目前NI已经拥有一整套完整的实现SDR原型化工具系列,包含LabVIEW在内的开发工具,可提供LTE、WiFi及物理层的一些开源源代码,开发者可在该基础上做进一步开发。


图1  NI可提供完整的无线快速原型化的革命性平台工具

高效而精准的测量为5G的实现保驾护航
无论是速率还是带宽,5G都会有质的飞跃,而高效精确的测试测量方案则是5G能够顺利落地的保证。对于科研工作者而言,如何去测试这些高频率范围、高通道带宽的信号呢?姚远先生说NI公司的矢量信号收发仪(VST)可以说是这一方面的先驱产品。早在5年前,NI第一次在中国发布了第一版的矢量信号收发仪,作为NI历史上最成功的硬件产品之一,该产品融合了RF生成器、RF分析仪、数字I/O以及可使用LabVIEW编程的Xilinx FPGA。

升级后的VST2.0将Xilinx FPGA升级为Virtex-7,具有1GHz的实时带宽,可用于高级数字预失真(DPD)检测和雷达、LTE-Advanced Pro和5G等高宽带信号的测试;用户可以进行软件自定义是其重要核心。因为NI LabVIEW FPGA模块扩展了LabVIEW系统设计软件,以便在可重配置I/O硬件上应用FPGA,NI的VST正是其中之一。尤其是当四块VST合在一起使用时,它就会成为带宽超过3.5G的超级仪器,是一个真正面向未来无线通信而设计的射频测试仪器。

现在,很多设备厂商正在开展5G通信的试验与测试,据姚远先生介绍,早在2014年Nokia就开始使用NI LabVIEW和PXI基带模块来开发实验用的5G概念验证系统。后续研发也利用NI的毫米波信号收发器系统,开发出第一代10Gbps可处理流数据的毫米波通信链路。同样是使用73GHz频段的信号,Nokia在2014年的测试展示中,通过one-by-one的单入单出架构,采用16QAM的调制方式,在1GHz的带宽中实现了2.3Gbps的峰值速率。而在2015年和2016年的实验中,通过MIMO的二乘二架构,或采用更复杂的64QAM调制方式,分别实现了10Gbps和14.5Gbps的峰值速率。单论峰值速率这一点,已经达到了5G的标准。

全新融合方案突破PC2用户终端技术瓶颈
谈到5G的实现,用户终端(UE)是一个绕不开的话题。论坛期间,Qorvo中国区移动产品销售总监江雄还着重介绍了手机射频新技术PC2(UE Power Class 2)。该技术在2015年第14届GTI工作会议上被提出,2016年开始有关于PowerClass2的技术实现讨论并由Sprint、CMCC和Softbank推荐。预计2018年将会有商用。对于4G手机这类与基站交互数据的移动设备,3GPP 仅规范了一种功率等级,即 Power class 3,将上行链路的最大发射功率限制在 23 dBm±2 的水平(23dBm可换算成200mW)。换句话说,目前我们身边的4G手机,其发射功率都不会超过 23 dBm±2。

随着无线网络的发展,PC3的局限性越发明显。解决办法通常以提高基站密度为代价,这就变相增加了网络建设与维护成本。PC2 在节省网络建设成本、降低系统总体能耗的同时,还能提高用户体验,尤其是蜂窝小区边缘用户。不过在PC2商用化过程中,仍有许多技术挑战。根据标准定义,PC2在PC3的基础上,UE的最大输出功率需提高3 dB至26 dBm±2的水平(23dBm可换算成200mW,26dBm可换算成400mW),这几乎使UE的最大输出功率翻倍。江雄表示:“PC2的这3dB其实不好做。它不单止是PA的问题,还涉及到整个链路、线性度、效率、插损、匹配等一系列问题都需要通盘考虑。”

传统分离方案搭建的射频链路,要把PA、滤波器、开关等器件组合到一起,期间进行的阻抗匹配将产生能量损耗,这些损耗让功率没法进一步提高。而Qorvo高集成的融合方案可以省去多余的匹配,直接将PA与滤波器相匹配、滤波器与射频开关相匹配,从而减少能量损耗。江雄表示:“以Qorvo的融合产品为例,大约可以节省0.5dB因匹配产生的损耗,所以要提高功率,融合方案比分离方案有很大优势。”


图2  Qorvo的B41频段PC2解决方案

Qorvo的融合方案历经几代产品,从最开始支持单载波、B41窄带的,发展到支持双载波、B41宽带的,再到新一代支持PC2的产品,集成度越来越高、性能越来越好。目前Qorvo针对PC2的融合方案还在优化,已有数家手机厂商在进行评估工作,其中QM75004支持多种平台芯片,QM78065/35 是为特定的天线结构设计,新一代产品则会集成LNA,来应对更为复杂的天线设计和弥补天线能力的不足。

现在,PC2的标准研究工作已经完成,若部署PC2,将大幅改善4G LTE网络的上行覆盖范围,提高小区边缘的总体性能,并节省运营商网络建设成本。未来两年,国内外涉及到B41频段的运营商均会积极推动PC2的商用化,而Qorvo则凭借独有的HBT生产工艺、优势极大的融合方案、以及低温漂的高级BAW滤波器,已为即将到来的PC2时代做足准备。尽管有关5G的通信标准仍在讨论和制定之中,基于BAW滤波器在高频段的表现,在毫米波通信中一定会有更多的应用。
 

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