用于Sub-6GHz 5G网络的半导体技术趋势 留言
Semiconductor Trends in Sub-6GHz 5G Networks
Eric Higham，Strategy Analytics，美国马萨诸塞州波士顿
新冠肺炎的爆发给全球供应链带来了挑战。但在此之前，射频和微波半导体行业就已经面临着巨大阻力。蜂窝通信市场，尤其是手持设备，占据了化合物半导体收入的50%以上。十多年来，这项应用一直是行业强劲的驱动力，但如今有些后继乏力。射频GaAs设备的营收在2019年下降了，主要原因在于智能手机出货量减少。不过尽管如此，化合物半导体行业的未来还是一片光明。这种乐观的估计主要源于5G网络和设备，这一新标准有望成为整个半导体行业的增长引擎。
5G市场
自2019年以来，无线运营商就一直在部署5G网络和设备，所以5G愿景的三大核心人们应该很熟悉了。图1简单展示了其主要构成，以及这三大项目能够实现的功能。运营商和设备制造商将面临的挑战是实现这些场景的时效及程度。
5G其实是广泛使用的一种不准确术语，可以指代独立和非独立两种形式，后者利用现有LTE核心和信令网络组网。此外，还分为毫米波频段（也即“FR2”或“高频段”）和sub-6GHz频段（也称为“FR1”，由“低频段”及“中频段”组成）。3GPP行业标准组织正抓紧进行5G标准化工作，对Rel-15进行修订；同时Rel-16/17标准将着重于5G其他方面的问题，预计于2022年底前审批通过。
除了不断完善的技术标准外，大家还普遍关心5G的商业模式。运营商如何区分5G和LTE网络？5G网络会实现愿景中的全部还是一小部分目标？
5G网络Sub-6GHz频段
部署新一代无线网络是一项昂贵的工程，因此运营商正努力开发5G应用并将其变现。虽然大家在5G愿景的三大场景上都投入了大量研发精力，但前期的5G市场营销主要着重于增强移动宽带（eMBB）。运营商在网络覆盖范围以及速率上相互竞争，这也间接影响了Sub-6GHz网络架构和技术。
劣势
如果要比速率或容量，那5G网络Sub-6GHz频段一下子就不占优了。这是香农–哈特利定律附带的结果。该定律描述了特定信道带宽中所能传输的最大数据速率理论值：
C = B*log2 (1+SNR)
其中C为信道容量的极限（bit/s），B为信道带宽（Hz），SNR为信噪比。
尽管全球每天都在分配新的Sub-6GHz频段，这些频段的带宽还是只能以数十或数百MHz计。而在毫米波段，带宽通常都是GHz级的。与毫米波相比，这一点是Sub-6GHz网络的根本劣势。图2展示了爱立信认为应当如何将现有的LTE网络进化到具有最佳覆盖范围、容量和性能的5G。该混合网络合并了现存的2G/3G/4G标准和频段，以及5G的Sub-6GHz及毫米波段。整个演化过程始于不同LTE频段的载波聚合（CA）。进化后的网络具备双连接（DC），其中下行链路在涵盖更多信道带宽的5G Sub-6GHz频段上运行，而上行链路信号留在LTE网络。最终，网络升级成为在Sub-6GHz和毫米波频段上包含CA和DC多种组合的模式。
优势
图2展现了运营商将LTE网络升级至功能完备的5G网络的理想情况。这一演变过程涉及了多个频带和标准以及CA和DC，从而导致实施起来既复杂又昂贵。而网络的Sub-6GHz部分虽然具有信道带宽不足的问题，并增加了混合网络的复杂性，但也为5G网络带来了诸多好处。
低频段的一大优势是信号传播特性。发射信号的路径损耗以20log10(f)的倍数关系随频率增加而增加。距离相同的情况下，28GHz的信号比700MHz的信号损耗多32dB。鉴于基站最大发射功率恒定，这种高频段下增加的路径损耗大大限制了28GHz设备的覆盖范围。还有，Sub-6GHz信号比毫米波信号具有更低的建筑物穿透损耗。这一点对于在大城市地区部署5G网络至关重要。
Sub-6GHz网络在多进多出（MIMO）技术和大规模MIMO天线的应用方面也占据明显优势。MIMO依赖于基站和用户终端的多个发射器及接收器。因为辐射器是分开的，发射信号沿着不同路径抵达接收器。利用空间分集和多路复用技术，再加上单信道多数据流和多路传播，能够提高信号强壮性（信噪比）还有数据速率。
这种MIMO天线架构将成为大多数5G网络的中流砥柱，因为若对公式1中的信道容量取一级近似，MIMO天线能将其增大n倍（n等于天线辐射器对的数量）。
原文始发于微信公众号（actMWJC）
