芯耀
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根據(jù)貝哲斯咨詢(xún)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2024年全球5G大規(guī)模MIMO市場(chǎng)容量達(dá)到了一定的規(guī)模，但具體數(shù)值未直接給出，以“億元（人民幣）”為單位。不過(guò)，有預(yù)測(cè)顯示，2024年至2029年，全球大規(guī)模MIMO市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以40.8%的復(fù)合增速增長(zhǎng)。
什么是MIMO
要充分發(fā)揮5G的多Gbps數(shù)據(jù)速度和超低延遲潛力，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商需要在所有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)上提升性能。這意味著需要在頻譜獲取、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和傳輸技術(shù)方面進(jìn)行大量投資。無(wú)論采用何種方式，全國(guó)范圍的5G部署對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)都將非常昂貴。在不耗盡資金的情況下提供5G服務(wù)，是阻礙其廣泛采用的最大障礙。盡管高頻毫米波備受關(guān)注，但運(yùn)營(yíng)商正在Sub-6GHz頻段部署大規(guī)模MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)，以最大限度地降低成本，并在全國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)推出5G服務(wù)。
MIMO，即“多輸入多輸出”，是一種無(wú)線通信天線技術(shù)，使用多個(gè)天線來(lái)發(fā)送和接收信號(hào)。與傳統(tǒng)的無(wú)線通信中使用的單一天線不同，MIMO通過(guò)不同的天線將相同的數(shù)據(jù)作為多個(gè)信號(hào)發(fā)送。這實(shí)現(xiàn)了空間復(fù)用，即每個(gè)信道向接收器傳輸獨(dú)立的信息，使MIMO相比傳統(tǒng)的單一天線具有多重優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)射頻信號(hào)遇到建筑物等障礙物時(shí)，信號(hào)會(huì)發(fā)生散射，并沿不同的路徑到達(dá)目標(biāo)接收器。這種多徑傳播在單天線系統(tǒng)中會(huì)導(dǎo)致接收質(zhì)量差、通話中斷和數(shù)據(jù)速度急劇下降。MIMO無(wú)線電接收并結(jié)合多個(gè)相同數(shù)據(jù)的流，因此能夠利用多徑傳播來(lái)改善信號(hào)質(zhì)量和強(qiáng)度，見(jiàn)圖1。如果環(huán)境散射足夠豐富，則可以在相同的分配帶寬內(nèi)創(chuàng)建許多獨(dú)立的子信道，從而在不需要額外帶寬或功率的情況下獲得質(zhì)量和信號(hào)增益。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以專(zhuān)注于建設(shè)更多天線以滿足需求，而不是建設(shè)更多的基站。
MIMO天線陣列還可以通過(guò)波束賦形和波束轉(zhuǎn)向?qū)⑿盘?hào)聚焦到單個(gè)用戶(hù)的方向。單一天線向所有方向廣播無(wú)線信號(hào)，但通過(guò)數(shù)字和模擬方法，多個(gè)天線可以將信號(hào)聚焦到接收器的特定方向，見(jiàn)圖2。這極大地提高了頻譜效率和功率效率。
圖2 4x4 MIMO示意圖
5G的大規(guī)模MIMO
過(guò)去幾代無(wú)線技術(shù)都利用了MIMO在天線陣列技術(shù)上的進(jìn)步來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)速度。3G引入了單用戶(hù)MIMO，它利用多個(gè)同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流從基站向單個(gè)用戶(hù)傳輸數(shù)據(jù)。4G系統(tǒng)則使用多用戶(hù)MIMO，為不同的用戶(hù)分配不同的數(shù)據(jù)流，從而實(shí)現(xiàn)顯著的容量和性能優(yōu)勢(shì)。隨著5G新無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的推出，MIMO變得“大規(guī)?；薄?G系統(tǒng)通常配備四個(gè)發(fā)射天線和四個(gè)接收天線，即4×4天線陣列。而5G大規(guī)模MIMO則使用多得多的發(fā)射和接收天線來(lái)增加傳輸增益和頻譜效率；有些陣列的規(guī)模甚至達(dá)到256×256。
由于大規(guī)模MIMO使用的天線數(shù)量更多，因此傳輸給接收器的信號(hào)波束要窄得多。這使得基站能夠更精確、更高效地向客戶(hù)傳輸射頻能量。每個(gè)天線的相位和增益都是單獨(dú)控制的，并且由于信道信息保留在基站內(nèi)，移動(dòng)設(shè)備不需要多個(gè)接收天線?；咎炀€的大量增加提高了小區(qū)內(nèi)的信噪比，從而提高了小區(qū)站點(diǎn)的容量和吞吐量。
