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5G基站有机会百家争鸣,机遇和挑战在哪里?

荷叶塘 ? 来源:电子发烧友 ? 作者:程文智 ? 2019-08-26 11:40 ? 次阅读
随着国内5G商用牌照的正式发放,5G网络基础设施建设迎来了火热的施工期。北京、上海、成都和深圳等城市都纷纷表示要在年底前建成超过1万台5G基站,预计全国今年5G基站数量将达到15万台。
移动、联通和电信三大运营商今年在5G方面的投入有望超过400亿元。而根据统计,超过70%的5G业务将发生在室内,也就是说室内移动网络覆盖将非常重要,室内信号的好?#21040;?#30452;接决定5G的业务量,这也将是运营商的核心竞争力。
这也意味着4G时代,碎片化,市场规模不大的小基站行业有望得到发展。目?#23433;?#29992;“宏站+小基站”的组网模式成为5G时代的共识。
在宏基站方面,基本上被华为、中兴、爱立信和诺基亚四大设备供应商所把持,而在小基站方面,部分天线、射频厂家都有望转型专注于提供小基站解决方案,也就是说除了传统的华为、中兴、爱立信和诺基亚等真正体量化的厂家外,其他中小企业也有望切入,未来5G基站厂家将会是百家争鸣的局面。
虽然都可以做,由于5G将会引入毫米波频段,基站的建设也将面临许多新的挑战,那具体有哪些呢?在8月22日中国(深圳)集成电路峰会上,北京无极芯动科技有限公司董事长兼首席科学家,海南大学刘大可教授分享了5G基站集成电路面临的挑战问题。

基站的分类

基站是接入终端与核心网络之间的接入网,根据3GPP制定的规则,无线基站按照功率划分位四大类:宏基站、微基站、皮基站和飞基站。其中,
宏基站是架设在铁塔之上的基站,这种基站体型很大,承载的用户数量很大,覆盖面积很广,一般都能达到数十公里。铁塔的结构设计本身就考虑到了载荷,分为自立式塔式结构和拉线式结构。
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表1:基站分类。
微基站就是微型化的基站,通常指在楼宇中或密集区安装的小型基站,这种基站的体积小、覆盖面积小,承载的用户量比?#31995;汀?#30001;于室外条件恶劣,这种基站的可靠性不如宏基站,维护起来比较困难。
皮基站是比微基站更小型的基站相较于宏基站和微基站,皮基站的单载波发射功率和覆盖能力进一步减小。
飞基站是四种基站中最为小型的基站,飞基站是为家庭基站使用,由家庭宽带接入。
此外,按照设?#24863;?#24577;,基站主要分为一体化基站和分布式基站。一体化基站和分布式基站的主要区别是,一体化基站分为基带处理单元(BBU)、射频处理单元(RRU)和天馈系统三部分,而分布式基站通常指小型RRU,需要连接BBU 才能正常使用。
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表2:按照设?#24863;?#24577;分类的小基站。
就目前来说,宏基站现在还不包括毫米波频段,因为现在宏基站的毫米波还没有定义。而微基站分为室外微基站和室内微基站。
室外的微基站基本上就是宏基站的缩减版,使用的基本也是宏基站的芯片和解决方案。但室内分布式微基站跟宏基站完全不一样,因为它不能使用宏基站的芯片和解决方案。

射频集成电路的挑战

基站其实是将不同的功能分成若干层,在不同层里面就有各种各样的状态机,这些不同的状态机就组成了一个基站系统(见图1)。从这个基站系统中可以看到,集成电路的设计不那么容易,因为它要兼容2、3、4、5G的RRU内的集成电路,包括射频、混合和数字(含前传CPRI/eCPRI、定时)等。还要兼容2、3、4、5G的BBU内的集成电路,包括物理层和协议层。
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图1?#27627;?#22823;可教授在解释基站系统的功能分解。
对于RRU射频集成电路来说,看起来跟手机用的射频集成电?#35775;?#26377;区别,架构都基本类似。其实如果是几兆带宽的话,用超外差是很容易实现的,但如果是到了100M带宽以上的话,情况就完全不一样了。如果加上毫米波的话,就会更加困难。因为一般毫米波有一个微波前端,一般来说微波前端是一个超外差机,中频是Sub 6GHz的射频,这样就会有?#25945;?#20013;频系统,也就是说会有?#25945;?#20302;噪放,?#25945;?#28151;合器,一套混合器最少增加3dB噪声?#25945;?#28151;合器下里,噪声处理就会是一个非常棘手的问题。
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图2:RRU射频集成电路构成。
具体来说,Sub 6G和毫米波射频收发机的面临的共同挑战有:
超大宽带的带内噪声问题、带内?#25945;?#24133;度与均衡延迟设计;
带内多天线之间静态和动态幅度相位的一致性问题;
多天线幅度/相位的静态和动态校准问题。因为天线被封装,毫米波器件商无射频测试端子。使用OTA辐射测试方法来进行准确的、EMC的设备特性分析的测试系统,成为5G毫米波测试测量的新希望和新挑战;
Armstrong架构的挑战,(LO与MIX的jitter问题),刘大可教授认为我们目前在?#38750;?#19968;个不用超外差的毫米波接收机,因为超外差毫米波接收机目前全世界没有一家做好的,ADITI也没有相应的解决方案。
可以说现在大家都在期待一个不需要用超外差的毫米波接收机系统出现,也有人在考虑无线光通信系统,但由于其上行问题没有解决,目前还取代不了微波系?#22330;?/div>

