打通5G技術應用的「任督二脈」，「軟硬兼施」解決其應用落地的障礙

近日，中國移動率先在國內打通了首個5G電話，媒體認為這意味著一個上萬億元人民幣的產業已經逐步拉開序幕。同樣是在前不久，國家發改委發布了《2018年新一代信息基礎設施建設工程擬支持項目名單》，中國電信、中國移動、中國聯通的5G規模組網建設及應用示範工程正式進入名單。作為5G市場和設備技術全球的排頭兵，中國在5G應用上的明確態度將加速5G應用的落地部署。

在通信射頻技術扮演關鍵角色的ADI公司無線技術部總監Thomas Cameron博士前不久來華參加通信行業活動時，也對中國在推動全球5G發展中扮演的積極作用給予高度評價：「中國移動、電信和聯通三大運營商，以及本土設備廠商正在推動5G技術演進和部署落地上的作用巨大。中國正在從3G跟隨、4G同步，到5G引領。」

ADI無線技術部總監Thomas Cameron縱談5G應用挑戰

從sub-6G到mm wave，直面5G之路挑戰

但是，正如業界專家在對首個5G通話事件的點評所指出，5G應用依然面臨很多挑戰，預計2019年下半年真正的5G手機終端才能夠相對成熟。而其實技術挑戰同樣存在於設備端。5G網路的核心指標是遠高於4G時代的接入速率，業界預測未來20年數據流量將增加至當前的10,000倍。「Sub 6G頻段逐漸成為移動運營商5G部署初期優先考慮的頻譜資源，其中又以3.5GHz最優。考慮到每個運營商能夠獲取的3.5GHz頻譜資源通常只有100MHz左右，因而如何高效使用有限的頻譜資源來提供5G預期的接入速率成為運營商面臨的最大挑戰。」Thomas Cameron指出。

5G是滿足未來廣泛的無線通信應用的靈活網路。

從現有的頻譜資源裡面繼續提升利用空間是一個明智的方法，因為稀缺的頻譜資源是無線蜂窩通信行業發展的命脈。但是，即便蜂窩頻段擴展至6GHz以下的頻段，5G仍無法滿足帶寬指數級增長的需求。當6GHz頻道以下的通信僅僅能夠提供數百MHz的頻段資源的時候，20GHz以上的潛在頻譜則是數十GHz，基於mm Wave（微波）技術實現5G願景還面臨著許多挑戰。 「巨大的市場需求正在推動朝毫米波邁進的技術革命，但覆蓋和建網成本壓力需要通過技術手段去克服。」 Thomas表示。

5G應用對設備開發的技術挑戰，Thomas總結為——體積、功耗和成本。「我們看到像大Massive MIMO里64發64收這樣的系統可能是最多的，甚至128收128發。」 Thomas指出，「如果用傳統的解決方案來設計實現，體積、功耗和成本將會成倍增長，市場是難以接受的。」

從器件到系統，「軟硬兼施」解決主要難點

「無論是sub 6 GHz還是未來的5G毫米波通信，大規模MIMO系統將成為實現前所未有的頻譜效率和容量密度的關鍵。」 Thomas指出，「解決大規模MIMO應用的體積、功耗和成本的挑戰，必須從硬體和系統設計入手。」對於擁有完整的射頻和微波技術的ADI來說，5G無線設計具有絕對的話語權，特別是ADI在2014年成功收購訊泰（Hittite）公司以後，無線技術完全覆蓋0赫茲到100GHz完整的無線頻譜範圍。

在這方面，ADI的幾款最新產品代表了業界走向高集成低功耗的設計思路並融入了其獨特的創新設計。「在集成式寬頻RF收發器AD9371中，我們將近20個晶元和一些外圍分離器件集成到單個晶元中，把整個系統的面積縮小近一半，而且把這個信號鏈的功耗降低了一半。這種方案可以在5G的小蜂窩等設備中發揮很大的作用。」 Thomas表示。ADI在射頻集成的路上這幾年的步伐有明顯加快的趨勢，去年最新發布的AD9375再次將射頻中非常關鍵的收發器的功能集成推到新的高度，首次在業界將數字預失真 (DPD)功能集成到寬頻RF收發器上，相對於基於FPGA解決方案將DPD功耗降低 90%，將SERDES線路數量減少一半，並降低了FPGA複雜性和成本。

