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行业巨头面向5G产业进行部署

作者:毛烁时间:2019-05-29来源:电子产品世界收藏

  作者 / 毛烁 《电子产品世界》编辑

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201905/401008.htm

      摘要:网络是第五代移动通信网络,可在智能手机和其他设备上提供比以往更快的速度和更可靠的连接《电子产品世界》特邀请业内部分代表厂商就产业部署、技术进行了深入探讨。

  关键词:

      ADI:丰富的5G技术方案促进产业部署落地

      从全球5G的落地情况来看,部分国家如韩国率先在sub-6 GHz频段实现规模商用部署,支持eMBB应用,小基站和大规模MIMO成为提升5G网络覆盖与容量的关键。与以前的小基站只支持一个频段不同的是,在几乎同样的尺寸下现在的基站设备需要支持三到四个频段。5G宏基站则采用大规模MIMO,天线密度从之前的4G时代主流的4T4R/8T8R跃升至32T32R/64T64R。

  5G的落地,意味着开启2G、3G、4G和5G共存的新阶段。OEM必须支持所有当前和新兴的蜂窝标准,从传统的2G、3G、 4G到5G部署,如何满足不同系统规范的应用要求,并低成本加速产品面市面临挑战。

  5G的规模部署,也带来运营商因为基站功耗增加导致的运营成本上升的焦虑,有市场调研数据显示,90%的运营商担忧5G基站能耗。我们看到像MassiveMIMO里64发64收这样的系统可能是最多的,甚至128收128发。如果用传统的来设计实现,除了体积和成本,系统功耗也将会成倍增长。

  此外,事实上sub-6 GHz的大规模MIMO只是毫米波时代的过渡。运营商希望能够将无线电信道数量增加以满足更广泛的通信需求,巨大的市场需求正在推动朝毫米波迈进的技术革命,但覆盖和建网成本压力需要通过技术手段去克服巨大的挑战。

  作为产品广泛涵盖从DC至100 GHz频率范围的RF、微波和毫米波射频产品与技术全球领先提供商,ADI提供了丰富的5G无线通信技术,以及针对5G基站、数据中心等应用的高性能电源,全面促进5G产业的部署落地。

  其中,RadioVerse™射频收发器系列平台可提供市场上最宽带宽、最高性能的解决方案。它的高度集成式架构可简化系统设计,降低SWaP和成本,并缩短上市时间。特别值得一提的是可提供高达200 M信号带宽和450 M观测带宽,可用于5G大规模MIMO基站,小基站及其他通信类应用的宽带射频收发器ADRV9008/9。其主要特性包括:

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      • 最宽带宽——两倍于前代器件AD9371的带宽 —200MHz的带宽支持更高数据速率并提高网络容量;

      • 集成式通用无线电平台——将不同频段和功率的产品开发周期缩短一半,同时功耗降低50%,尺寸减小60%;

      • 通过LO同步简化数字波束成形——ADRV9008/9通过内部LO支持多芯片相位同步,支持高性能的数字波束成形,同时降低尺寸、重量和功耗,而且简化的设计要求加快了大规模MIMO的上市时间;

      • 快速跳频——可减少系统停机时间,改善频谱效率和链接安全性。

  此外,针对2G/3G/4G/5G长期共存的时代,ADRV9008/9为基站设计提供通用平台:ADRV9008/9平台可实现多标准射频拉远头的设计,并可缩减尺寸和成本;通用平台将不同频段和功率要求的产品开发时间缩短50%,同时还可简化现场部署和维护。

  未来走向24-29 GHz甚至更高的毫米波频段有望解决制约5G频谱局限性的关键,ADI拥有完整的微波、毫米波信号链技术,将为5G毫米波应用铺平道路。以ADI 最新推出高集成度微波上变频器和下变频器ADMV1013和ADMV1014为例,这些IC在24 GHz至44GHz的极宽频率范围内工作,提供50 Ω匹配,使得在构建的单一平台上可以支持所有5G毫米波频带(包括28 GHz和39 GHz),从而有助于简化设计并降低成本。这些特性组合提供前所未有的灵活性和易用性,同时将外部元件减至最少,支持实现小型蜂窝等小尺寸系统。

