5G基站架构：潜在的半导体解决方案

有些人认为5G离他们太远，还没到马上要考虑的地步；也有些人认为5G太复杂，或目标太前卫。可是朋友们，5G将会像饿虎扑羊一样快速到来。 在与许多重要的半导体公司的交流中，我感觉他们最有可能在目前的架构以及未来的技术、工艺和架构等演变与发展基础上创建出5G解决方案。本文讨论了5G发展道路上可能出现的情况，介绍了各方的观点。当然，这些公司对路线图的规划是非常小心谨慎的，但从他们的表述中可以看到许多精辟的见解。 本文将从分立半导体解决方案开始讨论，然后介绍本人对架构、接口和工艺方面的预测，最后讨论来自这个行业中的半导体领先公司有关IC解决方案可能性和挑战的反馈，得出更复杂的IC解决方案，并以时钟问题结束。 宜普电源转换公司 我与宜普电源转换公司的首席执行官、共同创始人Alex Lidow一起讨论了5G，他表示： 随着消费者要求通过无线方式获得更多的数据，这个行业迫切需要从4G升级到5G传输技术。遗憾的是，当数据传输速率越来越高时，传送设备的效率呈现不可接受的指数式下降。这种效率的下降可以通过利用一种被称为包络跟踪的技术来解决，这种技术在较新的4G/LTE基站以及蜂窝电话中已经被采纳。基站中的包络跟踪所要求的高速、大功率和高电压性能只有使用氮化镓(GaN)技术才能满足。对氮化镓晶体管来说这是最大的市场之一，今后几年都将如此。 本人非常期待增强型氮化镓(eGaN)技术成为提高5G基站基础设施功效的最重要解决方案之一；在5G系统中峰均比将更低。包络跟踪显然是目前eGaN功率晶体管能够马上实现的一种方式，而且在今后3至5年中，随着eGaN技术的不断发展，将有更多的应用涌现出来。

