打通5G技术应用的“任督二脉”,ADI射频与微波技术走向系统与生态化

日期:2018-05-10

 

近日,中国移动率先在国内打通了首个5G电话,媒体认为这意味着一个上万亿元人民币的产业已经逐步拉开序幕。同样是在前不久,国家发改委发布了《2018年新一代信息基础设施建设工程拟支持项目名单》,中国电信、中国移动、中国联通的5G规模组网建设及应用示范工程正式进入名单。作为5G市场和设备技术全球的排头兵,中国在5G应用上的明确态度将加速5G应用的落地部署。
 
在通信射频技术扮演关键角色的ADI公司无线技术部总监Thomas Cameron博士前不久来华参加通信行业活动时,也对中国在推动全球5G发展中扮演的积极作用给予高度评价:“中国移动、电信和联通三大运营商,以及本土设备厂商正在推动5G技术演进和部署落地上的作用巨大。中国正在从3G跟随、4G同步,到5G引领。”

ADI无线技术部总监Thomas Cameron纵谈5G应用挑战

从sub-6G到mm wave,直面5G之路挑战

但是,正如业界专家在对首个5G通话事件的点评所指出,5G应用依然面临很多挑战,预计2019年下半年真正的5G手机终端才能够相对成熟。而其实技术挑战同样存在于设备端。5G网络的核心指标是远高于4G时代的接入速率,业界预测未来20年数据流量将增加至当前的10,000倍。“Sub 6G频段逐渐成为移动运营商5G部署初期优先考虑的频谱资源,其中又以3.5GHz最优。考虑到每个运营商能够获取的3.5GHz频谱资源通常只有100MHz左右,因而如何高效使用有限的频谱资源来提供5G预期的接入速率成为运营商面临的最大挑战。”Thomas Cameron指出。

5G是满足未来广泛的无线通信应用的灵活网络。
 
从现有的频谱资源里面继续提升利用空间是一个明智的方法,因为稀缺的频谱资源是无线蜂窝通信行业发展的命脉。但是,即便蜂窝频段扩展至6GHz以下的频段,5G仍无法满足带宽指数级增长的需求。当6GHz频道以下的通信仅仅能够提供数百MHz的频段资源的时候,20GHz以上的潜在频谱则是数十GHz,基于mm Wave(微波)技术实现5G愿景还面临着许多挑战。 “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。” Thomas表示。
 
5G应用对设备开发的技术挑战,Thomas总结为——体积、功耗和成本。“我们看到像大Massive MIMO里64发64收这样的系统可能是最多的,甚至128收128发。” Thomas指出,“如果用传统的解决方案来设计实现,体积、功耗和成本将会成倍增长,市场是难以接受的。”
 

从器件到系统,“软硬兼施”解决主要难点

“无论是sub 6 GHz还是未来的5G毫米波通信,大规模MIMO系统将成为实现前所未有的频谱效率和容量密度的关键。” Thomas指出,“解决大规模MIMO应用的体积、功耗和成本的挑战,必须从硬件和系统设计入手。”对于拥有完整的射频和微波技术的ADI来说,5G无线设计具有绝对的话语权,特别是ADI在2014年成功收购讯泰(Hittite)公司以后,无线技术完全覆盖0赫兹到100GHz完整的无线频谱范围。
 
在这方面,ADI的几款最新产品代表了业界走向高集成低功耗的设计思路并融入了其独特的创新设计。“在集成式宽带RF收发器AD9371中,我们将近20个芯片和一些外围分离器件集成到单个芯片中,把整个系统的面积缩小近一半,而且把这个信号链的功耗降低了一半。这种方案可以在5G的小蜂窝等设备中发挥很大的作用。” Thomas表示。ADI在射频集成的路上这几年的步伐有明显加快的趋势,去年最新发布的AD9375再次将射频中非常关键的收发器的功能集成推到新的高度,首次在业界将数字预失真 (DPD)功能集成到宽带RF收发器上,相对于基于FPGA解决方案将DPD功耗降低 90%,将SERDES线路数量减少一半,并降低了FPGA复杂性和成本。


