【導讀】5G 部署主要受兩大關鍵因素驅動，而這兩大因素往往又彼此矛盾：一個是係統容量（頻譜效率），另一個是係統成本（能量效率）。頻譜效率描述了能夠提供多少容量，通常以 bps/HZ（比特每秒每赫茲）為單位，而能量效率則描述了在給定容量下運營網絡所需的成本。

對dui於yu過guo去qu的de移yi動dong技ji術shu而er言yan，成cheng本ben幾ji乎hu隨sui著zhe容rong量liang的de上shang升sheng等deng比bi例li增zeng長chang，因yin為wei提ti供gong更geng高gao的de容rong量liang意yi味wei著zhe搭da建jian更geng多duo基ji站zhan或huo增zeng加jia網wang絡luo內nei的de頻pin譜pu帶dai寬kuan。雖sui然ran這zhe種zhong方fang法fa在zai過guo去qu得de以yi維wei持chi
，但dan如ru果guo對dui 4G 網絡容量的需求遞增 10 倍到 100 倍，則這種方法將難以沿用，原因在於消費者不太可能願意支付隨之增長的費用。如圖 1 所示，為了推進移動網絡的發展，業界需要解決如何在提升整個網絡容量的同時降低網絡運行成本的難題。

圖 1：5G 商業案例

蜂窩網絡需要多少運行成本？

盡管基站能量效率在 2G 到 4G 轉換期間得到明顯提升，但由於網絡密集化，隨之增加的容量也導致成本大幅上升（圖 2）。在蜂窩網絡的搭建和運行中，絕大部分支出在於為基站提供空調遠程控製及場地租賃（參考文獻 1 和 2）。從初期的資本性支出 (CAPEX) 來看，空調成本占比超過 50%，剩下的則主要為基站設備成本。類似地

，從經常性運營支出 (OPEX) 來看，電力幾乎也占到了支出的 50%。大部分電力用於遠程分布式空調網絡的運行，目的在於冷卻基帶處理器（無線電單元通常采用風冷，無需額外的空調係統），然而實際傳輸的能量僅占 OPEX 的 7%。若要部署更多基站，則原本占比 30% 的場地租賃支出也將隨之增加，如此一來，部署更多基站這種簡易方案就非理想之選（對於 5G FR2 來說這是一個大問題
，因為相較於 5G FR1，前者的小區範圍會大幅縮小）。

圖 2：蜂窩網絡的功耗

conggonghaofenxikeyimingxiankanchu，dabufenzhichulaiziyujizhanzhongjidaichulibufendefenbushibushuhekongtiaodeyuanchengbushu。zhongguoyidongtiyianzhaohulianwangshujucunchusheshideleisifangshijizhongbushujidaichuli。tu 3 展示了基帶係統雲架構，即基站中的每個基帶都會成為雲端的一台虛擬機 (C-RAN)，甚至傳統式的獨立網絡設備（如網關）也可以作為虛擬機集成到雲端。通過集中部署基帶處理，能夠實現遠程空調控製集中化
，從而大幅降低 OPEX 和 CAPEX。此外
，當分散的基站通過集中化控製對移動電話進行傳輸時（網絡 MIMO），就更易於實現 CoMP，同時也能提高頻譜效率。這種係統架構獨立於無線電接入網 (RAN)，並且可用於控製混合蜂窩網絡。

圖 3：集中式基帶處理

網絡傳輸的信息類型也會對能量效率產生影響。如圖 2 所示，不同類型的數據具有不同的數據包與信令包比率 (DSR)。DSR 低代表數據傳輸信道利用率較低；例如占全部網絡流量 60% 的文本消息
，其 DSR 介於 1 至 3 之間
，而此種情況下照片和視頻需要的信令包較少，因此能量效率更高。5G FR1 通過調整子載波間隔，使得不同類型的數據能夠更加高效地使用可用信道容量
，從而解決了這個難題。

