5G 基站为何建得比 4G 多？
在 5G 战火纷飞之际，无论是基础运营商、芯片商还是手机厂商，均以排兵布阵准备良久，只为等待“万箭齐发”的最佳时机。且同时，为了加快商用的步伐，本月初，工业和信息化部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电颁发了 4 张 5G 商用牌照。
不过，5G 的发展并没有想象中那么快，工信和信息化部信息通信发展司司长闻库也曾表示，“5G 全面商用还需耐心等待。网络建设从无到有需要过长，建得好不是 5G 的目的，用的好才是 5G 真正的目的。”
此前，我国提出的是 2017 年展开 5G 网络第二阶段测试，2018 年大规模试验组网，并在此基础上于 2019 年启动 5G 网络建设，最快 2020 年正式推出商用服务。如今看来，我国的各项建设均在有条不紊的进行中。但在此建设过程中，我们也发现，相比 4G，5G 所需建设的基站数量远超乎我们想象。在这一点上，据悉，作为世界上第一个开通 5G 商用的国家，韩国将于今年内共建设 23 万座 5G 基站；德国计划在 2021 年建设 40000 个 5G 基站；横纵对比，国内 5G 基站的基本数量已到达 581.4 万，远超过 4G 基站数量。
对此，我们不禁发问，以大容量、低延时、高带宽为特性的 5G，为何需要建立如此庞大数量的基站？这其中的缘由又是为何？接下来，我们将从爱立信5G 专家、3GPP 5G NR 标准推动及制定者精心撰写的《5G NR标准：下一代无线通信技术》一书中探寻到 5G 关键技术毫米波的相关奥秘。
毫米波射频技术
毫米波通信引入了更大的带宽，而更大的带宽就会对数字域和模拟域之间的转换发起更高的挑战。业内广泛使用基于信号噪声失真比（Signal-to-Noise-and-Distortion Ratio，SNDR）的Schreier品质因数（Schreier Figure-of-Merit，Schreier FoM）作为模数转换器的度量，参见：
这里， SNDR的单位是dB，功耗P的单位是W，以及奈奎斯特抽样频率fs的单位是Hz。图19-1研究结果展示了大量商业ADC的Schreier品质因数和对应奈奎斯特抽样频率（对绝大多数ADC就是2倍的带宽）的关系。图中的虚线标明了FoM的包络，在100MHz的抽样频率以下基本上恒定在180dB。对于恒定的品质因数，SNDR每增加3dB或者带宽增加一倍，都会导致功耗翻倍。对100MHz以上的抽样频率，会有一个额外的10dB/decade的损失，意味着带宽增加一倍，功耗是原先的4倍。
图19-1 ADC的Schreier品质因数
尽管随着集成电路技术的持续发展，未来的高频ADC品质因数包络会缓慢地推高。但是带宽在GHz范围的ADC依然无法避免功率效率低下的问题。NR毫米波引入的大带宽以及天线阵列配置都会引入很大的ADC功耗。因此对基站和终端都需要考虑如何降低SNDR的要求。
在同样的精度和速度要求下DAC相比ADC较为简单。而且ADC一般会引入循环处理而DAC不会。因此DAC在研究领域的关注度较低。尽管DAC结构和ADC有很大不同，DAC也可以用品质因数来描述。类似于ADC的情况，大带宽和对发射机的不必要的苛刻的SNDR要求，会导致更高的DAC功耗。
本振和相位噪声
本振（Local Oscillator，LO）是现代通信系统一个必不可少的组成部分。一个描述本振性能的参数是相位噪声。简单地说，相位噪声就是本振产生信号在频域上的稳定程度的衡量。相位噪声的定义是在一个给定频率偏移Δf处的dBc/Hz值，描述的是本振产生信号和期望频率之间偏差Δf的可能性。
本振的相位噪声会显著影响系统性能。如图19-2所示，以单载波为例，在加入了加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）建模的热噪声之后，比较了有相位噪声和没有相位噪声两种情况下的16QAM星座图。对一个给定的符号错误率门限，相位噪声会限制最高的调制阶数，如图19-2所示。换句话说，不同的调制阶数会对本振的相位噪声提出不同的要求。
图19-2 有相位噪声（右）和无相位噪声（左）的单载波16QAM信号
自由振荡器和锁相环的相位噪声特性
生成频率最常用的电路是压控振荡器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）。图19-3通过一个模型来建模自由振荡的VCO对不同频率偏移的特性。
图19-3 一个典型的自由振荡VCO 相位噪声特性[57]：相位噪声dBc/Hz（Y 轴）和频率
这里f0是振荡器频率，Δf是频率偏移，PS是信号强度，Q是谐振器的加载品质因子，F是经验拟合参数（对应的物理意义是噪声系数），而Δf1/f3有源设备1/f噪声的拐点频率。
根据图19-3所示公式，可以得出：
- 振荡器频率f0加倍，则相位噪声增加6dB。
- 相位噪声和信号强度Ps成反比。
- 相位噪声和谐振器加载品质因子Q的平方成反比。
- 1/f噪声上变频提升了临近载波频点位置的相位噪声（即：小频率偏移）。
因此在设计VCO的时候，需要平衡几个相关参数。为了比较不同半导体技术和电路拓扑下VCO的性能，往往使用品质因数（考虑了功耗的影响）来进行公平的比较：
