什么支撐了5G基站的飛躍式發(fā)展？

4G改變生活，5G改變社會(huì )，只是這個(gè)改變并沒(méi)那么容易。

2020年是ITU所定義的全球5G商用元年，而中國則還要早一年。據中國信息通信研究院，2021年1～4月國內5G手機出貨量為9126.7萬(wàn)部，占市場(chǎng)總體的72.7%，同比增長(cháng)38.4%。這在一定程度上反映了5G通信在個(gè)人用戶(hù)層面的推進(jìn)速度。

但5G不止于手機，在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，必須提前搭建好一條條高速路，5G因此無(wú)可爭議地成為新基建之首。相比4G，5G在初始階段就明確規劃了三大應用場(chǎng)景：增強移動(dòng)寬帶，其峰值速率將是4G網(wǎng)絡(luò )的10倍以上；海量機器通信，將實(shí)現從消費到生產(chǎn)的全環(huán)節、從人到物的全場(chǎng)景覆蓋；超高可靠低時(shí)延通信，通信響應速度將降至毫秒級。

由此衍生出的針對各個(gè)垂直行業(yè)應用的美好暢想就像一部科幻小說(shuō)，而支撐這部小說(shuō)實(shí)現的前提則是一座座看上去并不那么浪漫的高聳的基站。

5G基站建設新變化

一切美好前程，道路總會(huì )曲折波瀾。在行業(yè)內，5G基站的短板被調侃為“覆蓋、成本、功耗三個(gè)3”，即3倍成本、3倍功耗、1/3覆蓋。對此，德州儀器（TI）杰出技術(shù)專(zhuān)家Wenjing分析，部分原因是由于5G MM高頻高性能，采用Massive MIMO技術(shù), 需要32通道、64通道等多通道架構，硬件通道數的上升直接導致成本、功耗、體積指標呈指數級上升。運營(yíng)商迫切需要大幅降低建站成本和運營(yíng)成本，因此對芯片的集成度、功耗及成本提出了更高的要求。

德州儀器杰出技術(shù)專(zhuān)家Wenjing

TI是最早參與中國5G建設的半導體廠(chǎng)商之一，據德州儀器中國大客戶(hù)區域銷(xiāo)售經(jīng)理Vic介紹，放眼全球，中國的5G建設走在前列，截至2020年，中國已布局了70多萬(wàn)個(gè)5G基站，完成了一些重點(diǎn)城市的大容量覆蓋。2021年計劃建設84萬(wàn)個(gè)，完成更廣域的布局，重點(diǎn)轉向700MHz 4T4R 組網(wǎng)。通過(guò)更先進(jìn)的工藝節點(diǎn)、更創(chuàng )新的設計架構、更大規模的集成度，TI一直力求實(shí)現高集成、低功耗、低成本的目標。事實(shí)上，TI每一代產(chǎn)品都會(huì )通過(guò)工藝演進(jìn)/設計架構的創(chuàng )新，實(shí)現同等規模下，功耗30%左右的改善。

德州儀器中國大客戶(hù)區域銷(xiāo)售經(jīng)理Vic

不斷精進(jìn)的架構

RRU單元作為無(wú)線(xiàn)通信的最后一環(huán)、最關(guān)鍵設備，猶如空中的一座橋，保證了信息的精準、實(shí)時(shí)送達。雖然射頻前端只是5G基站中的管道，真正的大腦是ASIC/FPGA等處理器，但如果沒(méi)有健康的管道為大腦輸送養分和數據，人體就無(wú)法執行正常的活動(dòng)。RRU的射頻信號處理與調制就如人體內的血管和神經(jīng)一樣復雜，射頻前端是RRU中極具挑戰、又至關(guān)重要的領(lǐng)域。 

在傳統超外差系統中，接收器在RF頻率上接收到信號后，會(huì )將信號下變頻為較低的中頻（IF），在此將其數字化、濾波然后解調，RF前端要進(jìn)行復雜的信號鏈處理。而隨著(zhù)ADC、DAC轉換器技術(shù)的進(jìn)步，可以將模擬變頻轉化為數字直接變頻，從而省略中頻環(huán)節，使得射頻直采收發(fā)信機的整體硬件設計簡(jiǎn)單許多，因此外形尺寸更小、設計成本更低?！皩鹘y離散式超外差系統中的分離ADC、DAC、調制器、解調器、Serdes、時(shí)鐘、DVGA等各個(gè)功能模塊，集成到一顆芯片中，為5G Massive MIMO多通道架構實(shí)現提供了物理的可能性?！?Wenjing認為這個(gè)創(chuàng )新對于未來(lái)可能會(huì )達到上百通道數的Massive MIMO來(lái)說(shuō)至為關(guān)鍵。

高集成度給用戶(hù)帶來(lái)的改變是巨大的，隨著(zhù)通道數不斷增加，吞吐量增加，但RRU整體模塊尺寸卻僅有小幅增加。

以TI的AFE7920為例，是4T4R2F（4發(fā)4收2反饋路徑）射頻直采架構雙頻段收發(fā)器，發(fā)射鏈路主要由最高采樣速率為12GSPS 的RFDAC組成，支持第一/第二Nyquist 模式，接收和反饋鏈路主要由最高采樣速率3GSPS的 RFADC組成；收發(fā)鏈路支持獨立DSA增益控制，8對29.5 GSPS Serdes與主機互聯(lián)，集成低頻輸入的在板高頻時(shí)鐘。該產(chǎn)品相對于上一代產(chǎn)品，功耗降低了30%。