網絡容量的決定因素和擴容方式

20 世紀初，兩位研究人員分別推導出了一個相對簡單的公式
，堪稱通訊行業中的摩爾定律，即香農-哈特利定理。該定理給出了無線信道上能夠傳輸的信息量上限
，其中單個信道容量僅僅取決於兩個參數：信道帶寬 (BW) 和信噪比 (SNR)。盡管容量與信道帶寬成線性關係
，但與信噪比之間僅是 log2 的比例關係：

根據香農-哈特利定理
，增加網絡容量有四種基本方法（圖 4）：

增加信道帶寬：4G 中使用了載波聚合來增加可用的信號帶寬，而 5G FR2 則使用毫米波頻率來獲得更大的容量。

增加信道數量：MIMO 利(li)用(yong)網(wang)絡(luo)內(nei)部(bu)的(de)多(duo)徑(jing)散(san)射(she)，同(tong)時(shi)在(zai)多(duo)個(ge)信(xin)道(dao)上(shang)進(jin)行(xing)傳(chuan)輸(shu)。與(yu)信(xin)道(dao)帶(dai)寬(kuan)類(lei)似(si)，網(wang)絡(luo)容(rong)量(liang)也(ye)與(yu)這(zhe)一(yi)效(xiao)應(ying)成(cheng)線(xian)性(xing)關(guan)係(xi)，但(dan)上(shang)限(xian)卻(que)受(shou)限(xian)於(yu)網(wang)絡(luo)內(nei)的(de)多(duo)徑(jing)相(xiang)關(guan)性(xing)（或相似性）。5G FR1 借助 MIMO 的優化提高數據速率。

增加網絡輸出功率：由於 SNR 中存在噪聲
、SNR 的對數刻度接近
、以及涉及高電磁能量的健康/安全問題
，這種方式有其局限性。在覆蓋率較低的區域使用家庭基站 (Femtocell) 是提升整個網絡 SNR jiaoweianquandefangshizhiyi。danruguozaitongyiquyuzhongbushuleguoduoquanxiangtianxianjiatingjizhan，zejiatingjizhanjianjiuhuicunzaiganrao
，zhewuyiweiwangluorongliangzengyishedailaileshangxian。raner，ruguonenggoudingxiangchuanshunengliang，jiukeyitigaowangluodenengliangxiaolv
，zhezhongfangshiyouchengwei“波束賦形”（5G FR1 和 FR2 基站的一種關鍵技術）。

圖 4：頻譜效率

利用波束成形提高能量效率

在傳統蜂窩網絡中，與小區相關聯的基站會向著相當廣泛的區域傳輸能量（通常是基站前方 120 度角的弧形區域）。其中一部分能量會被基站小區內的用戶接收，但絕大多數能量則被環境所吸收（建築、行人、樹木
、汽車等）。這些耗損就意味著能量效率的降低和網絡 OPEX 的提高（圖 5）。如果將單根基站天線替換為由 120 根天線向各個用戶定向傳輸能量

，那麼基站所需的功耗將降低至原輸出功率的 0.1%（參考文獻 3）。ranerzhegexiajiangfudujinjinshililunzhi，congshijijiaodueryan

，youyujizhanneibushepinyuanjiandexiaonenghesunhao，xiangtongrongliangxiadeshuchugonglvzhinengjiangdidaoyuangonglvde 30%。

圖 5：波束成形和能量效率

為了實現波束賦形
，一組指定間隔的天線隻需改變天線間的相位差

，就可以形成任意方向的波束（圖 6）。最典型的天線陣列間隔是半波長，這樣波束角 () 就與天線間的相位差直接相關：) directly related to the phase difference between the antennas: . 盡管波束賦形可以將能量集中在指定方向上，但也無法避免會有能量傳至其他方向（旁瓣和後瓣）。這(zhe)些(xie)額(e)外(wai)的(de)能(neng)量(liang)就(jiu)會(hui)對(dui)基(ji)站(zhan)小(xiao)區(qu)內(nei)其(qi)他(ta)用(yong)戶(hu)造(zao)成(cheng)幹(gan)擾(rao)。這(zhe)種(zhong)效(xiao)應(ying)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)確(que)保(bao)鄰(lin)近(jin)用(yong)戶(hu)處(chu)於(yu)主(zhu)波(bo)束(shu)的(de)零(ling)相(xiang)位(wei)
，或(huo)通(tong)過(guo)振(zhen)幅(fu)分(fen)布(bu)為(wei)各(ge)個(ge)天(tian)線(xian)分(fen)配(pei)加(jia)權(quan)，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)旁(pang)瓣(ban)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)來(lai)予(yu)以(yi)緩(huan)解(jie)（圖 6）。

