作者 / 王瑩 王金旺 《電子產品世界》編輯(北京 100036)

摘要： 5G發展日新月異，目前已具備可實現的目標和可實施的標準，通信行業將要開始5G部署工作。與此同時，業內會面臨許多技術及測試測量方面的挑戰。為此，本媒體邀請部分5G從業廠商，探討5G最新技術進展及解決方案。

5G芯片及IP

5G MIMO系統能力將持續提升

　　目前，5G行業的焦點在于增強移動寬帶，向更高網絡容量和更高吞吐量發展。增加蜂窩基站容量可通過三大措施實現：獲得新頻譜、提高基站密度和改善頻譜效率。雖然我們看到新頻譜繼續增加，網絡密度不斷提高，但仍然需要改善頻譜的使用。大規模MIMO已被證實能夠使移動數據吞吐量提高3至5倍，并且還將繼續提高。目前全球許多移動運營商已開展5G大規模MIMO試驗，預計在2019年至2020年，各個地區將開始該技術的商業部署。

　　5G的部署無論是對小蜂窩系統還是大規模MIMO系統都面臨功耗、尺寸和重量等多方面的挑戰。例如在小蜂窩系統中過去的單頻段到現在需要支持三四個頻段，在大規模MIMO系統中將從普通8T8R TDD RRU(射頻拉遠單元，8個發射器，8個接收器)擴展為64 T64R系統或128T128R系統，系統尺寸、重量和功耗都可能成倍增長。

　　ADI 5G產品策略及解決方案

　　ADI在2014年收購了訊泰(Hittite)這家微波技術企業后，射頻微波技術獲得了更大的加強，產品組合覆蓋從DC至100 GHz的頻率范圍的整個信號鏈，針對通信、測試與測量儀器儀表、工業以及航空航天市場應用，ADI提供了完整的信號鏈解決方案。此外，ADI收購linear后能夠對整個通信系統提供全套的高性能電源解決方案。

　　為幫助客戶克服未來通信技術面臨的挑戰，ADI打造了RadioVerseTM無線技術及設計生態系統。在RadioVerse的設計環境里面的軟件、仿真器可以很好地幫助客戶在整個一站式服務中更快地完成系統設計。

　　RadioVerse生態系統提供的器件組合能幫助企業快速完成5G產品開發。例如AD9371集成收發器就將集成度突破性地大幅提高，把將近20個芯片等外圍的分立器件集成到單個芯片中，成功地把整個系統的面積縮小近一半，而且把信號鏈的功耗降低一半，可以在5G小蜂窩中發揮很大的作用。另外一款器件——AD9375是ADI 2017年發布的集成數字預失真(DPD)的高度集成寬帶射頻收發器，可以很大程度上減少系統功放的功耗，并減少和前面數字處理器的很多高速串行接口的功耗。

硅基氮化鎵為5G帶來更高效的方案

　　5G的出現促使人們重新思考從半導體到基站系統架構，再到網絡拓撲的無線基礎設施。在半導體層面上，硅基氮化鎵的主流商業化為顯著提高射頻性能敞開了大門，其中包括增加功率放大器的功率密度，以及縮小器件尺寸，并最終節省系統空間。此外，與傳統技術相比，硅基氮化鎵可以提供更高的效率，從而降低整體功耗。在硅片生產平臺上實現氮化鎵可以在批量生產水平上達到與LDMOS相當的經濟實惠的成本結構，并且在某些射頻市場上低于碳化硅基氮化鎵的成本結構。與此同時，氮化鎵的用例已經擴展到面向宏基站等大功率射頻應用的分立式晶體管。氮化鎵作為獨立MMIC(單片微波集成電路)器件時發揮著關鍵作用，同時也是5G和M-MIMO系統模塊的關鍵元件。

　　硅基氮化鎵的突出特點是能夠最終集成芯片級的增強功能，可以實現額外的性能優勢和空間優化。其硅基底支持氮化鎵器件和基于CMOS的器件未來在單一芯片上均勻集成，由于固有工藝限制，氮化硅基氮化鎵不具備該能力。這為多功能數字輔助射頻MMIC集成片上數字控制和校準以及片上配電網絡等奠定了基礎。

