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用于Sub-6GHz 5G网络的半导体技术趋势
录入时间:2020/7/21 8:57:08

Semiconductor Trends in Sub-6 GHz 5G Networks

Eric Higham,Strategy Analytics,美国马萨诸塞州波士顿

点此阅读含图表的全文 

新冠肺炎的爆发给全球供应链带来了挑战。但在此之前,射频和微波半导体行业就已经面临着巨大阻力。蜂窝通信市场,尤其是手持设备,占据了化合物半导体收入的50%以上。十多年来,这项应用一直是行业强劲的驱动力,但如今有些后继乏力。射频GaAs设备的营收在2019年下降了,主要原因在于智能手机出货量减少。不过尽管如此,化合物半导体行业的未来还是一片光明。这种乐观的估计主要源于5G网络和设备,这一新标准有望成为整个半导体行业的增长引擎。

 

5G市场

自2019年以来,无线运营商就一直在部署5G网络和设备,所以5G愿景的三大核心人们应该很熟悉了。图1简单展示了其主要构成,以及这三大项目能够实现的功能。运营商和设备制造商将面临的挑战是实现这些场景的时效及程度。

5G其实是广泛使用的一种不准确术语,可以指代独立和非独立两种形式,后者利用现有LTE核心和信令网络组网。此外,还分为毫米波频段(也即“FR2”或“高频段”)和sub-6GHz频段(也称为“FR1”,由“低频段”及“中频段”组成)。3GPP行业标准组织正抓紧进行5G标准化工作,对Rel-15进行修订;同时Rel-16/17标准将着重于5G其他方面的问题,预计于2022年底前审批通过。

除了不断完善的技术标准外,大家还普遍关心5G的商业模式。运营商如何区分5G和LTE网络?5G网络会实现愿景中的全部还是一小部分目标?

 

5G网络Sub-6GHz频段

部署新一代无线网络是一项昂贵的工程,因此运营商正努力开发5G应用并将其变现。虽然大家在5G愿景的三大场景上都投入了大量研发精力,但前期的5G市场营销主要着重于增强移动宽带(eMBB)。运营商在网络覆盖范围以及速率上相互竞争,这也间接影响了Sub-6GHz网络架构和技术。

 

劣势

如果要比速率或容量,那5G网络Sub-6GHz频段一下子就不占优了。这是香农-哈特利定律附带的结果。该定律描述了特定信道带宽中所能传输的最大数据速率理论值:

C = B*log2 (1+SNR)

其中C为信道容量的极限(bit/s),B为信道带宽(Hz),SNR为信噪比。

尽管全球每天都在分配新的Sub-6GHz频段,这些频段的带宽还是只能以数十或数百MHz计。而在毫米波段,带宽通常都是GHz级的。与毫米波相比,这一点是Sub-6GHz网络的根本劣势。图2展示了爱立信认为应当如何将现有的LTE网络进化到具有最佳覆盖范围、容量和性能的5G。该混合网络合并了现存的2G/3G/4G标准和频段,以及5G的Sub-6GHz及毫米波段。整个演化过程始于不同LTE频段的载波聚合(CA)。进化后的网络具备双连接(DC),其中下行链路在涵盖更多信道带宽的5G Sub-6GHz频段上运行,而上行链路信号留在LTE网络。最终,网络升级成为在Sub-6GHz和毫米波频段上包含CA和DC多种组合的模式。

 

优势

图2展现了运营商将LTE网络升级至功能完备的5G网络的理想情况。这一演变过程涉及了多个频带和标准以及CA和DC,从而导致实施起来既复杂又昂贵。而网络的Sub-6GHz部分虽然具有信道带宽不足的问题,并增加了混合网络的复杂性,但也为5G网络带来了诸多好处。

低频段的一大优势是信号传播特性。发射信号的路径损耗以20log10(f)的倍数关系随频率增加而增加。距离相同的情况下,28GHz的信号比700MHz的信号损耗多32dB。鉴于基站最大发射功率恒定,这种高频段下增加的路径损耗大大限制了28GHz设备的覆盖范围。还有,Sub-6GHz信号比毫米波信号具有更低的建筑物穿透损耗。这一点对于在大城市地区部署5G网络至关重要。

Sub-6GHz网络在多进多出(MIMO)技术和大规模MIMO天线的应用方面也占据明显优势。MIMO依赖于基站和用户终端的多个发射器及接收器。因为辐射器是分开的,发射信号沿着不同路径抵达接收器。利用空间分集和多路复用技术,再加上单信道多数据流和多路传播,能够提高信号强壮性(信噪比)还有数据速率。