  5G基站设备越来越小,而功率越来越高,这对数字基带、存储器、RF收发器和功率放大器的供电提出了复杂要求,必须在最小的面积中提供最高的功率密度,需要密度非常高的电源,它能以快速瞬变响应输送大电流以便为数字基带供电,同时利用低噪声、低压差调节器(LDO)为其他噪声关键电源轨供电。将多个降压调节器和LDO集成到单个封装中,可显著缩小电源管理设计的总体尺寸。此外,与传统分立方案相比,智能型集成解决方案具有许多优势。减少分立元件数目可大幅降低设计的成本、复杂度和制造成本。例如集成电源管理单元(PMU)ADP5050 和 ADP5052可在单个IC中实现所有这些电压和功能,所用PCB面积和元件大幅减少。具有多功能数字电压模式控制器的电源芯片ADP1051来控制输入到输出的能量转换。此电源设计综合考虑效率与成本的因素,设计出在400 W功率等级效率与成本最优的方案,适用于无线通讯基站的功放供电系统。

  MACOM硅基氮化镓满足5G新诉求

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      从使用量来看,MACOM的估计是:纯粹的基站数,即5G对4G,差不多是1.5倍到2倍的差别,单个的基站又比原来的基站的RU部分贵约1.5到2倍。由于二者的倍乘关系,累积起来约是2.5倍到4倍的关系。再加上单个基站里的内容,原来是4通道、8通道,现在变成64通道,这些数目又会有约16倍以上的扩展。所以从对射频产品单元的需求量来看,相比原有的规模,预计有50倍到60倍的需求。

  这对射频产品提供商来说是个很大的挑战,因为原来的规模很难去满足预计的新规模。这也是为什么MACOM在5G市场上是比较激进的,去布置产能,提前进行库存管理的原因,因为从数量上,这对相关芯片厂家的挑战是比较大的。

  MACOM不仅有自己的fab(芯片工厂),同时还准备了Fabless(无芯片工厂)的方案,既不受限于自有工厂的产能,还利用第二家、第三家代工厂(Foundry)来备份产能。因此2018年MACOM和ST签署了联盟协议,ST可以提供6英寸的CMOS晶圆,用来做MACOM的氮化镓产品。在此基础上,2019年双方又把合作拓展了一步,即ST主流的8英寸晶圆也可以支持MACOM。如果MACOM的产能需要,可以随时切换到ST 8英寸晶圆上进行大批量的生产。

  因为6英寸和8英寸晶圆的主要区别是产能方面,基本上,8英寸的die(裸片)产出是6英寸的2倍。

  另外,ST的一个优势是在商用和民用市场已有大批量制造的经验,因为ST擅长机顶盒、有线通讯等,最近ST还成为特斯拉汽车的碳化硅等功率芯片的主要供应商,说明ST能够满足汽车行业的产能需求。“从市场规模来看,汽车市场比基站要大很多,”成钢指出,“因此ST的产能能够满足基站行业的需求。”

  MACOM本身有两块主力产品:光的解决方案,射频的解决方案。这两方面是齐头并进的。现在网络结构也相对比较简单了,光纤可能是直接到塔上了,上来会跟基站有转换和连接。所以很多时候可以把它们当作一个整体方案去考虑。

  MACOM在美国有专门的部门提供Massive MIMO阵列的解决方案,它下面的转换已经把64路甚至更高的路数进行了集成,进行光电转换,到下面的光网络去接收,这些方案可能以后会越来越集成,未来MACOM甚至能够提供一个微系统给客户。

  u-blox丰富5G技术储备 推动新技术、标准、应用

      5G的市场和技术是一个高速演进、垂直链吻合、相互渗透的趋势。2018年,5G标准冻结,并在全球正式启动商用。2019年起则将是5G突破商用和行业发展瓶颈的一年。根据爱立信的预期,到2026年,5G驱动的数字化收入将达到全部ICT参与者的数字化经济收入的38%(即1.3万亿美元)。据GSA分析,至2019年2月,全球已有201个运营商在83个国家进行了5G实验和部署。运营商正在借助5G进行转型,这将同时带动传统和新型产业链端到端的转型和升级。

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  如今,物联网如今已渗透到经济和社会生活的方方面面,这将对定位技术的覆盖率和可靠性提出更高的期望和要求。就像高速互联网一样,用户会期望无处不在的高精度定位。3GPP和其他标准机构正对基于蜂窝定位的应用和性能要求重新进行审视,相应的解决方案将作为第16版在2020年第一季度推出。得益于改进后的高精度定位服务的用例广泛,包括工业、资产追踪、汽车、交通管理、智慧城市、共享单车、医院、无人机、增强现实(AR)、消费者和专业穿戴产品。u-blox从13版以来,一直是3GPP的积极参与及贡献者,并在窄带物联网(NB-IoT)和高精度定位标准制定上起到了重要的作用。

  u-blox作为全球领先定位和通讯芯片、模组制造商,多年以来一直与全球移动行业领导者密切合作,支持和推动全球新技术、标准和应用,特别在是汽车、工业物联网和消费者市场的解决方案。u-blox在物联网、车联网、V2X和5G方面做了很大的技术储备,例如在定位和导航方面可实现厘米级高精度定位,这些对于5G基础设施以及自动驾驶应用,都是非常关键的技术。

