5G通信技术解读|小基站里的大作为

2016-08-09 10:32:41     作者:矽说      来源:雷锋网

今天,我们就来预测一下5G挑战下,集成电路的新趋势——小基站。

雷锋网(搜索“雷锋网”公众号关注)按:本文作者陈迟晓博士,美国华盛顿大学博士后研究员,矽说(微信号:silicon_talks)主笔。

与3G、4G相比,5G的新兴技术主要是毫米波与波束成形。此外,在载波聚合、多天线输入输出(MIMO,Multiple Input Multiple Output)等4G技术上有了新的演进。那么,其对集成电路设计带来了怎样的挑战呢?今天,我们就来预测一下5G挑战下,集成电路的新趋势——小基站。

某天,在我家对面的中电信服务点上竖起了一个不高不低的铁架子,上面有两个金属盒子,还有两根高高竖起的天线。然而在时常进行广场舞聚会的小区女性同胞们的反对下,几天之后,中电信就只能乖乖的把那个铁架子给撤了。

笔者无法告诉大家基站会不会产生辐射,但是大家真的以为移动运营商会把基站撤走么?如果撤了,那你手机的信号格数应该就是最低的那一档了吧。

在摩尔定律的发展最直接的变化就把巨无霸变成袖珍丸。请看以下今天的基站长什么样:

你以为的基站Vs.基站实际的样子。

很多人会问一个问题,右边那张图不是路灯么?这就是小基站!可以伪装在路灯、公交车站牌和任何不起眼角落的变色龙。

随着集成电路的发展,终端芯片的SoC渐渐走到了穷途末路,而基站芯片的SoC却正在澎湃发展。由此,小基站在4G时期成为了对抗广场舞大妈抗议的重要技术手段。

问题来了,5G下,微基站会更有意义么? 

目前,限制小基站的主要是天线尺寸的大小。一般要求天线的尺寸与电磁波波长在同一个数量级,而电磁波波长就是光速除以频率。3G/4G的载波波长在分米级,小基站的天线长度也差不多。但是在5G下,载波波长变成了毫米级(这也是之所以叫"毫米波"的原因)。所以天线可以做得更小,做得更多(实现波束成形和Massive MIMO)。

小基站(Small Cell)的体积和称呼从Micro Cell(微基站)、Nano Cell(纳基站)、Pico Cell(皮基站)已经进化到Femto Cell(飞基站)。它们的主要应用场景在人口密集区、覆盖大基站无法触及的末梢通信。特别是完成号称100Mbps-1GMbps的5G通信。小基站让你工作闲暇之余,在一分钟内下完一集高清《权利的游戏》成为了可能。未来,可以预期的是其会像你家的路由器一样小,藏在CBD和大型Shopping Mall的角角落落。

微、纳、皮、飞……数学定义表

小基站的实现,除了摩尔定律带来的高歌猛进外,还有很多智慧的硅工付出的辛劳努力。比如——非线性功放的数字预畸变(Digital Pre-distortion for Nonlinear Power amplifier)。

小基站不仅在规模上要远远小于大基站,在功耗上也是必然指数式下降,毕竟占的是220V的市电。随着集成电路的演进,虽然计算功耗不断降低,但射频发射机信号的发射功率没有太大变化,毕竟这是由协议灵敏度决定。在大基站里,我们可以用非硅的工艺实现高线性度功放,反正功耗不Care。但是在理想的小基站里,PA也是做成SoC的。CMOS工艺的功放在线性工作范围的低效率闻名遐迩,在大功率的输出下功率即将饱和。预期单纯地被限制在线性区是“坐井观天”。

于是天才型硅工就提出从在数字域寻找非线性PA的反函数,然后输出一个非线性的数字控制码。两者叠加,就有了一个线性的高效率输出。

然后,这个问题的解法又再一次地普及到频域,当宽带功放在带内的传递函数有波动时,也在数字域寻找其波动的逆函数,给出带有频率选通特性的调制结果,然后一叠加,又能看到幅度一致的EMV mask了。

带有数字预畸变的发射系统

这一思想的核心,就是把不随摩尔定律变化的射频功耗等转化为跟着摩尔定律走的数字计算功耗,所谓As much digital as possible。

在各式各样的努力下,5G小基站变成了Pokemon Go中小精灵般散落在人间。于是新的问题就出现了,那么多小基站,万一被踩一脚挂了怎么办?况且其灵活性体现在其自由方便可配置上,如果动不动就要打电话给运营商派辆车过来,是否还合适呢?

答案显然是否定的。

最后,我们要来介绍小基站实现中的另一个机制——自组网(Self Organizing Network,SON)。为了更好、更方便地对具有灵活性的小基站群进行配置、优化和修复,自适应的组网技术将取代大基站中繁杂的介入成本。

有关调查指出,在5G应用场景中,50%以上的通信资源被1%的终端占用,而这1%往往在大城市的中心地带和商业区。这些地区的实际通信场景复杂,需要可配置度高的网络。更有甚者,这些区域的物联网也比较丰富。在种种情况交叠下,SON可以被看作是5G通信与物联网通信的的桥梁,为这样的区域提供更有效的组网通信系统。

如果有服务导向的自组网成为可能,那么未来的小基站的实际运营权可能从移动运营商转移到部分转换器实体商家和其他小企业运营单位手中。未来的“网管”不仅管着交换机、无线网,还要管都市移动通信。听上去是不是很棒?

服务导向的自主网发展趋势(Source:华为)

由于社会和通信等一系列的原因,未来小基站会逐渐成为5G通信中不同于大基站的重要增长点,特别在城市CBD区域。毫米波将导致小基站的伪装更加让人难以分辨,与此同时,各种数字化的校准方法也实现了大基站到小基站的低功耗转变。同时,自组网技术可能令5G的商业模式出现重大变革。

5G通信技术系列文章:

《5G通信技术解读|大规模天线阵列技术》

《5G通信技术解读|波束成形如何为5G添翼?》

《5G通信技术解读|如何实现比4G快十倍?毫米波技术是5G的关键》

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