同樣重要的是，5G技術(shù)建立在4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之上，并且可以使用動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)與之前的技術(shù)共享頻譜。這使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商能夠增加網(wǎng)絡(luò)容量、提供高數(shù)據(jù)速率并節(jié)省頻譜，同時(shí)最大限度地降低運(yùn)營(yíng)商的費(fèi)用。
毫米波的希望與Sub-6 GHz的現(xiàn)實(shí)
毫米波技術(shù)（mmWave）和5G常常被錯(cuò)誤地認(rèn)為是同義詞。毫米波是射頻頻譜上位于24GHz至100GHz之間的一個(gè)頻段，5G網(wǎng)絡(luò)除了使用“低頻段”和“Sub-6GHz”頻段外，還使用這個(gè)頻段。此前，由于該頻段的信號(hào)傳播損耗高，且易被建筑物、樹(shù)葉、雨水和人體阻擋，因此被認(rèn)為不適合用于移動(dòng)通信，見(jiàn)圖5。然而，這些短波長(zhǎng)能夠在短距離內(nèi)傳輸更多數(shù)據(jù)。顯然，要實(shí)現(xiàn)5G的20Gb/s數(shù)據(jù)速率目標(biāo)，最終必須使用毫米波頻譜。雖然移動(dòng)通信領(lǐng)域的許多人對(duì)毫米波的前景感到興奮，但對(duì)其在全國(guó)范圍內(nèi)部署的后勤挑戰(zhàn)卻關(guān)注不夠。
圖5?毫米波傳播損耗示意圖
從基站的角度來(lái)看，這一點(diǎn)變得尤為明顯。毫米波基站的覆蓋范圍遠(yuǎn)小于傳輸?shù)皖l信號(hào)的基站。為了實(shí)現(xiàn)全國(guó)覆蓋，研究人員估計(jì)，美國(guó)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商將需要部署1300萬(wàn)個(gè)基站。從數(shù)字上來(lái)看，目前美國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)由大約30萬(wàn)個(gè)基站支持。在全國(guó)范圍內(nèi)部署所有這些毫米波基站所需的資本支出，因毫米波昂貴的功耗需求而進(jìn)一步增加。除了體育場(chǎng)和城市熱點(diǎn)地區(qū)外，未來(lái)幾年內(nèi)，在全國(guó)范圍內(nèi)部署毫米波并不現(xiàn)實(shí)。
在原始設(shè)備制造商努力降低毫米波技術(shù)成本的同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商將依賴(lài)Sub-6GHz頻段。低頻信號(hào)能夠更深入地穿透建筑物等障礙物，并在基站周?chē)采w更大的區(qū)域后才逐漸衰減，因此適合農(nóng)村和城市地區(qū)，見(jiàn)圖6。這意味著Sub-6 5G可以用更少的基站實(shí)現(xiàn)更多功能，并利用運(yùn)營(yíng)商已有的基站。
圖6 射頻信號(hào)穿過(guò)障礙物示意圖
大規(guī)模MIMO的基礎(chǔ)設(shè)施要求
盡管Sub-6 5G無(wú)法實(shí)現(xiàn)毫米波所帶來(lái)的巨大速度提升，但其大規(guī)模MIMO天線陣列將支持更多的同時(shí)連接，提高信號(hào)吞吐量，并在用戶(hù)覆蓋和容量之間提供最佳平衡。這是一條更現(xiàn)實(shí)的實(shí)施路徑。Sub-6GHz 5G的部署將比毫米波部署更快地提高移動(dòng)寬帶的速度和一致性。它在當(dāng)前4G系統(tǒng)的基礎(chǔ)上立即實(shí)現(xiàn)改進(jìn)，同時(shí)朝著完全集成的5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。因此，業(yè)內(nèi)許多人預(yù)計(jì)，運(yùn)營(yíng)商將競(jìng)購(gòu)較低頻段的頻譜，以便在這些頻段內(nèi)利用動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)提供3G、4G和5G服務(wù)。我們已經(jīng)在國(guó)際5G實(shí)施中看到了這種方法的應(yīng)用。韓國(guó)兩年前就開(kāi)始在較低頻段部署5G，而中國(guó)則將在未來(lái)幾年內(nèi)徹底改造其整個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)全國(guó)5G覆蓋。
這并不是說(shuō)Sub-6 5G的部署會(huì)很簡(jiǎn)單；這些新技術(shù)帶來(lái)了重大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為了在5G基站上應(yīng)用大規(guī)模MIMO技術(shù)，設(shè)計(jì)人員需要開(kāi)發(fā)包含數(shù)百個(gè)天線元件的高度復(fù)雜系統(tǒng)。許多系統(tǒng)采用有源相控陣天線，以便能夠動(dòng)態(tài)地塑造和引導(dǎo)波束到特定用戶(hù)。所有這些額外的天線帶來(lái)了更好的性能，但這些大型天線陣列消耗更多的功率，并且需要專(zhuān)用的射頻前端（RFFE）芯片組和放大。
構(gòu)建支持這些新Sub-6 5G應(yīng)用的射頻前端將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。射頻前端電路對(duì)于4G系統(tǒng)的輸出功率、選擇性和功耗已經(jīng)至關(guān)重要。5G調(diào)制方案帶來(lái)了額外的需求，因此無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施功率放大器（PA）必須非常高效，才能達(dá)到必要的線性度。此外，峰值和最小功率需求之間的巨大差異給功率放大器和射頻前端都帶來(lái)了熱問(wèn)題。