图1：线性辅助开关的实现电路，可用作射频功放的包络跟踪电源。
DaGednc

Lidow指出： 电子在GaN中的移动具有更高的效率，加上小结构尺寸，非常有利于提高器件的速度(电子的迁移距离不必像硅器件中那么远)。 目前在4G蜂窝电话中使用的2.61GHz频率用CMOS能够很好地应付。但对5G及更新代的移动通信来说，期望的频率在3.8GHz以上，甚至高达13GHz。这些频率要求基站和蜂窝电话中的功放(PA)使用其它的材料来实现。 【分页导航】 《电子技术设计》11月刊版权所有，谢绝转载。 {pagination} GaN Systems公司 GaNSystems公司拥有一种非常巧妙的岛技术。他们的岛结构就是核心GaN Systems IP。它具有减小氮化镓器件尺寸和成本的双重优势，同时又能从片上金属到单独载体传输大电流。GaNSystems公司的目标是使设计师和系统工程师能够轻松采用氮化镓器件，笔者认为这对更高效的5G散热解决方案来说很重要。 GaN Systems公司负责销售和营销的副总裁Larry Spaziani对此话题也很感兴趣。下面是他的想法： 实现5G网络所需的功率晶体管革命将源自氮化镓。 我们目前处于什么位置，为什么？ 数据中心：一直希望采用相同的冷却技术在相同的机架中容纳更高的功率→更高的密度，更高的效率。 数据中心和基站：总体拥有成本→ 降低供电成本→在各种负载情况下都具有更高的效率。 基站：在固定功率的基础设施中容纳更大的容量/更多的信道→更高的效率，更高的密度，以及包络跟踪。 5G目标： ·每个地理区域中的移动数据量增长1000倍，达到≥10 Tb/（s?km2）的目标； ·联网设备的数量增长1000倍，密度达到≥1M终端/km2； ·用户数据速率提高100倍，峰值终端数据速率达到≥10Gb/s； ·与2010年相比，能耗降低到原来的1/10； ·端到端延时减小到1/5，比如触觉互联网和射频链路延时达到5ms，车到车通信延时目标≤1ms； ·网络管理运营成本(OPEX)减小到1/5； ·服务部署时间减小到原来的1/1000，一次完整的部署时间在≤90min以内。 很难(我想说不可能)想象，没有电源管理方面的彻底革命性的改变能够实现这些目标。大多数主要的细分市场领先公司都将宽带隙特别是硅基氮化镓(因为我们讨论的是12V至离线电压范围内的电压)看作是实现电源管理巨大改进的一种方式。 让我们详细讨论每一项： （1)每个地理区域中的移动数据量增长1000倍，达到≥10Tb/s/km2的目标。 ·更多数据=更多数据中心=更多服务器=更多功耗→需要更高的效率和更多的节能。 ·更多数据=在体育馆、商场、街道和家庭中部署数百万的“微微基站”。每个基站的功耗很低，但在许多情况下要求离线效率、永远在线。 （2)联网设备的数量增长1000倍，密度达到≥1M终端/km2。 ·想象在1km2内有100万台设备。想象(像5G规划那样)每个国家每条道路每隔几米部署的传感器以及现有的每个消费产品都要连到互联网。非常小但非常高效的电源转换会有巨大的需求，这种电源转换允许传感器有许多年的电池寿命，而且体积非常小，在这种情况下用GaN可以支持非常高频的开关(我们有位客户测试我们的器件达到了70MHz)。 （3) 用户数据速率提高100倍，峰值终端数据速度达到≥10Gb/s。 ·功放必须处理更高的数据速率→更高功耗→更多信道，因此要求包括包络跟踪在内的极高效率。 （4) 与2010年相比，能耗降低到原来的1/10。 ·这一项清楚说明了事实。如果不在配置的各个方面专注于如何降低功耗以及在哪里降低功耗，那如何做到其它指标提高100倍或1000倍而功耗要下降90%呢？大多数报告认为这个目标几乎不可能实现，需要付出巨大的努力。我不能想象没有了氮化镓(和GaN Systems公司)会怎样。 GaNSystems公司在做什么？ （1) 我们正在开发历史上最容易驱动、具有最高品质因数(Rdson×Qg)的功率晶体管，比最好的硅晶体管还要好13倍。 （a) 品质因数(FOM)对于开发出最小、最轻、最有效率、最低成本的系统来说至关重要； （b) 最容易驱动对于加快和简化工程师的工作至关重要——这是工程师们一直梦寐以求的。 （2) 我们正在做100V(用于48V系统)和650V(用于离线系统)的产品。 （3) 我们在开发大电流器件(GaN市场中唯一的)，用于提高大型数据中心基础设备的效率，比如数百千瓦UPS的效率。 （4) 我们还有低至40V的路线图，用于支持DC/DC领域中特别高的频率和成本结构，这将是总体部署的重要组成部分。 架构 5G架构发展中的首个有前途的领域是转向全数字无线电器件(或至少接近于全数字)。在这种设计中，我们也实现了氮化镓电压模式S级功放(VMCS-PA)，用于增强总体功效。

图2：采用了VMCS-PA和包络Δ-∑调制器的数字发射机框图。
DaGednc

利用CMOS微缩几何尺寸的增强型数字处理技术也能极大地提高射频采样ADC的性能。 接下来将会是单比特∑-Δ架构向较低功耗5G速度的可能推断。事实表明，拥有射频数字流和无线信号的组合的单比特数字发射器，可以经过放大、滤波后，再经功放发送到发射天线。使用开关型功放还可以极大地进一步提高效率(参考上面的氮化镓电压模式S级功放框图)。 过去在手机中使用的连续时间Δ-∑(CTDS)ADC也许能用于未来的蜂窝基础设施系统。 模数转换器交错技术的发展也可能有助于提高采样速率。 接口 对于高速数据转换器来说JESD204B是相对较新的一种高速接口。由于现在的数据转换器工作在每秒吉样值(Gsps)的速度，必须采纳新推出的JESD204B或其它新标准和/或接口架构。 工艺 CMOS仍是一种极有前途的工艺，正在向数据转换器中要求的更低功耗和更高速度发展。 在射频段工作的氮化镓晶体管可能会得到基于金刚石的氮化镓技术的帮助。 【分页导航】 《电子技术设计》11月刊版权所有，谢绝转载。 {pagination} 亚德诺半导体公司 亚德诺半导体公司负责通信基础设施的首席技术官Thomas Cameron对我说出了他对即将到来的5G的见解。他表示，目前LTE-A只是5G的序曲，最终将发展为5G。为了支持5G所需的带宽，将出现范围从6GHz至100GHz的更高频率。ITU将在2019年批准具有更高频率的频段。3.8GHz至4.2GHz频段应该在今年的WRC-15大会上得到重新分配，从而为5G部署预先提供急需的频谱资源。 5G系统中会出现具有波束操控功能的大量天线和大规模MIMO，而且需要工作在更高频率与带宽的射频与模拟电路和这些天线阵列一起使用。 我坚信，亚德诺半导体公司在5G时代扮演的角色会因2014年对HittiteMicrowave公司的战略性收购而得到极大的增强。