从小基站到大规模MIMO应用,体积、功耗和成本都面临新的挑战。
 
“这样的无线电创新非常重要,”Thomas指出,“对于小基站来说,以前很多小基站只支持一个频段,现在要求在同样一个大小的盒子里面同时支持3-4个频段。因此,半导体解决方案在体积、成本和功耗方面等指标上的技术创新将非常关键。”在Thomas的描述中,5G基站的体积可能会比以前更大,一米高、近半米宽。“现代的天线数越来越多,半导体在5G基站应用中可能越来越多,或者说这个里面半导体的分量越来越重,整个行业需要思考怎么样能够把成本、功耗和体积一起做下来。” Thomas表示。
 
在采访中Thomas还指出,5G部署初期阶段基本将仍以宏站建设为主,运营商最关注的还是站点部署的密度和建网成本问题,如何尽可能借助4G站点基础设施解决3.5GHz频段的覆盖短板降低5G新建基站数量也是运营商关注的焦点。“在这方面,ADI一直在探索软件无线电技术来支持系统厂商面对不同无线电技术标准的平滑过渡问题,结合射频至基带收发器PHY和数字处理器,提供可重复使用且适应未来发展的无线电平台。”Thomas表示,他特别提到该公司一直在软件定义无线电领域探索和创新的RadioVerse射频生态系统方案。

一款高度集成的宽带RF收发器AD9371轻松替代过去需要20个以上器件的解决方案。
 
上面提及的AD9371和AD9375都是RadioVerse设计生态系统的硬件组成一环,该系统除了ADI丰富的硬件产品组合,还包括经过测试的PA库、小蜂窝参考设计和评估套件,而其核心价值点之一就是其软件可定义的无线电架构。“基于软件定义的无线电架构可利用软件实现灵活配置,支持不同的频率、频段、不同的制式以及不同的标准以实现系统灵活通用性。”Thomas指出,“以AD9371的软件定义特性为例,客户可以很容易随时改变IF,带宽也可以在8 MHz至100 MHz范围内轻松调整。这些特性对于系统客户很重要,例如同一款基站要在不同地方部署时,软件可定制特性让他们通过微调就能轻松覆盖某个国家特定的频段标准,这对于当前的sub-6GHz的5G应用特别重要。”
 
ADI构建的这个生态系统还包括补充性产品和服务,用于更好地为客户提供支持帮助他们缓解设计压力。例如他们在该生态系统中构建了一个仿真工具生态系统,包含MathWorks和多种第三方硬件和软件包,以便在开始设计软件定义无线电之初,就帮助缩小系统架构师、射频微波设计师和系统软件开发人员之间的开发空白,帮助客户实现更精巧、更高效的设计,同时加快产品上市速度。
 

5G复杂系统应用中,构建完善的产业生态对推进创新应用非常重要。

深度合作,解决5G技术应用落地的最后障碍

在工程师的印象中,ADI在无线通信市场的角色主要是各种射频微波器件的提供商,包括高速ADC/DAC、集成收发器、时钟、PLL,等等。“其实ADI可以提供非常完整的射频微波信号链解决方案,对通讯系统和整个行业有非常深刻的理解,ADI通过与客户非常深、紧密的合作,我们能够提供给他们更完整的系统级解决方案。”Thomas说道。
ADI投资解决未来通信的射频技术挑战。
 
在ADI近年来公开了多起5G应用合作创新案例,国家仪器公司(NI)的第二代向量信号收发器 (VST) 系列便是其中一例。随着5G技术的不断演进,第二代VST的性能和灵活性可使其适应不断变化的标准,成为面向未来、能够应对未来5G严峻挑战的理想测试设备性能。在该产品中,ADI提供的100多款元器件为第二代VST性能的大幅提升以及外形尺寸的缩小提供了有力支撑。
 
“ADI与NI之间深度合作十分关键,正是通过密切合作,ADI和NI才有机会探讨第二代VST如何能够达到行业所需的性能级别,并且ADI会根据NI的精确规格提供定制器件,双方的深入合作也帮助实现了第二代VST的另一个核心优势,即显著缩小的尺寸。”Thomas指出,“这种与核心元器件原厂的深度合作,对于5G技术应用落地来说更具现实意义,特别是随着5G未来走向24-29GHz甚至更高的毫米波频段,企业在这类技术应用上的经验通常很少,与像ADI这样拥有完整的微波、毫米波信号链技术的企业合作能有效解决企业的技术短板。”
 
 

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