從小基站到大規模MIMO應用，體積、功耗和成本都面臨新的挑戰。

「這樣的無線電創新非常重要，」Thomas指出，「對於小基站來說，以前很多小基站只支持一個頻段，現在要求在同樣一個大小的盒子裡面同時支持3-4個頻段。因此，半導體解決方案在體積、成本和功耗方面等指標上的技術創新將非常關鍵。」在Thomas的描述中，5G基站的體積可能會比以前更大，一米高、近半米寬。「現代的天線數越來越多，半導體在5G基站應用中可能越來越多，或者說這個裡面半導體的分量越來越重，整個行業需要思考怎麼樣能夠把成本、功耗和體積一起做下來。」 Thomas表示。

在採訪中Thomas還指出，5G部署初期階段基本將仍以宏站建設為主，運營商最關注的還是站點部署的密度和建網成本問題，如何儘可能藉助4G站點基礎設施解決3.5GHz頻段的覆蓋短板降低5G新建基站數量也是運營商關注的焦點。「在這方面，ADI一直在探索軟體無線電技術來支持系統廠商面對不同無線電技術標準的平滑過渡問題，結合射頻至基帶收發器PHY和數字處理器，提供可重複使用且適應未來發展的無線電平台。」Thomas表示，他特別提到該公司一直在軟體定義無線電領域探索和創新的RadioVerse射頻生態系統方案。

一款高度集成的寬頻RF收發器AD9371輕鬆替代過去需要20個以上器件的解決方案。

上面提及的AD9371和AD9375都是RadioVerse設計生態系統的硬體組成一環，該系統除了ADI豐富的硬體產品組合，還包括經過測試的PA庫、小蜂窩參考設計和評估套件，而其核心價值點之一就是其軟體可定義的無線電架構。「基於軟體定義的無線電架構可利用軟體實現靈活配置，支持不同的頻率、頻段、不同的制式以及不同的標準以實現系統靈活通用性。」Thomas指出，「以AD9371的軟體定義特性為例，客戶可以很容易隨時改變IF，帶寬也可以在8 MHz至100 MHz範圍內輕鬆調整。這些特性對於系統客戶很重要，例如同一款基站要在不同地方部署時，軟體可定製特性讓他們通過微調就能輕鬆覆蓋某個國家特定的頻段標準，這對於當前的sub-6GHz的5G應用特別重要。」

ADI構建的這個生態系統還包括補充性產品和服務，用於更好地為客戶提供支持幫助他們緩解設計壓力。例如他們在該生態系統中構建了一個模擬工具生態系統，包含MathWorks和多種第三方硬體和軟體包，以便在開始設計軟體定義無線電之初，就幫助縮小系統架構師、射頻微波設計師和系統軟體開發人員之間的開發空白，幫助客戶實現更精巧、更高效的設計，同時加快產品上市速度。

在5G複雜系統應用中，構建完善的產業生態對推進創新應用非常重要。

深度合作，解決5G技術應用落地的最後障礙

在工程師的印象中，ADI在無線通信市場的角色主要是各種射頻微波器件的提供商，包括高速ADC/DAC、集成收發器、時鐘、PLL，等等。「其實ADI可以提供非常完整的射頻微波信號鏈解決方案，對通訊系統和整個行業有非常深刻的理解，ADI通過與客戶非常深、緊密的合作，我們能夠提供給他們更完整的系統級解決方案。」Thomas說道。

ADI投資解決未來通信的射頻技術挑戰。

在ADI近年來公開了多起5G應用合作創新案例，國家儀器公司（NI）的第二代向量信號收發器 (VST) 系列便是其中一例。隨著5G技術的不斷演進，第二代VST的性能和靈活性可使其適應不斷變化的標準，成為面向未來、能夠應對未來5G嚴峻挑戰的理想測試設備性能。在該產品中，ADI提供的100多款元器件為第二代VST性能的大幅提升以及外形尺寸的縮小提供了有力支撐。

「ADI與NI之間深度合作十分關鍵，正是通過密切合作，ADI和NI才有機會探討第二代VST如何能夠達到行業所需的性能級別，並且ADI會根據NI的精確規格提供定製器件，雙方的深入合作也幫助實現了第二代VST的另一個核心優勢，即顯著縮小的尺寸。」Thomas指出，「這種與核心元器件原廠的深度合作，對於5G技術應用落地來說更具現實意義，特別是隨著5G未來走向24-29GHz甚至更高的毫米波頻段，企業在這類技術應用上的經驗通常很少，與像ADI這樣擁有完整的微波、毫米波信號鏈技術的企業合作能有效解決企業的技術短板。」

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