第五代蜂窝移动通信——5G——已经到来,并承诺几乎无限的数据吞吐量、改变游戏规则的新应用程序和用例(图1)。事实证明,5G愿景是半导体行业持续技术创新的有力驱动力。导致5G全面部署和采用的复杂难题的不同部分开始就位。模拟前端(AFE)和射频架构只是为实现5G而必须进行重大发展的部分。本文讨论了第三代合作伙伴计划(3GPP)为5G确定的主要技术要求,以及AFE是如何发展以满足这些要求的。
图1:5G如何满足广泛使用场景的要求
5G与前几代的区别
5G代表着与现有蜂窝通信协议的重大背离。只有以更有效的方式利用大量的射频频谱,才能实现承诺的每秒数十千兆比特的吞吐量。
3GPP已经采用了几种策略来实现5G所需的带宽量:
将LTE频段重新用于5G,并在可能的情况下扩展这些频段
在毫米波(mmWave)频带中使用先前未使用的频谱
共享使用未经许可的频段
载波聚合
空间分集(多输入多输出(MIMO))
波束形成和大规模MIMO
更高的调制因子
5G频谱分配
众所周知,与较高频率相比,较低频率在空气中的衰减较低,并且具有更好的穿透障碍物(如墙壁)的能力。LTE频率范围(600 MHz至~6 GHz)仍然是前几代蜂窝协议的一个很好的折衷方案,因为它使蜂窝能够在建筑物内具有合理的覆盖范围。然而,这种频谱拥挤且非常分散:LTE频段很少包含超过几十MHz的连续频谱,这使得释放5G所需的高带宽信道具有挑战性。
对于这些频带(也称为FR1),3GPP定义了100MHz的最大信道带宽,并实现频带内和频带间载波聚合,以将更宽的频谱分配给给定的连接。
此外,全球范围内可用的相对较宽且未经许可的频带(工业、科学和医疗或ISM无线电频带)的协调使用,如在LTE的后续版本中标准化的5GHz频带,将在5G中进行。预计5G还将分配约6 GHz的额外频段。
然而,带宽的增加只能通过利用不那么拥挤的毫米波频率范围来实现。在~24 GHz和100 GHz之间的频率下,有一些频谱,高达几GHz宽,正在考虑用于5G(图2)。
图2:5G频谱,包括FR1和FR2频段
对于毫米波段(也称为FR2),3GPP已经定义了400MHz的最大信道带宽,并实现载波聚合以进一步扩展分配给给定连接的频谱。
毫米波传播是具有挑战性的,因为它具有很高的衰减,并且不可能穿过墙壁甚至人等障碍物。这导致需要通过部署包括大量小型、微微和毫微微小区的异构网络基础设施来加密网络,以补充室外和室内的短距离宏小区。
此外,波束形成(具有大规模MIMO架构,并依靠人工智能(AI)实现更好的转向)用于将波束能量集中在到达用户的最佳路径上,避免障碍,增加覆盖范围,同时支持多个用户共享同一频谱。
5G通过支持MIMO天线阵列的空间分集和更高的调制指数(在版本16中,上行链路和下行链路流都高达256正交幅度调制(QAM)),实现了对分配的RF频谱的更高效使用。
5G独立和非独立模式
由于部署5G网络的挑战,3GPP定义了一种非独立(NSA)操作模式,其中5G连接与LTE共存,并依赖LTE基础设施作为控制路径。
在NSA模式下,LTE基础设施为5G覆盖不足的地区的连接提供了后备数据路径。这降低了初始部署的风险,避免了调试实现合理5G覆盖所需的大量新小区站点的需要,尤其是在毫米波波段。
收发器架构
预计大多数最初的5G部署将集中在低于6 GHz(FR1)的频段,毫米波FR2频段预计很快就会出现。
5G FR1频带大多是重新调整用途的LTE频带。它们可以利用类似的RF调制/解调架构,依赖于类似的AFE特性,即使信道带宽相对于LTE显著增加。
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