5G基站有機會(huì )百家爭鳴，機遇和挑戰在哪里？
隨著(zhù)國內5G商用牌照的正式發(fā)放，5G網(wǎng)絡(luò )基礎設施建設迎來(lái)了火熱的施工期。北京、上海、成都和深圳等城市都紛紛表示要在年底前建成超過(guò)1萬(wàn)臺5G基站，預計全國今年5G基站數量將達到15萬(wàn)臺。
移動(dòng)、聯(lián)通和電信三大運營(yíng)商今年在5G方面的投入有望超過(guò)400億元。而根據統計，超過(guò)70%的5G業(yè)務(wù)將發(fā)生在室內，也就是說(shuō)室內移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )覆蓋將非常重要，室內信號的好壞將直接決定5G的業(yè)務(wù)量，這也將是運營(yíng)商的核心競爭力。
這也意味著(zhù)4G時(shí)代，碎片化，市場(chǎng)規模不大的小基站行業(yè)有望得到發(fā)展。目前采用“宏站+小基站”的組網(wǎng)模式成為5G時(shí)代的共識。
在宏基站方面，基本上被華為、中興、愛(ài)立信和諾基亞四大設備供應商所把持，而在小基站方面，部分天線(xiàn)、射頻廠(chǎng)家都有望轉型專(zhuān)注于提供小基站解決方案，也就是說(shuō)除了傳統的華為、中興、愛(ài)立信和諾基亞等真正體量化的廠(chǎng)家外，其他中小企業(yè)也有望切入，未來(lái)5G基站廠(chǎng)家將會(huì )是百家爭鳴的局面。
雖然都可以做，由于5G將會(huì )引入毫米波頻段，基站的建設也將面臨許多新的挑戰，那具體有哪些呢？在8月22日中國（深圳）集成電路峰會(huì )上，北京無(wú)極芯動(dòng)科技有限公司董事長(cháng)兼首席科學(xué)家，海南大學(xué)劉大可教授分享了5G基站集成電路面臨的挑戰問(wèn)題。
基站的分類(lèi)
基站是接入終端與核心網(wǎng)絡(luò )之間的接入網(wǎng)，根據3GPP制定的規則，無(wú)線(xiàn)基站按照功率劃分位四大類(lèi)：宏基站、微基站、皮基站和飛基站。其中，
宏基站是架設在鐵塔之上的基站，這種基站體型很大，承載的用戶(hù)數量很大，覆蓋面積很廣，一般都能達到數十公里。鐵塔的結構設計本身就考慮到了載荷，分為自立式塔式結構和拉線(xiàn)式結構。
表1：基站分類(lèi)。
微基站就是微型化的基站，通常指在樓宇中或密集區安裝的小型基站，這種基站的體積小、覆蓋面積小，承載的用戶(hù)量比較低。由于室外條件惡劣，這種基站的可靠性不如宏基站，維護起來(lái)比較困難。
皮基站是比微基站更小型的基站，相較于宏基站和微基站，皮基站的單載波發(fā)射功率和覆蓋能力進(jìn)一步減小。
飛基站是四種基站中最為小型的基站，飛基站是為家庭基站使用，由家庭寬帶接入。
此外，按照設備形態(tài)，基站主要分為一體化基站和分布式基站。一體化基站和分布式基站的主要區別是，一體化基站分為基帶處理單元（BBU）、射頻處理單元（RRU）和天饋系統三部分，而分布式基站通常指小型RRU，需要連接BBU 才能正常使用。
表2：按照設備形態(tài)分類(lèi)的小基站。
就目前來(lái)說(shuō)，宏基站現在還不包括毫米波頻段，因為現在宏基站的毫米波還沒(méi)有定義。而微基站分為室外微基站和室內微基站。
室外的微基站基本上就是宏基站的縮減版，使用的基本也是宏基站的芯片和解決方案。但室內分布式微基站跟宏基站完全不一樣，因為它不能使用宏基站的芯片和解決方案。
射頻集成電路的挑戰
基站其實(shí)是將不同的功能分成若干層，在不同層里面就有各種各樣的狀態(tài)機，這些不同的狀態(tài)機就組成了一個(gè)基站系統（見(jiàn)圖1）。從這個(gè)基站系統中可以看到，集成電路的設計不那么容易，因為它要兼容2、3、4、5G的RRU內的集成電路，包括射頻、混合和數字（含前傳CPRI/eCPRI、定時(shí)）等。還要兼容2、3、4、5G的BBU內的集成電路，包括物理層和協(xié)議層。
圖1：劉大可教授在解釋基站系統的功能分解。
對于RRU射頻集成電路來(lái)說(shuō)，看起來(lái)跟手機用的射頻集成電路沒(méi)有區別，架構都基本類(lèi)似。其實(shí)如果是幾兆帶寬的話(huà)，用超外差是很容易實(shí)現的，但如果是到了100M帶寬以上的話(huà)，情況就完全不一樣了。如果加上毫米波的話(huà)，就會(huì )更加困難。因為一般毫米波有一個(gè)微波前端，一般來(lái)說(shuō)微波前端是一個(gè)超外差機，中頻是Sub 6GHz的射頻，這樣就會(huì )有兩套中頻系統，也就是說(shuō)會(huì )有兩套低噪放，兩套混合器，一套混合器最少增加3dB噪聲兩套混合器下里，噪聲處理就會(huì )是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。
圖2：RRU射頻集成電路構成。
具體來(lái)說(shuō)，Sub 6G和毫米波射頻收發(fā)機的面臨的共同挑戰有：
超大寬帶的帶內噪聲問(wèn)題、帶內平坦幅度與均衡延遲設計；