图3：亚德诺半导体公司丰富的产品包括收购的Hittite射频器件以及自己的高速放大器和数据转换器、解调器和永远不会被忘记的电源解决方案(ADI公司提供)。
DaGednc

Cameron认为，尺寸、功耗、每比特更低的工作成本以及保持能效并提高频谱效率将是5G无线电发展的主要关注点。我们必须推动集成度的进一步提高，这将有助于改善尺寸和功耗。 移动性是所有这些努力背后的动力。最大的驱动力是移动互联网——各种应用层出不穷，这也进一步丰富了用例。5G将在垂直市场中催生新的应用。宣传最广的应用是要求大规模连接(每平方公里数百万个设备)的物联网。另一种新兴的5G应用是用于任务关键型工业控制的高可靠性低延时通信。虽然这两种应用有很大的不同，但背后都要有5G技术的支持。 我们必须先从信道模型开始，以表征厘米波和毫米波频率的传播信道。在纽约大学/布鲁克林理工大学等学府都成立有庞大的工作组。至今为止的结果还是比较积极的，但要求波束成形来克服传播损耗。在为标准讨论做准备的过程中下一个会出现的是新的波形建议和系统测试台。标准化过程将花几年的时间才能完成，但IMT2020初始标准规范有望在2020年完成。 在厘米波和毫米波频率，具有超过100个振子的波束操控振子天线阵列是非常小的。主要的挑战是开发它背后的电子器件。 5G中的算法和设计技术将促进开发，就像蜂窝电话技术那样推动手机更长的电池寿命和更小的尺寸。在5G时代，我们需要更加明智地以切实可行的方式实现甚高频操作。我们需要把为蜂窝基站无线电器件开发的集成技术应用到厘米波和毫米波无线电器件中去。 通篇浏览IMS2015技术规划，我高兴地看到许多有关厘米波和毫米波先进性的论文，覆盖基本的电路技术、工艺技术、系统架构、天线设计和封装技术等方方面面。所有这些领域必须一起向前走才能实现实用的5G波束成形系统。 无线架构从一代走向下一代要花10年的时间。这个行业开展5G研究还没有几年，因此还有很长的路要走。我个人对于亚德诺半导体公司在用未来的模拟和射频技术实现5G中所扮演的角色感到相当兴奋。 【分页导航】 《电子技术设计》11月刊版权所有，谢绝转载。 {pagination} 凌力尔特公司 我最近就5G采访了凌力尔特公司负责高频产品的产品营销经理James Wong。Wong认为，要想使载波聚合发挥作用，无线电器件需要很宽的带宽来覆盖800MHz、2.4GHz和5.8GHz频率，从而确保无线电器件可以同时工作在所有频段上。 凌力尔特公司拥有可以让混频器和无线电器件工作在450MHz、700MHz、850MHz以及1.9GHz和3.6GHz范围的技术。一种器件可以处理所有频率是很大的挑战，目前即使有也是很少量的射频IC可以做到这一点。那些宣称可以在一个IC中处理所有频率的人需要重新调整每个信道。 凌力尔特公司开发的无需重新调谐就能搭建并发接收器的方法虽然难度大，但确实成功了。他们的LTC5577下变频混频器可以处理从300MHz至6GHz的频率。在多频段的5G系统中，还存在另外一个在LTE-A和更高频段非常流行的大问题——也就是有更多潜在的干扰源和阻塞源，比如来自治安和消防广播无线电台的干扰。 凌力尔特公司的混频器和调制器具有5G无线电设备所需的高动态范围输入性能。目前它们有100MHz至1GHz的带宽，未来还会进一步拓展。 Wong指出，5G无线电设备中的主要挑战将是功耗和散热问题。发射侧的功放(PA)采用数字预失真(DPD)技术可以有效提升效率。凌力尔特公司有种工作在100MHz的射频检测器，可以通过跟踪5G包络来提高功放效率——这种被称为包络跟踪加上数字预失真的技术对于提高功放的功效是很有帮助的。 功放会产生二次和三次谐波，因而可能无法满足ACPR要求。这种情况可以通过实现数字预失真加以改进。在这种数字预失真技术中，高速ADC将反馈一部分功放的输出信号用于进一步的FFT信号处理。FFT先捕获谐波分量，然后创建该FFT的负分量，再向后累加进信号中，从而实现对功放输出信号的预失真操作。 凌力尔特公司专注于在他们的设计中使用更低的能量，并提高散热性能。Wong向我透露，不久他这个部门将开发出集成了数字预失真接收器的设计。 在大规模MIMO方面，对运营商来说存在相当大的部署成本。举例来说，一个由100个片状天线组成的大型天线由于物体尺寸的原因成本会很高。他们需要为这些大型天线支付一部分拥有成本。凌力尔特公司则致力于取得最优的功耗与性能平衡，帮助减轻这种成本困境。 Wong相信MIMO，但必须以一种聪明的方式来部署。需要集成尽可能多更强大且具有成本效益的功能。Wong小组目前已经开发出了符合标准MIMO的双路混频器LTC5569。针对未来的5G系统还会开发8路和4路混频器。他们还撰写了题为《使MIMO接收器更小》的白皮书，书中着重讨论了尺寸和功耗问题——这项工作还将进一步向大规模MIMO推进。

