低频5G与毫米波5G遇到的挑战

向5G移动网络的推进不断加快，无线吞吐量和容量会呈现爆发式增长。在短期内，我们将看到Sub-6 GHz无线基础设施开始部署，以弥补现有4G LTE网络与未来毫米波（mmW）5G实施方案之间的带宽差距，后者采用的频率要远远高于6 GHz。

Sub-6 GHz基础设施将继续利用2.5至2.7 GHz的大量可用频谱，同时增加3.3至3.8 GHz的频率，在某些地区甚至达到4.4至5 GHz。中国移动计划于2017年和2018年进行主要试点部署，sub-6 GHz的pre-5G基础设施有望提高传统手机频段的频谱效率，并且在可比较的频率带宽范围内，能够以比现有4G LTE快10倍的数据速率扩展容量和覆盖范围。Sub-6 Ghz的5G无线基础设施将采用波束成形方案进行广泛部署，采用该方案可以大大扩展网络覆盖范围和建筑内部穿透能力。

虽然3GPP联盟的第一套5G标准（第15版）预计在2018年6月才会获得批准，而且mmW频率的5G网络在几年之内都不会成为商业主流，但当今正在开发演示系统和前期标准，并且已经实现了一些重要的里程碑节点。早些时候，Verizon和AT＆T已经公布了部署5G mmW技术的测试/试验，主要是针对固定无线应用，旨在与传统有线电视运营商进行竞争，为每个家庭提供同时观看多个4K视频所需的带宽。5G也可能用于在人口稠密的环境中提供海量容量，例如体育场馆和地铁购物中心。随着技术的发展，未来的用途将更加明显。

然而，5G不仅仅表示频率更高的更快网络。其关键特性之一是，5G将使运营商以新的方式从网络获利，并通过联合网络切片等新功能来发展商业模式。凭借将物理网络划分为几个虚拟移动网络的功能，运营商可以利用消费者用户使用的同一硬件基础设施，为企业客户提供广泛的服务质量（QoS）和安全/加密选项。David Ryan进一步指出，长期来看，联合网络切片功能还可以在运营商之间实现更大的共享平台，使他们能够在各个国家之间协调分配网络资源，从而为用户提供无缝5G漫游体验。

一、大规模MIMO也带来了巨大挑战

  Sub-6 GHz和mmW 5G系统将依靠相控阵技术来优化信号链路和数据速率，该技术利用了在3D-MIMO（多输入多输出）架构中配置的大量天线元件。传统的基站可容纳两个到八个发射器和接收器，而3D-MIMO系统可配备64个发射和接收（T/R）元件，并且可扩展到128或256个元件。这些阵列天线配置增加了可用的T/R路径的数量以最大化数据速率，并且实现了对5G价值主张至关重要的高级波束成形功能- 不过，这类系统的复杂性和密度为设计和装配带来了诸多挑战。

考虑到在紧密聚集的天线配置中减小元件与元件之间的空间，特别是在较高频率的条件下减小空间，3D-MIMO系统需要紧凑的前端解决方案。这反过来又产生了与产生显著射频功率（在某些情况下，每个元件高达5W）和在小区域中进行散热等相关的散热挑战。

最终装置的装配是另一个主要挑战。64天线阵列将容纳64个功放、64个开关和64个低噪声放大器等器件。如此之多的射频组件和射频接口使最终产量面临很低的风险。5G微信公众平台（ID：angmobile）了解到，David Ryan进一步指出，当一些基站OEM厂商具备可以组装数千个组件并在内部处理PCB封装的生产能力时，其他OEM厂商会选择采购完全组装的模块作为其无线电设备中的功能块，以降低复杂性和产量风险。通过利用更高级别的组件，可将组件故障定位到各个64个子系统中，因此，与因一个单个故障就会损害由数千个单独元件组成的组件相比，可以更容易地对电路板进行返工。

二、第4代氮化镓优势：在5G基站中的应用

就半导体层面而言，第四代硅基氮化镓（Gen4 GaN）已经作为LDMOS的明确替代者来服务于针对5G部署的下一代基站，尤其对于3.5 GHz及以上频率，LDMOS存在固有技术限制。第四代氮化镓技术通过4G LTE基础设施确立了相对于LDMOS的领先优势，其在功率密度、节省空间和能源效率方面具有显著优势，而且还有助于实现优于LDMOS的成本结构。

第四代氮化镓的原始功率密度比当前LDMOS技术的原始功率密度高百分之十分，每单位面积可将功率提高4到6倍，也就是说，氮化镓裸片尺寸为LDMOS裸片尺寸的1/6至1/4。第四代氮化镓具有更高功率密度特性，能够实现更小器件封装，因而非常适用于3D-MIMO天线系统。

此外，第四代氮化镓与LDMOS相比，效率提高了百分之十以上。如果加以适当利用，这种频效差量能够在系统层面上对商业5G应用产生巨大影响，特别是对于多封装层需要专门解决高温问题的解决方案（例如第四代氮化镓，能够使器件工作在较高结温条件下）的高级装配，更是如此。

最后要说明的是，器件设计师利