混合电路的挑战

在RRU混合电?#20998;校?#25968;字预失真(DPD)系统是相当重要的一个存在。数字预失真(DPD)是目前无线通信系统中最基本的构建块之一。其用于提高功率放大器的效率。通过减少功率放大器在其非线性区运行时产生的失真,功率放大器的效率可得到大幅提升。不使用 CFR 或 DPD 算法的无线基站通常效?#24335;系停?#22240;此运营和?#24335;?#35774;备成本也较高。一个输出 WCDMA 波形的典型 AB 类 LDMOS 功率放大器的效率约为 8%~15%。利用 CFR 和 DPD 算法,效率?#21830;?#21319;至 30%~40%,从而大幅降低网络运营商的?#26102;局?#20986;和运营支出。
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图3:RRU混合集成电?#38750;?#21183;。
在RRU数字集成电路部分,不论是宏基站还是微基站都面临着同样的挑战。
首先是宏站还是微站都有各自的低功耗和低延迟需求问题。就应用场景来说,有122.88Msps,option8、option7-1和Option7-2;运算量方面,宏站要做到16天线,8TOPS的运算量;微站也要做到4天线,2TOPS的运算量;在数据搬移量方面,宏站要做到16天线,160gbps的数据搬移量;微站也要做到4天线,40gbps的数据搬移量。
另外,还要支持多带宽多速率适配、支持BBU处理256QAM;支持多种RRU和BBU分解的option;支持授时、同步、时钟?#30784;?#29305;别是TD的同步、多天线同步;支持兼容各CPRI/Ecpri/xDSL/PON和SerDes的联合设计;支持各模拟IC厂家的JESD204B/C和SerDes的联合设计。
现在,各个厂商基本都只有宏基站的解决方案,因为他们是?#36824;?#21151;耗的,40W,50W都没问题。但是微站的射频头是不能带风扇的,也就是说要4W以下,而4W以下的解决方案,现在全世界都还没有,大家都在努力。
还有5G基站需要用到的DPD,它要求200M带宽,五次谐波,和1GHz左右频率,以及16天左右的长记忆功能,这样的DPD系统是非常难做的。目前全世界还没有厂商做出相应的解决方案。虽然之前ADI宣称有相应的解决方案,但其Release日期延迟多次了,都没有推出其正式解决方案。

BBU基带集成电路的挑战

BBU基带集成电路分为上行和下行部分,目前总共有5种实现方式。分别为通用处理器、向量处理器、专用处理器、专用集成电路和FPGA实现方式。
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BBU基带集成电路

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图4:基带集成电路概述。
现在各家厂商基本都是在用FPGA来实现;也有用向量处理器实现的,?#28909;?#21326;为、中兴和爱立信;使用专用处理器实现的厂商目前还比较少,刘大可教授所在的北京无极芯动科技有限公司就在开发专用处理器解决方案。当然,这5种实现方式都有其各自的优缺点,详细见图5所示。
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BBU集成电路的几种实现方法

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图5:BBU集成电路5种实现方法的优缺点。
此外,还有协议栈集成电路的挑战,?#36824;?#36825;个挑战目前来说不是很大,比较容易解决。

结语

可以说今年是5G的应用元年,大规模的基础设施建设明年可能才会正式开始,早期应该先铺设宏基站,但随着部分区域宏基站建设基?#23601;?#25104;,高频段逐步投入使用,小基站的建设也将逐步启动。这对切入小基站业务的中小企业来说是一次不容错过的好机会。
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宝安明年8月底前将累计完成建设8000个,实现5G网络全覆盖

广电总局印发《有线电视网络升级改造技术指?#23478;?#35265;》引多种技术路线加快5G布局

近年来,互联网、大数据、云计算、人工智能和5G 等高新技术?#35813;?#21457;展,并在媒体领域广泛应用,有线电视网....
的头像 倩倩 发表于 10-11 17:00 ? 324次 阅读
广电总局印发《有线电视网络升级改造技术指?#23478;?#35265;》引多种技术路线加快5G布局

?#35775;?#22996;员会已发出强烈信号,不会支持任何?#29616;匾览?#21333;?#36824;?#24212;商的5G网络

这份由?#35775;?#25104;员国和?#20998;?#32593;络安全机构(European Agency for Cybersecurit....
的头像 倩倩 发表于 10-11 16:57 ? 262次 阅读
?#35775;?#22996;员会已发出强烈信号,不会支持任何?#29616;匾览?#21333;?#36824;?#24212;商的5G网络

你觉得神奇的世界正在靠近

5G使能万物智联,共建共享是必由之路,智慧城市建设的浪潮势不可挡,从物联网到智联网,各企业都在不断探....
发表于 10-11 16:56 ? 131次 阅读
你觉得神奇的世界正在靠近