图4：凌力尔特公司推出的具有190MHz带通中频匹配功能的分集接收器是展示他们高速和射频产品组合功能的优秀例子(凌力尔特公司提供)。
DaGednc

5G需要超过1GHz的带宽，这意味着ADC速度也必须和无线电及射频带宽一样跟上来。由于在5G系统中噪声是宽带的，因此噪声频带也将增加。 为了创建最优的解决方案，还需要满足半导体工艺要求。凌力尔特公司正在与所有基站制造商一起通力合作，随着2020年5G时代的到来，他们将开发出相应完善的5G解决方案。 【分页导航】 《电子技术设计》11月刊版权所有，谢绝转载。 {pagination} 美信半导体公司 美信半导体公司执行总监Rajeev Krishnamoorthy告诉我，美信公司关注的不仅是元器件解决方案，更是客户的端到端系统需求，以及他们的解决方案用在哪里可以最好地增强5G系统。 由于5G将改变基站的架构，射频和基带前端的分离将受到影响。

图5：云端授权的无线接入网(C-RAN)的推荐架构(美信公司提供)。
DaGednc

作为5G的一部分，他眼中的云端授权无线接入网(C-RAN)是基带和处理功能位于中心，并有高速光纤直达射频前端。美信致力于发展适合移动宽带应用且工作在几个Gsps(每秒吉样本数)的高速ADC和DAC，使前端模块变得更加高效。 高效的功率和动态的频谱都需要得到满足，因为这是业界实现5G面临的两大挑战。5G发展之初是大规模MIMO的应用，目前正在测试的波束成形设计以64至128根天线作为起点。TD-LTE系统中超过半数的宏基站已在使用8根天线(8发8收)，而且有的商用系统也已经在配置更多数量的天线。 基带中的数据量正在快速变化，因为： 1.到基带无线电设备的通信容量越来越大 2.基带到射频前端的数字化数据有如此多的通道，以致要消耗大量的功率。前端建议使用的大量多副天线也会导致功耗急剧上升。 随着数字预失真(DPD)从基带转移到前端，美信公司希望实现更高效的前端。 功放是严重影响功效的一个主要因素，特别是伴随着波形复杂性的提高，就像在具有高峰均功率比(PAPR)的多载波调制信号(MCM)中那样。美信的线性化技术目的就是提高宽带功放的效率，从而解决这个问题。 功放合作伙伴正在研发大约50%效率的10W至90W设计。5W系统以及低至100mW的系统都是AB类功放，效率只有5%至20%。最近功放公司提高小功率(100mW-5W)功放效率的努力就将结出硕果，虽然它们都需要线性化才能达到较高的效率。为了使射频前端消耗更低的功率，这是必需的。 使用更高的频率需要付出一定的代价。在更高频率时路径损耗会增加，进而意味着更低的覆盖率。为了对此加以补偿，信号将更具方向性，也正因为此需要更多的天线。 在企业系统中，基带设计将由以太网供电(PoE)，因此也需要超低功耗。 5G中的小蜂窝必须具有频率灵活性，并且具有更宽的带宽。美信的ADC和DAC运行在几个Gsps数量级，可以完全满足这些需求。 我对采用大规模MIMO的天线尺寸有些担心，但Krishnamoorthy告诉我，以8×8阵列部署的128天线系统并没有很大的占地面积或尺寸。事实上，中国的TD-LTE采用的是64×2阵列的8发8收天线。波束是电控的，可以聚焦于最高效的地方——朝向地面。天线甚至可以在早高峰时在快速车道间切换，然后在晚高峰时重新定向到相反的方向。 目前天线阵列中的天线数量从10到100不等，尺寸为（3～5）英尺×（3～5）英尺。在塔顶也可能安装16或32个天线阵列。至于塔顶空间，电信提供商会因为“风载荷”而支付空间费用。这里也存在折中，因为在更高频率时天线一般靠得更近。 注意前面几段文字：人们对天线阵列的尺寸仍有一些担心，因为3×5英尺并不算小！对于宏基站来说这不是个问题，但相对于小蜂窝来说很大了。另外一个需要注意的点是，频率越高(超过6GHz)，天线越小——天线的尺寸正比于波长，因此尺寸随频率增加而减小。大规模MIMO系统将越来越多地随5G系统中的更高频率系统一起部署，因此有助于减轻尺寸问题。 在转向毫米波时，我们需要良好的精度和波束成形技术。在像纽约这样的大城市里，每个相对位置都有大量的用户，而且有大量的光纤被安装进纽约的基础设施中。 小蜂窝在这类城市中可以工作得很好。 在东京，每隔几百米就有基站。 美信半导体公司完全理解端到端系统。 【分页导航】 《电子技术设计》11月刊版权所有，谢绝转载。 {pagination} 微芯科技公司 微芯公司负责模拟与接口产品的产品经理Trent Butcher跟我分享了微芯公司对5G的看法。Butcher认为，5G会把目前业界还没有实现的速度、带宽和分辨率发挥至极致。微芯公司现在有16位分辨率、200Msps的ADC解决方案，随着公司在全数字IC处 理方面力量的不断增强，Butcher非常看好他们IC中的数字处理功能。 微芯公司的智能电源管理解决方案也将在5G中扮演重要的角色。 德州仪器公司 TI公司的Chuck Sanna就5G与我进行了讨论。