  2019年2月份,u-blox正式推出了u-blox F9 技术平台以及基于此技术开发的ZED-F9P多频段GNSS模块,为面向大众市场的工业和汽车应用提供高精度定位解决方案。从此开始了以GNSS精度的全自动驾驶规划之路。4月,u-blox宣布将提供关键的授时技术,以加强中国联通的4G网络,并为其5G连接的推出提供平台。

  5G应用广泛,技术指标跨度很大,所以需要有规划、针对性地引入。u-blox自2019年起,加入5G产业自动化联盟(5G-ACIA), 携手全球传统自动化和制造业的代表,以及信息和通信技术行业伙伴一起推动5G在工业生产领域的落地,确保5G从设计、应用之初便具备相应产业能力,加速工业4.0的实现。

  CEVA:5G UE PentaG解决方案应对复杂要求

      受访者:CEVA 移动宽带业务部无线平台解决方案总监Guy Keshet

      5G是一种非常多样化的技术,可以为不同的应用提供不同的功能,例如:可为移动设备提供高带宽,为城市环境应用提供超高密度功能,以及为汽车V2X应用提供超级可靠的通信功能。最近的5G发展趋势之一是允许UE设备支持EN-DC (EUTRA-NR双连接),使得移动设备同时连接到LTE和5G基站。5G基站正变得越来越复杂,支持更多的5G通道、更高的MIMO维度和更多的用户,因而这种双连接功能对于服务质量非常重要。

  对于UE架构,CEVA IP的主要挑战是支持大量的5G模式、功能和过程,同时满足严格的延迟和复杂性要求。5G IP解决方案必须足够灵活,以支持这些众多的5G协议、先进的算法并降低成本/功耗。IP必须可以减少设计5G UE调制解调器的巨大工作量。

  CEVA开发了5G UE PentaG解决方案以应对这些挑战。CEVA的PentaG是功能强大的架构,包含了专用DSP标量处理器和矢量处理器,可满足先进的5G应用要求,同时提供优化的功耗和成本。

  R&S:推出5G全套测试解决方案

      5G无疑是最近几年的热点话题。但是在热议5G的同时,需要意识到5G要走向成熟发展还需要时日。在5G商用初期,产业界务必会有试错和纠错的过程,而4G的成熟发展有目共睹,因此4G和5G将会在很长一段时间内共存。5G有非独立组网(NSA)和独立组网(SA)两种部署方式。采用非独立组网方式可以将现有的4G基础设施和5G网络融合部署,对于运营商而言也是比较经济的一种组网方式。独立的5G网络将允许4G和5G 服务并行运行,降低LTE网络的复杂度,但是初期投资会比较巨大。目前中国网络运营商正在评估两种方式的优缺点,而其他地区的大部分运营商已经明确初期将采用非独立组网方式来部署5G网络。

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  一方面5G的快速商用给产业界提出了极大的挑战,不同于以往的发展路径,现在是网络和终端同时高速发展的路径,并且中国走在5G发展的第一梯队。这样的发展速度对产品的稳定性和可靠性要求非常高,也对测量仪表的多样化测试解决方案提出了很高的要求,短时间内需要提供针对研发测试,运营商准入测试,生产测试等多种解决方案。其次就是多种技术的融合,不同技术之间的干扰,设备需要同时支持多种蜂窝以及非蜂窝接入技术。在频率方面要考虑同时支持FR1和FR2频段的要求,在带宽上要尽量支持更大的带宽。第三点是基站天线数量的增加使得必须采用OTA测试方法来测量天线,而OTA的测试方法、测试成本和测试难度都需要考量,对于毫米波终端,OTA测试也面临相同的问题。还有一点就是5G未来必将结合诸多应用而存在,如何无缝结合垂直行业用户,提供完整的一站式测试系统和解决方案,也是需要面临的重大挑战。