美好的數字射頻直采

TI在模擬/數字混合射頻信號領(lǐng)域具有多年積累，AFE7920正是基于TI的豐富經(jīng)驗所開(kāi)發(fā)出的數字射頻直采芯片，相較于純模擬集成具有諸多優(yōu)勢。

首先，通常運營(yíng)商在sub 6GHz頻段有最高400MHz的瞬時(shí)帶寬要求，在毫米波頻段有至少400MHz/800MHz的瞬時(shí)帶寬要求。TI的收發(fā)器可支持到最寬800MHz帶寬，滿(mǎn)足全部Sub 6GHz及部分毫米波的應用需求。

其次，全場(chǎng)景支持使平臺歸一化成為可能。5G基站的形態(tài)相對于4G更加豐富，包括宏站、小站、Massive MIMO等。同一顆芯片可以支持不同的基站形態(tài)，從而使客戶(hù)降低開(kāi)發(fā)成本，更快地在市場(chǎng)上推出產(chǎn)品。

同時(shí)還支持混模模式。一個(gè)4T4R的單模芯片劈裂為兩個(gè)獨立的2T2R承載不同的頻段，實(shí)現單芯片混模場(chǎng)景。例如2T2R TDD+2T2R FDD等。更進(jìn)一步，射頻直采架構的超高采樣率使得雙頻段的數字拉遠成為可能，從而實(shí)現通道級的雙頻段發(fā)射和接收，例如宏站場(chǎng)景下的1.8GHz+2.1GHz 雙頻段應用（從ASIC/FPGA，分別接收1.8GHz和2.1GHz的基帶信號，在芯片內部實(shí)現數字合路，最后通過(guò)同一發(fā)射通道進(jìn)行雙頻段的發(fā)射，接收即為其的反向操作），兩個(gè)頻段的射頻拉遠距離可以達到3GHz，滿(mǎn)足客戶(hù)不同方面的需求。

此外，數字射頻直采技術(shù)無(wú)需鏡像和本振校準，簡(jiǎn)化了整個(gè)系統的開(kāi)發(fā)，同時(shí)提供芯片自檢報警機制，及天線(xiàn)校準、綠色節能等系統功能的靈活設定。

Wenjing強調，對于Massive MIMO和波束成形等技術(shù)而言，雖然重要的都是算法，射頻直采技術(shù)只是為算法提供硬件實(shí)現。但如果沒(méi)有高集成及通道間高度協(xié)同的芯片，Massive MIMO等新一代天線(xiàn)技術(shù)只會(huì )是紙上談兵。

5G看中國，射頻直采收發(fā)信機看TI

據悉，2017年中國第一代4G的MIMO基站就采用了TI的4T4R射頻直采芯片，而中國第一代5G基站也采用了TI的射頻信號鏈解決方案。值得一提的是，這一系列產(chǎn)品需求，很多都是來(lái)自中國客戶(hù)，Wenjing參與并主導了產(chǎn)品定義。這也是TI與其競爭對手的不同之處，即5G產(chǎn)品定義的重心放在中國，更貼近中國客戶(hù)的需求，這也是TI深耕中國35年的體現之一。

TI在中國5G基站建設中發(fā)揮了極其重要的作用，跨越2G/3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò )，囊括宏站、Massive MIMO、小站等多種站型。而且TI還在不斷改進(jìn)產(chǎn)品，支持更多的通道，更大的帶寬和更低的功耗，以滿(mǎn)足客戶(hù)不斷更新的需求。TI 最新發(fā)布的AFE8092 8T8R射頻直采多頻段收發(fā)信機在A(yíng)FE7920的基礎上進(jìn)一步的通過(guò)架構革新，在集成度提高的同時(shí)，再次實(shí)現了同等場(chǎng)景下功耗的30%下降。相比于4T4R的產(chǎn)品，可以更好地滿(mǎn)足Massive MIMO所需。

為了應對復雜的5G通信架構，有源天線(xiàn)系統的演進(jìn)速度遠超以往。包括需要減小信號鏈大小，降低復雜性，同時(shí)提供寬帶寬和多個(gè)頻率；可在高環(huán)境溫度下工作的高密度電源管理；以及通過(guò)基于分組的前傳接口實(shí)現網(wǎng)絡(luò )同步。TI除了高集成的模擬前端之外，還提供包括電源、時(shí)鐘、MCU、放大器、接口等，從而實(shí)現全系統解決方案。

不久前，工業(yè)和信息化部網(wǎng)站上公布了《5G應用“揚帆”行動(dòng)計劃（2021-2023年）》并正式征求意見(jiàn)，目標到2023年，我國5G應用發(fā)展水平顯著(zhù)提升，綜合實(shí)力持續增強；5G個(gè)人用戶(hù)普及率超過(guò)40%，用戶(hù)數超過(guò)5.6億；5G網(wǎng)絡(luò )接入流量占比超50%，5G網(wǎng)絡(luò )使用效率明顯提高；5G物聯(lián)網(wǎng)終端用戶(hù)數年均增長(cháng)率超200%。

5G基站是新型信息基礎設施的基石，TI擁有品類(lèi)齊全的模擬和嵌入式處理系列產(chǎn)品，強大的本地制造研發(fā)能力、遍布全國的產(chǎn)品分銷(xiāo)及銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò )，幫助中國客戶(hù)實(shí)現更低延遲和更高數據速率的5G系統，促進(jìn)更多創(chuàng )新應用，賦能中國新基建。TI植根中國35年，始終如一，同中國客戶(hù)一起迎接未來(lái)挑戰。

集成電路很小，“心”的天地可以更大。