圖 6：波束成形的原理

波束成形有三種架構類型，會直接影響到基站能量效率和 終端（圖 7）：

模擬波束賦形 (ABF)：傳chuan統tong的de波bo束shu賦fu形xing方fang式shi是shi使shi用yong衰shuai減jian器qi和he移yi相xiang器qi作zuo為wei模mo擬ni射she頻pin電dian路lu的de一yi部bu分fen，其qi中zhong單dan個ge數shu據ju流liu會hui分fen成cheng不bu同tong的de路lu徑jing。這zhe種zhong方fang法fa的de優you勢shi在zai於yu隻zhi需xu要yao一yi個ge射she頻pin鏈lian路lu（PA、LNA
、濾波器
、交換機/環形器），而劣勢則是級聯移相器在高功率下會產生損耗。

數字波束成形 (DBF)：數字波束成形假設每個天線單元都有一個單獨的射頻鏈路。隨後以矩陣式操作使波束“賦形”，即在基帶中手動為振幅和相位加權。由於射頻鏈路組件的價格較為低廉，且可以將 MIMO 和波束賦形結合成單個陣列，對於 5G FR1 中 7 GHz 以下的頻率，這一方法往往是最佳選擇。對於 28 GHz 及以上頻率，標準 CMOS 組件的 PA 和 ADC 非常容易損耗，而如果采用砷化镓和硝酸镓等稀有材料，雖然損耗會有所減少，但成本高昂。

混合波束成形 (HBF)：混合波束賦形將數字波束賦形與模擬波束賦形相結合
，保證了波束賦形與多台無線電收發的靈活性
，同時降低了波束賦形單元 (BFU) 的支出和損耗。每個數據流都有各自獨立的模擬 BFU 和一組 M 天線。如果有 N 個數據流
，就有 NxM 根天線。由於使用可選波束賦形器（如 Butler 矩陣）來代替自適應移相器
，從而可以緩解移相器造成的模擬 BFU 損耗。建議的架構是使用數字 BFU 控製主波束的方向，而模擬 BFU 控製數字包絡內的波束。

圖 7：波束成形架構

理想網絡：頻譜效率和能量效率

相較於傳統和現行的蜂窩網絡
，C-RAN、MIMO、新頻譜和波束賦形的結合能夠讓 5G 在擴容的同時降低成本。香農-哈特利定理可以優化，以便將信道的能量效率納入考量（參考文獻 2）。根據基站和網絡性能的約束條件
，可以計算出 2G 和 4G 網絡聯合的理想頻譜能量效率，其中 GSM 為 4 bps/Hz
，LTE 為 8 bps/Hz。（需要注意的是，在真實的網絡環境中

，LTE 的頻譜能量效率往往較低，一般在 4 bps/Hz）。

對比 LTE 網絡，在 MIMO 和數字波束賦形相結合的 5G FR1 中，容量可以增加 3 倍以上，同時成本降低 10 倍（假設每個用戶對應 8 台帶有波束賦形功能的收發器）。5G FR1 可用的頻譜有限，而 5G FR2 使用的是 24 GHz 以上的大量頻譜。5G FR2 的頻譜效率（假設混合波束賦形采用了每個天線陣列對應 8 台收發器的配置）與 10 bps/Hz 下的 LTE 相當，但能量效率較 LTE 更高（參考文獻 4）。