Sanna是TI公司负责无线基础设施的产品线经理(PLM)。他认为异构网络(HetNet)对5G来说很重要。另外我们还讨论了有关大规模MIMO的一些内容，主要是工作在2.6GHz中心频率、采用128端口阵列的可操控天线。像这种128振子线性阵列的长度可达7.3m。虽然很大，但仍是可以实现的。 TI凭借其Kilby实验室研发团队而拥有相当大的开发优势。目前有三个Kilby实验室，分别位于得克萨斯州的达拉斯、印度和硅谷。TI公司还计划在全球其它地方建设更多的实验室。 Sanna相信，4G将在混合组建模型中处理通信任务，以满足5G系统的高速要求，就像今天的4G使用3G作为其语音通信通道一样。TI已经有适合当今基础设施的可靠高速转换器产品组合，未来还将做进一步的开发。当然，可能需要不同的和突破性的架构，通道成本也需要保持低，而且在波束操控型天线阵列中还需要实现最优的控制。 Sanna表示，每家公司自然想用他们自己现有的产品组合或其更先进的版本。他们将发挥各自的强项并在此基础上满足5G的需求。4.5G和5G将成为TI业务的支柱，虽然4.5G和5G目前还不存在。3G和4G以及航空、国防、医疗以及测试测量是TI业务的基础。 当然，一开始测试测量小伙伴们将用他们的解决方案在前面引路，并可能第一个实现创新变化并适应5G的需求。 然后继续实现更高的复杂性和集成度。 微电子研究中心(IMEC) 我与IMEC的感知系统项目总监Wim Van Thilo就5G发展进行了交流。 Peraso Technologies公司是一家无工厂半导体公司，拥有一款型号为PRS4000的60GHz WiGig基带IC，这款IC被InterDigital公司选用于其回传系统中。在这个回传系统中，Interdigital公司的软件为多跳网状网回传提供自配置和数据路由。这是用于小蜂窝的首款基于WiGig的毫米波网状网回传解决方案。这个系统还包含IMEC的60GHz PHARA4射频电路和相位阵列天线，该天线可以对方位角和仰角进行快速电子化波束操控。今后IMEC还可能增加28GHz和32GHz的能力。 在有助于5G发展的射频领域中，IMEC已经完成了以下一些工作： 1.与瑞萨一起开发了一款可重配置的无线电测试平台，可用于6GHz以下频率的认知无线电和软件无线电，以及WiFi、LTE-A和LTE，最终为5G提供良好的框架。这个研究为LTE和LTE-A提供了良好的经验，它在一个IC中覆盖了如此多不同的频段。这项工作采用45nm和28nm工艺完成，其中电感没有变化，但功耗降低了……功耗是5G中的一个关键因素。 2.IMEC对毫米波功耗的研究包括60GHz通信以及79GHz雷达。 Van Thilo透露，目前大规模MIMO在业界仍处于早期研究阶段，但他们针对毫米波开发的更小蜂窝对5G来说有许多优势： 1.更小和中等规模的回传系统不能使用光纤，因此毫米波在这里非常理想。 2.采用毫米波的更小蜂窝将使用28GHz、32GHz和60GHz频点的回传——这对IMEC技术来说是很理想的选择。 Van Thilo认为，主要的挑战是成本和功耗。 在2015年举行的全球移动大会上，IMEC推出了一款采用0.18μm SOI CMOS工艺制造的独立多频段电子平衡双工器。这种双工器是在移动电话中实现的、用于提供发送到接收(TX-to-RX)隔离的固定频率声表面波(SAW)滤波器的潜在替代产品。 在高速ADC方面，IMEC的最新产品同时适用于无线可再配置无线电设备和毫米波领域： 1.可再配置无线电设备：IMEC有一个前端可再配置程序，它们可以与WLAN、WPAN、广播以及频率范围从174MHz到6GHz的定位标准一起工作。SAR ADC包括一款采用28nm工艺制造的11比特、400Msps、功耗为2.1mW的ADC，今后还将开发采用28/16nm工艺且速度更快、功耗更低的ADC。 2.毫米波应用：最新的是8倍交错混合型SAR/CABS ADC，这是一款采用40nm工艺的7比特、2Gsps且功耗小于4mW的产品。IMEC的思路是，在毫米波频率时基站之间靠得更近，因此可能不需要像4G中那样10比特至16比特的动态范围，干扰问题在5G毫米波系统中也比较轻。 针对完全集成的系统，IMEC也有自己的技术。这种技术能使解决方案更小，并满足5G的需求。 时钟 随着我们越来越接近5G，定时器件/时钟性能也必须跟得上。小蜂窝和异构网络(HetNet)需要高速和最小功耗的时钟系统。 给多ADC架构中使用JESD204B的宽带ADC提供时钟是今后需要进一步开发的优秀技术。 本文小结 本文介绍了在今后几年电信业迎来5G系统时将面临的潜在挑战以及解决的可能性。随着我们逐渐走向5G时代，我们的技术肯定会像过去多年来一样不断地进步，因为电子设计中已经在使用锗晶体管。身处电子行业并在21世纪的第二个十年中继续做一个工程师是多么令人兴奋的一件事啊。 【分页导航】 《电子技术设计》11月刊版权所有，谢绝转载。