这种MIMO天线架构将成为大多数5G网络的中流砥柱,因为若对公式1中的信道容量取一级近似,MIMO天线能将其增大n倍(n等于天线辐射器对的数量)。3GPP先前发布的标准版本中,天线结构被限制为8T/8R的配置,也即8个发射机和8个接收机。“大规模MIMO”(mMIMO)这个术语也很笼统,不过现在基本意味着发射器数量远远超过8个。目前的5G部署中,我们可以看到mMIMO基站和接入点的每个天线具有多达1024个辐射器。

mMIMO在Sub-6GHz和毫米波上的实现有所区别,造成架构和设计准则存在细微不同。Sub-6GHz信号比毫米波信号的波长更长,因此也会发生更多传输反射。这点可以营造更丰富的多径传播环境,发挥MIMO的优势。另外,搭建并维护一个最优的无线链路需要了解信道状态信息,这包括了处理及更新散射、衰落、路径损耗、阻塞等参数信息。上述操作在Sub-6GHz频段更具可重复性,从而为信号传播提供了更有利的环境。

 

架构

此类mMIMO天线能够实现波束赋形和波束控制,这又是另一个关键要素。LTE天线通常都是静态的,在整个扇区内提供能量;而5G天线则会形成方位角和俯仰角可控的波束。用幅度和相位适当的信号来驱动多个辐射器即可形成波束;通过调整相关相位与振幅能够改变波束方向,令其远离天线视轴。

波束赋形/控制有三种不同的方法,各有优缺点。图3的框图很有代表性,展示了模拟波束赋形架构中的射频前端。该方案的优点在于简洁,特别是数字电路部分。我们可以通过调节移相器和衰减器来控制天线波束。而缺点是仅有一个数据流馈入天线单元,限制了该架构的数据速率和灵活度。

图4则截然相反,是数字波束赋形架构的简化框图。此方案中,每根天线都有专门的射频链,同时根据系统需求,可以采用硅工艺制造整条射频链。所有的预编码、复用、信号加权、相移等全都发生在数字域里。天线产生的波束数量就像构成波束的天线单元数量一样都是可变的。这些波束都可操控,通过算法能够合成驱动信号,来获取几乎全部波束特性。毫无疑问,该架构的灵活度和容量都最大。不过增加电子芯片可能会导致成本及功耗也上升。尽管存在这些问题,Sub-6GHz频段目前仍采用数字波束赋形架构。由于性能和容量均显著提高,可以预见,未来Sub-6GHz和毫米波频段会有更多数字波束赋形的应用。

为了解决以上难题,天线设备制造商研发了折衷的混合波束赋形架构,如图5所示。该架构将模拟技术的射频波束赋形及前端方案,与数字技术的数字处理及独立数据信道相结合。混合阵列会生成多个波束,具体取决于信道数量。但每条射频链要驱动多个子阵列,而不仅仅是单个辐射器。这一折衷方案能够提供接近数字架构的功能,同时具有接近模拟架构的复杂度和功耗。

混合及数字波束赋形收发器的框图说明了5G的部署将成为半导体市场新增长动力的原因。基站内需要的频带和mMIMO越来越多,更重要的是,手持设备的数量或将大大增加。天线的每个波束都需要一条单独的射频信道。天线发出的波束数量取决于一系列因素,如频率范围、空间复用方案、用户数量等等;早期的5G部署一般为8个波束。各扇区内波束和射频设备成倍增加,再乘上数百万个扇区,这滚雪球般的倍增效应让半导体行业的未来又充满希望。

 

基站扇区预测

图5点出了半导体行业另一个重要的主题。如图所示,有好几种技术方案都可实现这项应用。随着蜂窝终端销量趋于平缓,5G网络和设备有望成为化合物半导体市场最重要的推进力。Sub-6GHz和毫米波段网络及设备一起,加上数字波束赋形架构,将决定各种设备技术的增长轨迹。

图6是我们对新无线基站扇区的预测。诸如射频拉远、频谱重耕、现有站点扩容、塔架共享等趋势使得定义“基站”变得越来越困难。为了将这些因素归一化,我们按扇区对基站市场进行了细分,其中每个扇区包含了向指定覆盖区域提供服务所需的全部电子设备。如此一来,每个传统的全向宏小区被分为三(或更多)个扇区,而低功率的室内小区可能只有一个扇区。另外要着重声明的是,我们是基于2019年末的数据做的这些预测。

本预测结果展现了一些有趣的趋势,包括5G网络Sub-6GHz部分对无线基础设施市场的重要性。5G的出现并不意味着4G的终结,其非独立模式将利用现有4G核心基础架构。鉴于5G的普及仍需要一些时日,4G网络将进行升级,从而在5G覆盖不到的时候也能为5G用户提供良好体验。最初的5G网络部署是美国的毫米波频段,主要为采用Verizon独家规范的固定无线接入。这些网络实现了“最后一英里”高速接入,扩展了FiOS网络覆盖范围。我们预测毫米波5G网络很快就将支持移动设备。

毫米波基站扇区数量将会增加,但比Sub-6GHz的要少。毫米波信号存在不少待解决的难题,但对本预测分析而言,最重要的是覆盖范围较小。这样一来,运营商几乎不可能在我们的预测时段内实现全覆盖。正如图2所示,5G网络最可行的方案是用毫米波小区实现高数据速率,并配上Sub-6GHz小区来尽可能扩大覆盖范围。