帶內多天線(xiàn)之間靜態(tài)和動(dòng)態(tài)幅度相位的一致性問(wèn)題；
多天線(xiàn)幅度/相位的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)校準問(wèn)題。因為天線(xiàn)被封裝，毫米波器件商無(wú)射頻測試端子。使用OTA輻射測試方法來(lái)進(jìn)行準確的、EMC的設備特性分析的測試系統，成為5G毫米波測試測量的新希望和新挑戰；
Armstrong架構的挑戰，（LO與MIX的jitter問(wèn)題），劉大可教授認為我們目前在追求一個(gè)不用超外差的毫米波接收機，因為超外差毫米波接收機目前全世界沒(méi)有一家做好的，ADI和TI也沒(méi)有相應的解決方案。
可以說(shuō)現在大家都在期待一個(gè)不需要用超外差的毫米波接收機系統出現，也有人在考慮無(wú)線(xiàn)光通信系統，但由于其上行問(wèn)題沒(méi)有解決，目前還取代不了微波系統。
混合電路的挑戰
在RRU混合電路中，數字預失真（DPD）系統是相當重要的一個(gè)存在。數字預失真（DPD）是目前無(wú)線(xiàn)通信系統中最基本的構建塊之一。其用于提高功率放大器的效率。通過(guò)減少功率放大器在其非線(xiàn)性區運行時(shí)產(chǎn)生的失真，功率放大器的效率可得到大幅提升。不使用 CFR 或 DPD 算法的無(wú)線(xiàn)基站通常效率較低，因此運營(yíng)和資金設備成本也較高。一個(gè)輸出 WCDMA 波形的典型 AB 類(lèi) LDMOS 功率放大器的效率約為 8%~15%。利用 CFR 和 DPD 算法，效率可提升至 30%~40%，從而大幅降低網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的資本支出和運營(yíng)支出。
圖3：RRU混合集成電路趨勢。
在RRU數字集成電路部分，不論是宏基站還是微基站都面臨著(zhù)同樣的挑戰。
首先是宏站還是微站都有各自的低功耗和低延遲需求問(wèn)題。就應用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，有122.88Msps，option8、option7-1和Option7-2；運算量方面，宏站要做到16天線(xiàn)，8TOPS的運算量；微站也要做到4天線(xiàn)，2TOPS的運算量；在數據搬移量方面，宏站要做到16天線(xiàn)，160gbps的數據搬移量；微站也要做到4天線(xiàn)，40gbps的數據搬移量。
另外，還要支持多帶寬多速率適配、支持BBU處理256QAM；支持多種RRU和BBU分解的option；支持授時(shí)、同步、時(shí)鐘源、特別是TD的同步、多天線(xiàn)同步；支持兼容各CPRI/Ecpri/xDSL/PON和SerDes的聯(lián)合設計；支持各模擬IC廠(chǎng)家的JESD204B/C和SerDes的聯(lián)合設計。
現在，各個(gè)廠(chǎng)商基本都只有宏基站的解決方案，因為他們是不管功耗的，40W，50W都沒(méi)問(wèn)題。但是微站的射頻頭是不能帶風(fēng)扇的，也就是說(shuō)要4W以下，而4W以下的解決方案，現在全世界都還沒(méi)有，大家都在努力。
還有5G基站需要用到的DPD，它要求200M帶寬，五次諧波，和1GHz左右頻率，以及16天左右的長(cháng)記憶功能，這樣的DPD系統是非常難做的。目前全世界還沒(méi)有廠(chǎng)商做出相應的解決方案。雖然之前ADI宣稱(chēng)有相應的解決方案，但其Release日期延遲多次了，都沒(méi)有推出其正式解決方案。
BBU基帶集成電路的挑戰
圖4：基帶集成電路概述。
現在各家廠(chǎng)商基本都是在用FPGA來(lái)實(shí)現；也有用向量處理器實(shí)現的，比如華為、中興和愛(ài)立信；使用專(zhuān)用處理器實(shí)現的廠(chǎng)商目前還比較少，劉大可教授所在的北京無(wú)極芯動(dòng)科技有限公司就在開(kāi)發(fā)專(zhuān)用處理器解決方案。當然，這5種實(shí)現方式都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，詳細見(jiàn)圖5所示。
圖5：BBU集成電路5種實(shí)現方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
此外，還有協(xié)議棧集成電路的挑戰，不過(guò)這個(gè)挑戰目前來(lái)說(shuō)不是很大，比較容易解決。
結語(yǔ)
可以說(shuō)今年是5G的應用元年，大規模的基礎設施建設明年可能才會(huì )正式開(kāi)始，早期應該先鋪設宏基站，但隨著(zhù)部分區域宏基站建設基本完成，高頻段逐步投入使用，小基站的建設也將逐步啟動(dòng)。這對切入小基站業(yè)務(wù)的中小企業(yè)來(lái)說(shuō)是一次不容錯過(guò)的好機會(huì )。
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