   MACOM支持5G實現的射頻產品

　　MACOM豐富的5G產品涵蓋從分立元件到全集成前端模塊的各種解決方案。其中包括獲得專利的硅基氮化鎵技術、專有開關技術以及相干波束成形技術。

　　預計MACOM的產品組合將支持6 GHz以下的無線基礎設施(宏基站或大規模MIMO架構)，其全面的技術和產品陣列可以為發射和接收鏈路提供理想的解決方案。隨著5G轉向毫米波，MACOM還擁有提供高頻技術的工具，以支持應對遇到的挑戰性設計問題。對于開發支持5G波束成形能力的高級天線陣列的客戶而言，射頻創新的這種傳統是十分寶貴的資產。

Massive MIMO無線解決方案更適用于5G

　　基于5G的發展和需求， Massive MIMO(mMIMO)無線解決方案一直被認為是5G的關鍵技術之一，是唯一可以十倍或以上提升系統容量的無線技術。針對mMIMO無線解決方案，從之前的原型機到今后的實驗網乃至大規模商用部署，低成本、高集成、高效率成為mMIMO無線解決方案的幾個重要趨勢。

　　顧名思義，mMIMO是基于多通道的解決方案，在sub-6GHz的mMIMO方案中，會有64通道、32通道以及16通道等方式。在微波頻段的mMIMO方案中，甚至會大于64通道。相比目前的4G網絡，5G通道數量將有明顯增加，這將直接導致整機的成本大幅提高。在這樣的背景下，對于大規模商用部署，低成本方案就變得尤為重要。

　　對于整機設備的小型化、輕型化要求，提供高集成度的芯片解決方案成為5G演進過程中的迫切需求。目前全球各個主流設備商都在不斷探索新的、更高集成度的解決方案以適應市場的需求。另一方面，高集成度也是降低整個系統成本的有效方式。

　　對于5G網絡的覆蓋和整體網絡性能的提升，足夠的發射功率是一個必要的指標。目前限制整機發射功率的一個關鍵因素是mMIMO系統的效率還有待進一步提高，降低熱耗，以實現更高的輸出功率，滿足各大運營商對于網路優化的訴求。

　　Qorvo一直致力于提供5G無線射頻的全套解決方案。并在低成本、高集成、高效率等方面持續開拓。采用譬如SOI、新一代GaAs等新工藝來降低芯片成本。推出Sub-6GHz和微波頻段的5G射頻前端模塊。并且運用GaN和GaAs工藝，實現超低功耗的5G射頻放大器和射頻驅動器。實現整個通道效率的優化。

Xilinx的RFSoC應對5G更高性能要求

　　采用 Massive MIMO 等新技術以及分離基站架構的 5G 空中接口日趨復雜化，這將導致遠端射頻單元的成本與功率損耗大幅增加。實際上這一挑戰是一個機遇，而不是阻力，賽靈思(Xilinx)能夠借此機會推廣新型集成技術(RFSoC)，該技術的設計用于應對5G發展面臨的集成、功耗和復雜性態勢。

　　該趨勢將增加遠端射頻單元的復雜性。這會增加遠端射頻單元的成本和功耗。從芯片角度來看，我們正在實現更高水平的集成，多個RF部件(DAC/ADC)的集成需要經過廣泛的仿真和測試。

　　針對此，賽靈思公司推出了全新系列集成數據轉換器。高速DAC和ADC的集成不僅能減少構建系統所需的組件數量，而且對整體系統的成本和功耗也會產生巨大影響。

　　RFSoC可將多達16個DAC/ADC集成到單一芯片之中，從而提供可滿足5G市場發展要求的高效、優化(功耗/成本/面積)解決方案。在量產器件(2018 年 6 月)投放市場之前，賽靈思已對一組測試芯片進行了使用測試。目前，5G市場中多家關鍵的領先系統供應商已經采用了該芯片。