其中是PNvco(f)VCO的相位噪声，单位为dBc/Hz；是功耗，单位为W。这个公式值得注意的一点是相位噪声和功耗（线性值）都与f20成正比。因此为了保持一定的相位噪声，增加频率N倍则意味着功耗需要增加N2倍（假定品质因数一定）。
一个通常的抑制相位噪声的做法是使用锁相环（Phase Locked Loop，PLL）。基本结构包括VCO、分频器（frequency divider）、相位检测器（phase detector）、环路滤波器（loop filter）和一个高稳定性低频参考源（比如晶振）。锁相环输出的相位噪声来源包括：
- 在环路滤波器带宽之外的VCO相位噪声部分。
- 环路之内的参考振荡器产生的相位噪声。
- 相位检测器和分频器的相位噪声。
图19-4 使用锁相环的倍频至28GHz的VCO的本振相位噪声测量（Ericsson AB，经许可使
图19-4提供了一个典型的毫米波本振的特性，显示了一个28GHz本振相位噪声的测量结果。该本振在低频使用了锁相环然后倍频到28GHz。可以观察到有4个不同特点的区间：
- f1小频率偏移<10kHz。大致按照30dB/decade的速率下降，主要来自1/f噪声上变频。
- f2频率偏移在锁相环带宽之内。相对平坦并包含多种噪声来源。
- f3频率偏移大于锁相环带宽。大致按照20dB/decade的速率下降，主要来自VCO相位噪声。
- f4更大的频率偏移>10MHz。平坦，主要来自底噪。
毫米波信号生成的挑战
当振荡器频率从3GHz提升到30GHz，相位噪声也会随之提升。对特定频率偏移，相位噪声会恶化20dB数量级。这显然会限制毫米波可用调制模式的最高阶，最终限制毫米波的最高频谱效率。
毫米波本振同样受限于品质因子Q和信号强度Ps。Lesson方程指出，为了获得较低的相位噪声，必须提高品质因子Q和信号强度Ps，同时降低有源器件的噪声系数。不幸的是，当本振频率提高的时候，上述三个方面往往朝着不好的方向变化：
- 对单片压控振荡器（monolithic VCO），振荡器的品质因子Q会随着频率增加而快速降低。主要的原因是：（1）寄生损耗（parasitic loss）增加，诸如金属损耗（metal loss）或衬底损耗（substrate loss）增加。（2）变容二极管Q降低。
- 信号强度受限。这主要因为高频操作需要更加先进的半导体设备，其击穿电压也会随着尺寸的降低而降低。这些因素的影响在19.3节里介绍的功放部分也能观察到，功放也会随着频率的增加而导致功放能力的下降（-20dB/decade）。
基于这些原因，在实现毫米波本振的时候，一般都是利用一个相对低频的锁相环然后倍频到目标频点上。
除了上述的挑战，1/f噪声上变频也提升了临近载波相位噪声。当然1/f噪声和实现技术非常相关，相比于垂直双极器件（vertical bipolar device）如双极和HBT，一些平面器件诸如CMOS和高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）会产生更高的1/f噪声。
为了完全集成MMIC/RFIC VCO和锁相环，可以采用各种技术（从CMOS和BiCMOS到III-V族材料）。但是因为较低的1/f噪声和较高的击穿电压，一般InGaP HBT是最为常用的。尽管有较为严重的1/f噪声，少数情况下也会采用pHEMT设备。一些方案使用GaN FET结构，尽管可以获得很高的击穿电压，但是1/f噪声甚至会比GaAS FET器件设备还要高。图19-5总结了不同的半导体技术，在100kHz频偏范围内相位噪声性能和振荡器频率的关系。
图19-5 不同的半导体技术下相位噪声性能和振荡器频率的关系
最近的研究成果揭示了本振噪底对系统性能的影响。在符号速率比较低的情况下噪底对系统影响不大。但是当符号速率提高之后，比如5G NR，平坦噪底开始对调制后的信号EVM产生影响。如图19-6所示为不同的符号速率和不同的噪底水平下测量发射信号的EVM结果。这类观察意味着为宽带通信进行毫米波本振系统设计的时候，需要额外关注技术的选择、VCO拓扑和倍频系数，以期得到合理的较低相位噪声的噪底。
图19-6 通过对7.5GHz上发射64QAM信号测量得到符号速率和本振噪底的关系
5G 在物联网领域的技术应用实践
以上仅为毫米波技术的部分，而为了帮助通信从业者、物联网开发者、嵌入式程序员们更好了解并应用 5G 技术，CSDN 作为主办方特别策划以“5G 在物联网领域的技术应用实践”为主题的沙龙活动，邀请到来自爱立信中国研发部多天线高级专家朱怀松、爱立信中国研发部主人系统工程师刘阳，基于全新的 5G 标准，分享其在实践中帮助解决物联网各式各样需求的方案。
从而让开发者们得以深入了解无线物联网需求的多样性，以及 5G 是如何通过一个统一的框架来满足未来的物联网领域的需求的。此外，两位专家还将探讨相较几乎满足了人和互联网连接需求的 4G，5G 在应用过程中还能够提供哪些特有的功能满足物联网的应用。
除了以上两位专家，微软（中国）首席技术官韦青、北京邮电大学信息与通信工程学院多媒体技术教研中心主任&博士生导师孙松林、金山云AIoT事业部高级研发总监肖江等，也会带来精彩演讲！
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