圖 8：網絡優化：頻譜效率和能量效率

綜上所述，頻譜效率和能量效率的結合能夠使運營商在部署新網絡時，既提高容量，又降低OPEX。未來能夠將 FR1 和 FR2 的不同解決方案集成到單一網絡中
，在廣域網中具有建築穿透力的FR1提供高速率，而 FR2 則用於數據卸載
、熱點和極端網絡密度。這種網絡部署不僅會影響消費者和設備供應商，更會對整個測試測量 (T&M) 行業產生決定性影響。

對測試測量行業的影響

5G 對新基站的需求催生出了一種新的測量模式，即天線和收發器都采用空口測試(OTA)。

5G 基站架構

將波束賦形和 MIMO 結合成一個單一陣列會產生一個龐大的 MIMO 基站，原因在於波束賦形（每根天線需要相同的數據向量）和 MIMO（每組波束賦形天線需要不同的數據向量）均需要多組天線。設計能夠同時提高頻譜效率和能量效率的基站非常複雜，需要對所有組件進行非常緊密的集成（圖 9）：

波束賦形架構：取決於組件在損耗（能量效率）和成本兩個方麵的實用性。

寬帶功率放大器和濾波器組：隨(sui)著(zhe)頻(pin)段(duan)數(shu)量(liang)的(de)增(zeng)加(jia)，寬(kuan)頻(pin)段(duan)上(shang)的(de)載(zai)波(bo)聚(ju)合(he)將(jiang)需(xu)要(yao)大(da)量(liang)的(de)濾(lv)波(bo)器(qi)和(he)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)。功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)將(jiang)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)預(yu)失(shi)真(zhen)或(huo)稀(xi)有(you)材(cai)料(liao)才(cai)能(neng)提(ti)高(gao)工(gong)作(zuo)效(xiao)率(lv)。

天線互耦：如果僅僅是在空間中裝入更多天線反而會減少基站容量並增加損耗。

時鍾同步：對於龐大的 MIMO 陣列而言，各個 PCB 板上的時鍾都需要同步。時鍾漂移會導致天線間不確定的相位改變（原因在於頻率漂移），並影響波束賦形的效果。

自適應式校準：由於大量的組件

、芯片組、時shi鍾zhong和he放fang大da器qi，加jia之zhi相xiang位wei對dui基ji站zhan內nei溫wen度du條tiao件jian的de依yi賴lai性xing，每mei根gen天tian線xian的de輸shu出chu相xiang位wei可ke能neng會hui與yu期qi望wang值zhi相xiang去qu甚shen遠yuan。因yin此ci
，需xu要yao通tong過guo自zi適shi應ying式shi校xiao準zhun電dian路lu測ce量liang每mei個ge信xin號hao的de相xiang位wei和he振zhen幅fu偏pian移yi
，然ran後hou進jin行xing預yu失shi真zhen
，從cong而er實shi現xian效xiao果guo極ji佳jia的de波bo束shu賦fu形xing。

光纖收發器：一般而言，大規模 MIMO 基站的輸出是基帶數據，基帶數據通過光纖傳輸到本地基帶單元或進入 C-RAN。因此，需要實時的現場可編程邏輯門陣列 (FPGA) 將 RFIC 輸出的基帶數據轉譯成光纖的基帶協議。

散熱：在一個密閉空間內集成多達數百根天線
、數千個組件和數十個 RFIC/FPGA 會(hui)導(dao)致(zhi)嚴(yan)重(zhong)的(de)熱(re)量(liang)和(he)高(gao)溫(wen)問(wen)題(ti)。由(you)於(yu)這(zhe)些(xie)單(dan)元(yuan)部(bu)署(shu)在(zai)溫(wen)差(cha)較(jiao)大(da)的(de)區(qu)域(yu)，如(ru)果(guo)在(zai)沒(mei)有(you)提(ti)供(gong)外(wai)部(bu)風(feng)冷(leng)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，則(ze)需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)大(da)型(xing)散(san)熱(re)器(qi)，如(ru)此(ci)一(yi)來(lai)，大(da)規(gui)模(mo) MIMO 單元的重量也會明顯增加。

