5G最早的用途之一會是固定無線接入(FWA)，后者能夠提供千兆級網速。向家庭、公寓或企業提供 FWA 所花費的時間和成本僅是傳統電纜/光纖安裝的一小部分。就像任何其他技術進步一樣，FWA 帶來了新的設計難題，讓人們需要做出新的技術決策。下面我們將深入探討在設計 FWA 系統時需要考慮的五個因素：

頻譜選擇：毫米波(mmWave) 或 6 GHz 以下

使用天線陣列實現更快的數據速率

全數字或混合波束形成

功率放大器 (PA) 技術選擇：硅鍺 (SiGe) 或氮化鎵 (GaN)

從現有的 RF 前端 (RFFE) 產品組合中選擇組件

#1: 頻譜選擇：毫米波還是 6 GHz 以下

第一個要做出的決策是 FWA 使用毫米波還是 6 GHz 以下頻率：

毫米波。這類較高的頻率能夠以低成本提供大量的連續頻譜。毫米波支持寬達 400 MHz 的分量載波，能夠實現千兆級數據速率。其中的挑戰是植被、建筑和干擾等障礙的影響會導致路徑損耗。但是，不要認為 FWA 只能在基站與家庭之間視線障礙較少的環境中使用。實際上，FWA 在城市和郊區環境下都可以表現良好。植被和干擾確實帶來了挑戰，但是可以使用天線陣列提供高增益來克服這些問題。

6 GHz 以下。這類較低的頻譜有助于克服障礙物導致的問題，但是也要付出一定代價。由于只能提供 100 MHz 的連續頻譜，因此數據速率較低。

有效使用頻率范圍 （6 GHz 以下或毫米波）對于實現擴展部署來說至關重要。無論在何種情形中，進行選擇時都需要均衡考慮目標速率與覆蓋范圍。

#2: 使用天線陣列實現更快的數據速率

FWA 系統還需要采用有源天線系統(AAS) 和大規模 MIMO（多路輸入/多路輸出），以便提供千兆級服務。

AAS提供了許多定向天線波束。這些波束在不到一微妙的時間內重新定向，進而實現波束形成，用于補償高頻率下的較大路徑損耗。

大規模 MIMO使用由數十、數百甚至數千個天線組成的陣列，能夠同時向每位用戶傳輸單個或多個數據流。這既提升了容量和可靠性，又實現了高數據速率和低延遲。波束形成還可以減少小區間干擾并優化信號覆蓋。

進一步了解 AAS 和 MIMO：載波網絡將如何實現5G

#3: 全數字或混合波束形成

第三個考慮因素是采用什么類型的波束形成——全數字還是混合型。

全數字方法

在毫米波基站應用中，最顯而易見的選擇是升級當前的平臺。您可以探索用于 6 GHz 以下頻率的全數字波束形成大規模 MIMO 擴展平臺，但這并不是即插即用型解決方案。

全數字方法存在以下限制：

功耗。數字波束形成需要使用許多低分辨率模數轉換器 (ADC)。但是，具有高采樣頻率和標準有效位數分辨率的 ADC 可能產生大量功耗。這樣的功耗會成為接收器的瓶頸。對于全數字波束形成解決方案來說，具有海量帶寬的大型 AAS 是一個巨大挑戰。從根本上說，功耗會限制這種設計。

在密集城市環境中需要使用二維掃描。所需的掃描范圍取決于部署場景，如下圖所示。在高密度的城市部署中，方位角（約 120°）和仰角（約 90°）方向都需要較寬的掃描范圍。對于郊區部署，仰角平面的固定或有限掃描范圍 (< 20°) 可能就足夠了。郊區部署只需有限的掃描范圍或一半的有源信道，就能夠實現相同的全向性輻射功率(EIRP)，從而有效降低了功耗和成本。

記住：陣列大小取決于以下方面：

掃描范圍（方位角和仰角）

所需的 EIRP

EIRP是以下幾個數值的乘積：:

有源信道的數量

每個信道的傳導發射功率

波束形成增益（陣列系數）

固有天線元件增益

為了實現 75 dBm 的目標 EIRP 和波束形成增益，全數字解決方案在使用當今技術的情況下將需要 16 個收發器。這相當于 440 W 的總功耗。但是對于戶外被動冷卻、塔頂電子設備，當 RF 子系統的功耗超過 300 W 時，熱管理就相當具有挑戰性。因此，我們需要新的技術解決方案。

高效率的 GaN Doherty PA 和數字預失真 (DPD) 相結合或可提供所需的裕度，但是這類器件在毫米波應用中的使用仍處于研發階段。不過也不需要太久，我們就能看到全數字波束形成解決方案。以下幾個方面的發展將會使它成為現實：