Sub-6GHz基站扇区的增长则反映了另一回事儿。5G的Sub-6GHz频段接近现有的蜂窝频段。将这些频段整合到网络和设备中并不是什么艰巨的任务,初始网络配置也支持移动性。运营商正在部署宏蜂窝来建立大的覆盖范围,再通过增加功率较低的小蜂窝来提高范围和容量。这种模式将推动Sub-6GHz部分的快速增长,虽然2024年所部署的新扇区数量会比新4G扇区数量要少。到了2024年,每年新增扇区数将达到近1千万。

 

各种技术的市场份额预测

5G基站扇区的预计增长轨迹与先前讨论的架构问题都会影响各种技术的市场份额。随着无线网络发展到4G,收发器的功能性工艺技术已经发生了变化。硅集成电路技术已进入了天线制造,抢走了化合物半导体技术的一部分市场。从图5也可以看到,硅工艺的不断增长,挤占了化合物半导体的位置,导致后者只剩波束赋形和前端应用部分。

在前端部分,5G将加速功率器件技术的转型。一直以来,硅基横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)是主流功率器件技术。但是,在中国大规模部署LTE的推动下,GaN俨然成为了发展最快的基站功率器件技术。随着搭载mMIMO天线、带宽更宽、工作频率更高、直流功耗更低的5G网络的部署,这一趋势将进一步加快。表1对两者的重要性能进行了比较。

表1的比较是定性的,不可尽信,有些对比也具有争议,但大体还是直观地反映了GaN迅速得势的原因。绿色环保性能主要得益于GaN的宽带隙器件特性。早期GaN存在可靠性不足的缺点,但供应链极大地改善了GaN的设计和制造过程,消除了这一问题。GaN被迅速应用在国防和基站中这一点,亦可证明其可靠性。

此表里最具争议的项目可能是成本。业内对这个话题的讨论一直在进行,不过还尚无定论。支持LDMOS的人认为,同等的GaN器件价格高昂许多。而GaN支持者或许不认可这点,但即便他们认同,也可以争辩说GaN技术在总体拥有成本上占优。基站应用中广泛采用GaN,这表明GaN的确具有强劲的价格优势。

硅基LDMOS生命力极强。该体系已经推出了数代产品,每代都比先前的性能和价格更优,从而延缓了市场份额的丢失。虽然最新一代LDMOS工作频率可达4GHz,以适应3.5GHz成为全球新标准这一事实,但LDMOS器件并不能在毫米波段工作。毫米波基站的增加将会进一步加速LDMOS市场份额的减少。

我们预计2019年GaN在全球基站的收入将会首次超过LDMOS。不过,LDMOS仍将会占据Sub-6GHz相当一部分市场。图7预测了基站市场Sub-6GHz部分的功率器件收入。尽管5G毫米波段很吸引人,但Sub-6GHz器件的收入也十分可观。我们预计到2024年这一数字将达到近3亿美元。随着Sub-6GHz基站引入更大的mMIMO阵列来降低功放的发射功率,硅工艺(CMOS、SiGe)将获得最大的收入涨幅。在信道带宽有限的情况下,运营商试图通过提升频谱效率来提高数据速率,因此硅的集成能力颇有吸引力。

虽然硅具备集成优势,GaN仍将位列该领域收入第一。诚然,硅工艺的集成能力毋庸置疑,但GaN的性能以及在运营商看来的总体拥有成本则令人无法抗拒。GaN技术的这些优势将助其在Sub-6GHz功率器件收入上分得一大杯羹。图7的营收分析包含了激励放大器,这在非集成射频链路的应用中主要是GaAs器件的领域。图7显示了LDMOS的收入和份额正在缩减。我们不认为该技术会完全消失,但也许未来它在细分市场中会更有一席之地。

 

小结

在新冠肺炎爆发以前,化合物半导体市场就处于低迷状态。幸运的是,5G网络和设备的部署似乎又将再次推动该市场的增长。尽管毫米波段具有显而易见的优势,但Sub-6GHz波段能提供亟需的机会。半导体收入的增长轨迹将由频率范围和网络架构一齐决定。我们预计Sub-6GHz和毫米波5G部署会促进硅集成电路、GaN、GaAs以及LDMOS等收入的提高。

 

 

图1 5G愿景

图2 5G混合网络演进过程(来源:爱立信)

图3 模拟波束赋形接收器框图(来源:Analog Devices《从比特到波束:5G毫米波射频技术的演进》)

图4 数字波束赋形接收器框图(来源:Analog Devices《从比特到波束:5G毫米波射频技术的演进》)

图5 混合波束赋形接收器框图(来源:Qorvo)

图6 无线基站扇区预测(来源:Strategy Analytics)

图7 采用不同工艺的Sub-6GHz基站功率器件的收入情况(来源:Strategy Analytics) 

表1 LDMOS与GaN的定性比较


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