5G的應用場景的多樣性要求軟硬件功能平衡

　　5G-NR所針對應用情況的多樣性是CEVA認為最具挑戰性的特性。雖然eMBB現在于版本15中相當穩定，但mMTC和URLLC很可能會帶來新的基帶調制解調器挑戰，這可能要求我們當前的eMBB和蜂窩IoT平臺進行重大的架構改變。

　　5G-NR終端調制解調器IP的主要設計挑戰就是構思最佳的體系結構，不僅要應對涵蓋5G-NR用戶和數據平面帶來的巨大計算復雜性，還要能夠靈活適應全新3GPP版本，且具有multi-RAT能力，能夠同時運行5G-NR sub-6GHz和mmWave調制解調器或傳統LTE和3G調制解調器，以及eMBB終端所需的低功耗特性，同時以最佳折衷實現上述功能。

　　這需要使用經過精心設計的CPU、DSP、專用任務處理器和硬件加速器來實現軟件和硬件功能的合適平衡。

　　CEVA的5G解決方案

　　為解決這些UE 5G-NR基帶調制解調器難題，CEVA提出了許多創新舉措，比如：

　　1)當使用先進的高階MIMO均衡算法時，使用基于神經網絡的AI處理器用于5G-NR鏈路的自適應任務;

　　2)用于大規模MIMO波束成形和信道估計處理的可編程矢量協處理器;

　　3)利用增強的矢量DSP指令集實現更高效的5G-NR CSI和均衡任;

　　4)用于LDPC和Polar編碼器和解碼器的硬件加速器。

5G測試

Massive MIMO天線及毫米波終端測試進展

　　為了實現在未來5G規劃的3個場景：eMBB、 mMTC和uRLLC，在5G的網絡框架和空中接口都必須是靈活的結構，以應對不同的場景需求，需要更多的頻譜。在5G的頻譜規劃中，有低頻段的Sub-6 GHz，又有規劃中的毫米波如26 GHz、39 GHz頻段等，中國政府基本明確了未來的5G頻譜規劃。

　　5G標準與OTA測試方法

　　按照產業成熟的先后順序，有了5G標準，最先推出的應該是5G網絡系統設備，而5G芯片和終端應該是商用的最后環節。測試設備是5G生態必不可少的一環，終端設備的標準符合性或者一致性測試是移動通信技術商用的基石之一。測試設備應該與芯片和終端商用同期推出， 來支撐5G商業化的發展。

　　5G的新技術之一是基站的Massive MIMO，如何測試和評價基站Massive MIMO系統的性能對5G商業化中實現和滿足設計的系統容量和效率的提高有很重要的作用。由于天線陣面較大，傳統的遠場測試成本很高，尋求行業內達成共識的較低成本的測試方法同時能夠正確地評估Massive MIMO性能很重要。

　　5G網絡部署是一個漫長的過程，5G不會獨立存在， 5G和4G等技術的演進關系和融合組網都很重要，尤其對于終端測試而言，測試儀表與4G等技術的融合顯得格外重要，5G和4G的頻譜組合場景非常復雜。5G-NR構造了全新的5G靈活空中接口，eMBB需要更高的傳輸帶寬，URLLC需要更低的時延，還要兼顧到未來的5G 毫米波的高帶寬，5G終端測試會更加復雜。