新一代節能的數模轉換器和模數轉換器

毫米波 CMOS 收發器進步

小信號集成度提高

混合方法

另一種方法是混合波束形成，其中預編碼和組合在基帶和 RF 前端模塊 (FEM) 區域中完成。由于 RF 鏈、模數轉換器和數模轉換器的總數量有所減少，混合波束形成既能實現與數字波束形成相似的性能，同時又可以節省能源并降低復雜度。

混合波束形成的另一個優勢是，可以同時滿足郊區部署的固定或有限掃描范圍（< 20°）和高密度城市部署所需的寬方位角（約 120°）和仰角（約 90°）掃描范圍。

總的來說：全數字方法和混合方法各有利弊。我們認為，目前混合方法更具吸引力和可行性，但是在未來，即將問世的新產品可能會使全數字方法同樣具有吸引力。

#4: PA 技術選擇：SiGe 還是 GaN

在選擇用于 FWA 前端的技術時，需要考慮系統在 EIRP、天線增益和噪聲系數 (NF) 方面的需求。這些都由波束形成增益確定，而波束形成增益則由陣列大小確定。目前，您可以選擇使用 SiGe 前端或 GaN 前端來滿足所需的系統需求。

美國聯邦通信委員會 (FCC) 已經規定了 28 GHz 和 39 GHz 頻譜的 EIRP 最高限值，如下表所示。

為了使用均勻矩形陣列實現 75 dBm EIRP，每個信道的 PA 功率輸出將隨著元件數量的增加（即波束形成增益的增加）而減少。如下圖所示，隨著陣列大小變得越來越大（超過 512 個有源元件），每個元件的輸出功率將變得足夠小，以便使用 SiGe PA，然后 SiGe PA 集成至核心波束形成器 RFIC 中。

從下表可以看出，SiGe PA 可以通過 1024 個有源信道實現 65 dBm EIRP。但是，如果前端采用 GaN 技術，則實現相同 EIRP 所需的信道數減少到 1/16。

GaN FWA 前端還具備以下優點：

總功耗更低。為確保比較的準確性，GaN 功耗還包括饋入前端所需的 128 個波束形成器分支的 19.2W 功耗。如下圖所示，在目標 EIRP 為 65 dBm 時，GaN 的總功耗 (127Pdiss) 低于 SiGe。這對于塔頂系統設計來說較為有利。

可靠性更高。GaN 比 SiGe 更為可靠，在 200°C 結溫條件下的 MTTF 超過 107 小時。而 SiGe 的結溫限制大約為 130°C。

尺寸更小，復雜度更低。GaN 的高功率能力可以減少陣列元件數量和陣列尺寸，從而簡化了裝配過程，并縮小了整個系統尺寸。

總而言之：在無線基礎設施中，設備壽命必須至少為 10 年，因此可靠性至關重要。對于 FWA 來說，綜合考慮可靠性、成本、低功耗和陣列尺寸后，選擇 GaN 比選擇 SiGe 更好。

#5: 從現有的 RF 技術中選擇

最后一個考慮因素是選擇實際應用中正在使用的產品解決方案。多家 RF 公司已經有意支持研發 6 GHz 以下和厘米波/毫米波 FWA 基礎設施。例如，Qorvo 已經在供應相關產品，用于多個第 1 層和第 2 層供應商現場試驗。在整個 RF 行業，FWA 產品示例包括：

6 GHz 以下頻率產品：雙通道開關/LNA 模塊和集成式 Doherty PA 模塊

厘米波/毫米波：集成式發送/接收模塊

此外，在 5G 基礎設施領域中，還必須考慮以下幾個因素：

集成

滿足高溫條件下的被動冷卻需求

為了響應這些趨勢，Qorvo 已經打造了用于厘米波/毫米波的集成發送和接收模塊，以及集成式 GaN 前端模塊。這些集成模塊包括 PA、開關和 LNA，并且具有高增益，能夠驅動核心波束形成器 RFIC。為了滿足基礎設施的被動式冷卻規格要求，我們采用碳化硅基氮化鎵 (GaN-on-SiC) 來支持更高的結溫條件。

有關 Qorvo FWA 解決方案的更多信息，請單擊以下圖片或訪問我們的5G基礎設施頁面，在那里您可以找到產品詳細信息和交互式框圖。

進一步了解以下產品：

QPA3503, QPA4501, QPA2705

QPB9318, QPB9319, QPB9328, QPB9329

進一步了解以下產品：

TGP2100, QPC1000

TGA2594-HM

QPF4005

QPF4006

FWA 時代即將到來

FWA 已經開始實施，很快就能實現完全商業化。目前，我們認為混合波束形成是最佳的解決方法。此外，GaN 與 SiGe 核心波束形成可以滿足 75 dBm 的 FCC EIRP 目標和 100 MHz 的基站目標。這種方法還可以最大限度地降低成本、復雜度、尺寸和功耗。

審核編輯黃昊宇