鹤壁市政府网站发布《关于加快推进5G网络建设发展的通知 》

加快推进5G网络建设。鹤壁铁塔公司、各基础电信运营公司要认真落实通信基础设施共建共享要求,结合5G基....
的头像 倩倩 发表于 10-11 16:52 ? 302次 阅读
鹤壁市政府网站发布《关于加快推进5G网络建设发展的通知 》

英国电信宣?#35745;?G服务上线

EE目前提供OnePlus 7 Pro 5G,三星Galaxy S10 5G,Oppo Reno 5....
的头像 倩倩 发表于 10-11 16:36 ? 212次 阅读
英国电信宣?#35745;?G服务上线

5G网络应用上AI后会有什么改变

5G网络需要支持超大带宽、超低延时及海量连接场景,可服务于自动驾驶、工业控制、智能电网、大视频、AR....
发表于 10-11 16:31 ? 46次 阅读
5G网络应用上AI后会有什么改变

5G核心网服务化架构是怎样的

传统的通信网主要面向人与人之间的通信需求而建设,随着万物互联垂直行业的海量需求,传统网络软硬件绑定,....
发表于 10-11 16:27 ? 32次 阅读
5G核心网服务化架构是怎样的

新一代FPGA该如何应对网络威胁?

嵌入式系统设计人员有了新的网络安全武器,可以保证信息安全、防止篡改和建立可信任的系?#22330;? ...
发表于 10-11 07:15 ? 17次 阅读
新一代FPGA该如何应对网络威胁?

嵌入式微处理器MicroBlaze有什么优点?

MicroBlaze是一款基于构造的的嵌入式微处理器,它的显著优势在于能满足复杂应用的需求,在除了运行简单的通用应用以外,还能运...
发表于 10-11 07:08 ? 49次 阅读
嵌入式微处理器MicroBlaze有什么优点?

SoC验证平台的FPGA综?#26174;?#20040;实现?

SoC芯片的规模一般远大于普通的ASIC,同时深亚微米工艺带来的设?#35780;?#38590;等使得SoC设计的复杂度大大提高。仿真与验证是SoC...
发表于 10-11 07:07 ? 55次 阅读
SoC验证平台的FPGA综?#26174;?#20040;实现?

请问目前FPGA设计流程还需要考虑哪些事项?

目前xilinx 在FPGA设计上总结出了UFDM这个名词,也有ug949这篇经典的文?#25285;?#23558;FPGA设计的流程、方法、注意事项都有详...
发表于 10-11 07:04 ? 20次 阅读
请问目前FPGA设计流程还需要考虑哪些事项?

TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

TMP411设备是一个带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监视器。远程温度传感器,二极管连接的晶体管通常是?#32479;?#26412;,NPN或PNP型晶体管或二极管,是微控制器,微处理器或FPGA的组成部分。 远程精度为±1 °C适用于多个设备制造商,无需校准。双线串行接口接受SMBus写字节,读字节,发送字节和接收字节命令,以设置报警阈值和读取温度数据。 TMP411器件中包含的功能包括:串联电阻取消,可编程非理想因子,可编程分辨率,可编程阈值限制,用户定义的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大温度监视器,宽远程温度测量?#27573;В?#39640;达150°C),二极管?#25910;?#26816;测和温度警报功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封装。 特性 ±1°C远程二极管传感器 ±1°C本地温度传感器 可编程非理想因素 串联电阻取消 警报功能 系统校准的偏移寄存器 与ADT7461和ADM1032兼容的引脚和寄存器 可编程分辨率:9至12位 可编程阈值限...
发表于 09-19 16:35 ? 73次 阅读
TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远程和本地温度传感器

TMP468器件是一款使用双线制SMBus或I 2 C兼容接口的多区域高精度低功耗温度传感器。除了本地温度外,还可以同时监控多达八个连接远程二极管的温度区域。聚合系统中的温度测量可通过缩小保护频带提升性能,并且可以降低电路板复杂程度。典型用例为监测服务器和电信设备等复杂系统中不同处理器(如MCU,GPU和FPGA)的温度。该器件将诸如串联电阻抵消,可编程非理想性因子,可编程偏移和可编程温度限值等高级特性完美结合,提供了一套精度和抗扰度更高且稳健耐用的温度监控解决方案。 八个远程通道(以及本地通道)均可独立编程,设定两个在测量位置的相应温度超出对应值时触发的阈值。此外,还可通过可编?#22363;?#28382;设置避免阈值?#20013;?#20999;换。 TMP468器件?#21830;?#20379;高测量精度(0.75°C)和测量分辨率(0.0 625°C)。该器件还支?#20540;?#30005;?#26500;歟?.7V至3.6V)和通用双线制接口,采用高空间利用率的小型封装(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在计算系统中轻松集成。远程结支持-55°C至+ 150°C的温度?#27573;А? 特性 8通道远程二极管温度传感器精度:±0.75&...
发表于 09-18 16:05 ? 77次 阅读
TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远程和本地温度传感器
达祖部落拉措
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