　　未來5G毫米波的測試將難以采用傳統的連線測試，只能采用OTA的測試方法。OTA的測試方法和測試技術正在快速的發展中。

　　R&S公司5G測試解決方案

　　傳統上微波毫米波頻段主要應用在國防軍工領域，R&S(羅德與施瓦茨)公司已經向中國市場提供過超過500 GHz的測試設備用于科學研究等方面。在應對5G未來測試挑戰方面，R&S公司已經和全球合作伙伴一起進行了大量的5G預研工作。R&S公司的矢量信號源SMW200A能夠提供內置2 GHz帶寬的各種標準的和5G-NR信號，單臺最高頻率達到40 GHz，在更高的頻段可以采用R&S的信號源頻率擴展單元SZU來產生更高的毫米波頻段5G信號。R&S公司的矢量信號分析儀FSW能夠提供2 GHz的分析帶寬，在極高的接收靈敏度和線性范圍下分析和測試5G-NR信號，時域及調制域的特性，單臺頻譜分析儀FSW能夠達到85 GHz的應用頻率，完全滿足5G的各種射頻信號的測試要求。R&S公司的矢量網絡分析儀ZVA系列能夠提供到500 GHz的各種毫米波參數的測試，矢量網絡分析儀ZNBT多通道矢量網絡分析儀能夠提供單臺48通道的射頻參數測試，可以用來校準5G的大規模陣列天線的射頻收發單元。

　　在Massive MIMO天線的OTA測試方面，R&S公司正在推廣R&S的5G基站陣列天線的OTA測試方案。在5G毫米波方面，可利用AST1000內置轉臺的小暗室實現5G毫米波終端的OTA測試。

5G的sub-6GHz及毫米波頻段測試方案

　　從頻段的角度，我們看到的5G的發展趨勢有sub-6GHz(低于6 GHz頻段)和毫米波頻段通信。由于頻段特性的區別，兩種方式需要的測量方式和測試挑戰也有一定區別。

　　Sub-6GHz的測量方式和原有4GHz的測試方式是比較類似的，使用傳導測試或者射頻線纜相連的方式進行測量。測試測量的的難度集中在兩點，協議的變化和測量帶寬的增加。針對這兩部分，NI于2018年初就推出了最新的RFmx NR測量參考設計方案，符合3GPP NR協議。在硬件架構上，使用最新一代的矢量信號收發儀PXIe-5840支持1 GHz信號帶寬的收發，符合3GPP中對于sub-6GHz 400M帶寬的需求。 另一方面，NI也關注到了5G測試中的一個隱形的測試需求，由于帶寬和協議復雜性的增加，必須有新的測試方法和測試技巧來減低測試時間，保證測量效率的提升。NI 矢量信號收發儀中集成FPGA模塊，通過FPGA運算來減低原有CPU運算所需的測試時間，從而提升整體測試效率。通過上述的架構，NI能幫助諸如Qorvo在內的芯片公司實現目前在實驗室的5G芯片的研發，使用同樣的測試方案，也可以更順利地過渡到未來的量產測試中。

　　毫米波頻段測量，由于毫米波頻段芯片的尺寸將大大的降低，目前我們看到業界的毫米波芯片會集成毫米波天線，從而在6 GHz以下使用的傳導測試等方案不在使用于毫米波頻段芯片的測量，毫米波頻段通常需要OTA (Over-the-air)的測試方法。在毫米波頻段上，我們看到以下幾個趨勢：

　　● 3GPP規定的毫米波頻段為非連續頻段，不同國家和地區有不同的頻段選擇;

　　● 毫米波頻段需要滿足高帶寬的需求;

　　● 測試成本是毫米波頻段芯片測量中必須要考量的關鍵點之一。

　　實際上從2010年開始，NI就開始了射頻領先用戶計劃，關注5G技術在內的前沿通信技術，毫米波通信無疑是一個重點方向。在通過和Nokia、Samsung、ATT、Verizon等設備商和運營商的合作中，共同推進毫米波系統協議、信道測量、測量技術和測量IP的發展。比如在2017年，NI就和Verizon實現了第一個V5G協議的硬件原型化系統;在2018年MWC(世界移動通信大會)上，也有NI和三星公司在外場測試的合作計劃。通過模塊化硬件的方式，可以最優實現毫米波頻段的信號原型和信道測量工作。在未來的芯片測試方案，NI模塊化毫米波平臺也可以幫助客戶很好的實現從實驗室驗證到量產測試的全覆蓋，提高測試效率，降低測試成本。

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　　本文來源于《電子產品世界》2018年第6期第10頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。