  R&S(罗德与施瓦茨公司)采用经验和创新相结合的方式,加大在产品研发上面的投入,加强和客户的沟通,以找到客户真正的痛点。为此,R&S快速推出了针对5G的从研发到生产的全套测试解决方案,其中包括5G NR信号产生与分析,5G NR一致性测试,5G网络与终端研发以及生产测试,5G信令测试,OTA测试等等都有完备的解决方案。罗德与施瓦茨测试系统的优点是具有很好的延展性和兼容性,无论是信号源还是频谱分析仪,都是在原有的基础上增加新的选件。这样用户以往的投资不会浪费,只需要升级仪表就可以完成5G测试。对于综测仪而言,也仅仅是需要增加一个新的信令单元就可以完成5G FR1和FR2的测试。当然R&S的仪表支持几乎所有的蜂窝和非蜂窝技术,可以很方便验证多模多制式的网络和终端。

  NI软硬件并行策略加速5G商用进程

      整体而言,5G的发展对设备制造商提出了更复杂的测试难题,从频段的角度看,Sub-6G频段经过多年的验证、测试方案相对成熟,更严峻的挑战则是测试在毫米波频段上运行的5G组件和设备。

  相较Sub-6G,毫米波的波长更短、衰减更大,为了维持同样的信号覆盖能力,毫米波设备需要采用阵列天线、如4x4或更多数量。毫米波天线尺寸变得更小,进一步推动了厂商将天线与射频前端封装在一起,并同步进行测试。NI观察到,几乎所有的射频前端、天线厂商都在开发封装天线(AiP,Antenna inPackage)产品,而AiP仅能通过OTA(Over the Air)测试,这是新的市场需求、极大地推动了业界重新思考和更换现有的测试技术,并对之优化以实现更快的信号处理、多频段的运行、更高的通道数、OTA测量的可靠性和快速的执行等等。

  当然,OTA测试并非新兴事物,在其他领域已应用多年。那么OTA测试如何与5G结合?5G强大的“带货”能力(数以亿计的终端设备出货量)要求设备级测试时每DUT的OTA测试时间以分钟为计算单位,半导体组件的测试时间则以秒计,因此必须为多站点并行生产测试找到一种新的可行性解决方案。

  OTA测试不是孤立的测试步骤,涉及到晶圆、封装IC和设备等不同层级的测试要求与解决方案。首先,晶圆层级的OTA探针方案已经能够满足毫米波射频信号的需求。而在AiP IC层级,只有通过OTA测试才能确定其功能与性能。保守的测试方式一般是按顺序逐个测试天线元件;但是,若厂商采用经过适当晶圆级测试的优质晶片,且封装过程经过优化,那么在AiP封装级别进行另一次全面的OTA测试则可能造成浪费。

  为了最大限度地优化成本与缩短产品上市时间,另一种OTA测试方法则聚焦在测试具有波束成形功能的整个天线阵列、而非单个天线元件,以此获知总的射频性能。这种测试方法的挑战在于发现晶粒与衬底之间的参数上的缺失(defect),以及判断封装内的天线质量。在初始生产阶段,厂商可以选择执行完整的参数化OTA测试,然后切换到测试子集以实现全量产。

  最后,在围绕AiP IC集成的更多组件、PCB和外壳的设备层级,也是难以逐个测试天线组件。因此,NI建议改变现有的设备测试顺序,以纳入OTA测量项目,进而完善整个流程的测试方案。

  尽管OTA测试带来了很大的优势,但NI强调的是在提供测试方案给客户的时候,怎么样在同样的测试设备中提供OTA测试的能力,而不是为了OTA测试,推荐给客户不同的系统。

  NI的解决方案是软硬件并行的策略,例如针对5G测试,NI专门推出了Radio Head测试探头,包括了放大、上下变频、多埠切换等一系列功能,相当于将原本的台式仪表扩展出来,但功率不会有任何损耗、甚至能够提供更大的测试功率,使用者无需外挂切换器或校准等操作,即可实现multi-port的测试能力。同时,NI软件定制测试平台支持最新的5G NR物理层协定,其中包含测试宽NR分量载波或载波聚合信号所需的瞬时带宽等测试技术。NI的高带宽仪器还允许通过数字预失真技术对DUT进行相关的测试。此外,NI平台还为多通道测量系统提供相位相干和时间对齐扩展,达成相位的高精准测量。

  参考文章

      [1] KalyanSundar. 打通迈向5G之路.电子产品世界,2018(1) :32.

  [2] 田元锁,张黎明. 5G通信信号处理系统的设计与实现.电子产品世界,2018(3):33.

      本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第6期第10页,欢迎您写论文时引用,并注明出处



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