圖 9：大規模 MIMO 架構

5G 基站和設備的測試測量

傳統意義上來說，基站的性能是除天線以外的射頻收發器的性能。射頻收發器的性能可以通過射頻測試端口和測量儀器（即矢量信號分析儀和信號發生器）相連後直接測量。通常使用矢量網絡分析儀以 OTA（ CW 波）方式來測量天線性能。

由於大規模 MIMO jizhanshigaodujichenghuadejiagou
，yinciwufazaizhijiejierugegeshepinlujing。zheyiweizheceliangfangshijiangfashengshizhixingbianhua，congyuanbenduishepinshoufaqigaodukeyucedechuandaoceliangzhuanxiangbuquedingxingdeOTA 測量（圖 10）。

圖 10：5G 全新測量範式

由於被測設備 (DUT) 近場和遠場區域輻射場（圖 11）的物理特性不同，OTA 測量明顯要比電纜測量更為複雜。由於調製後信號的時變和空變特性，因此測量必須在 DUT 的遠場（平麵波）中進行
，導致隻能使用巨大的天線電波暗室
，或是間接遠場暗室，如平麵波轉換器 (PWC) 或緊縮場 (CATR)。CATR 采用反射器將球麵波轉換為反射器近場中的平麵波分布，而 PWC 則使用陣列天線在近場中生成平麵波分布（圖 12）。

圖 11：天線電磁場

圖 12：平麵波轉換器和 CATR

由於消除了射頻測試端口以及毫米波段頻率的使用，OTA 有望成為測試基站性能的一種重要工具，不僅適用於大規模有源 MIMO 陣列天線，同時還適用於內部射頻收發器。由於上述原因，OTA 暗(an)室(shi)和(he)測(ce)量(liang)設(she)備(bei)的(de)需(xu)求(qiu)將(jiang)出(chu)現(xian)爆(bao)發(fa)式(shi)增(zeng)長(chang)
，不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)有(you)關(guan)天(tian)線(xian)輻(fu)射(she)特(te)性(xing)的(de)嚴(yan)苛(ke)測(ce)量(liang)，還(hai)能(neng)夠(gou)取(qu)代(dai)傳(chuan)統(tong)的(de)傳(chuan)導(dao)射(she)頻(pin)收(shou)發(fa)器(qi)測(ce)量(liang)。在(zai)電(dian)波(bo)暗(an)室(shi)和(he)測(ce)量(liang)設(she)備(bei)等(deng)領(ling)域(yu)

，羅(luo)德(de)與(yu)施(shi)瓦(wa)茨(ci)擁(yong)有(you)豐(feng)富(fu)的(de)專(zhuan)業(ye)經(jing)驗(yan)。為(wei)了(le)滿(man)足(zu)客(ke)戶(hu)的(de)未(wei)來(lai)需(xu)求(qiu)，羅(luo)德(de)與(yu)施(shi)瓦(wa)茨(ci)已(yi)經(jing)做(zuo)好(hao)充(chong)分(fen)準(zhun)備(bei)，能(neng)夠(gou)隨(sui)時(shi)提(ti)供(gong)完(wan)備(bei)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)（參考文獻 5）。

參考文獻

1. CMRI, “C-RAN: The Road Towards Green RAN,” Dec. 2013

2. I Chih Lin, C. Rowell, et al, “Towards Green and Soft: A 5G Perspective”, IEEE Communications Magazine, Feb 2014

3. F. Rusek, et al, “Scaling Up MIMO: Opportunities and Challenges with Very Large Arrays”, IEEE Signal Processing Magazine, Jan 2013

4. H. Shuangfeng, et al, “Large Scale Antenna Systems with Hybrid Analog and Digital Beamforming for Millimeter Wave 5G”, IEEE Communications Magazine, Jan 2015

5. Antenna Array Testing White Paper: 1MA286, 2016

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息
，版權歸原作者所有。本文所用視頻
、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

對寬調諧範圍VCO的思考

ZLG致遠電子LoRa智能組網芯片選型指南

對比兩種常見無線電架構，孰優孰劣？

正確理解驅動電流與驅動速度

小體積大電流，高紋波抑製比LDO助力高密度電路設計