頭條楓林網5G的最早使用的應用場景之一將是固定無線接入（FWA，Fixed Wireless Access）系統；
圖1、固定無線接入將是5G最早的應用場景
固定無線接入（FWA）系統，它承諾提供千兆bits每秒的網際網路接入速度。 FWA可以以傳統電纜/光纖安裝的一小部分時間和成本交付給住宅，公寓和企業。與任何技術進步一樣，FWA帶來了新的設計障礙和技術決策難題。在設計FWA系統時，我們需要深入研究以下五點：
＃1、頻譜的選擇：毫米波（mmWave）頻段的頻譜還是低於6 GHz頻段的頻譜
＃2、利用天線陣列實現更高的傳輸資料速率
＃3、全數字波束形成（Beamforming）還是混合波束形成
＃4、功率放大器（PA）技術選擇：矽鍺（SiGe）還是氮化鎵（GaN）
＃5、從今天已有的RF前端（RFFE）產品組合中選擇元件
對於FWA系統而言第一個決定是使用毫米波頻段還是低於6 GHz的頻率：
毫米波：這些更高的頻率以低成本提供大量的連續頻譜。 mmWave支援高達400 MHz的載波分量，並支援千兆位資料速率。毫米波面臨的挑戰是植被，建築物和干擾等障礙造成的路徑損失。但是，不要假設FWA僅在基站和家庭之間有清晰的無遮擋的視線設定中有用 – FWA在城市和郊區環境中也可以表現得非常好。確實，植被和干擾是具有挑戰性的，但這些可以通過提供高增益的天線陣列來克服。
低於6 GHz：這種頻率較低的頻譜有助於克服障礙物遮擋所造成的問題，但需要付出代價。低於6 GHz的頻段只有100 MHz的連續頻譜可用，因此資料速率較低。
頻率範圍的有效使用（低於6 GHz或毫米波）對於擴充套件部署至關重要。任何情況的選擇都取決於平衡速度和覆蓋範圍的系統設計目標。
FWA系統還需要採用有源天線系統（AAS，active antenna systems）和大規模MIMO（多輸入/多輸出）（massive MIMO ）來提供千兆bits每秒的高速業務。
A、 AAS提供了許多定向天線波束。這些波束在不到1微秒的時間內重定向，使得波束成形能夠抵消與高頻有關的更大的傳輸路徑損耗。
B、大規模MIMO（massive MIMO ）使用數十個，數百個甚至數千個天線陣列，允許向每個使用者同時傳輸單個或者多個數據流。這樣做的結果是提高了系統的容量，可靠性，高資料速率和低延遲。波束形成還可以減少小區間干擾以及提供更好的訊號覆蓋範圍。
FWA系統要考慮的第三個設計要素是應用的波束形成型別 – 全數字型別的還是混合型別的波束成形（Beamforming）。
A、全數字方法
毫米波基站應用中最明顯的選擇是升級當前平臺。您可以探索擴充套件用於Sub-6 GHz頻率的全數字波束形成大規模MIMO（massive MIMO ）平臺，但這不是即插即用的解決方案。
全數字方法面臨著這些設計限制：
能量消耗：數字波束形成使用許多低解析度模數轉換器（ADC）。但取樣頻率高，一定數量的滿足解析度的標準的ADC可能會消耗大量功耗。這種功耗可能成為接收機的設計瓶頸。具有大量頻寬的大型AAS為全數字波束形成解決方案提出了巨大挑戰。本質上，功耗會限制設計。
在密集的城市環境中需要進行二維掃描：所需的掃描範圍取決於部署方案，如下圖所示。在密集的城市景觀中，方位角（〜120°）和高程俯仰角（〜90°）需要較寬的掃描範圍。對於郊區部署，高程平面內固定或者有限的掃描範圍（<20°）可能就足夠了。郊區部署需要有限的掃描範圍或者較少的活動通道，以實現相同的有效全向輻射功率（EIRP），從而降低功耗和成本。
記住：有源天線陣列（AAS）的陣列的大小取決於：
掃描範圍（方位角和仰角）
期望的EIRP
EIRP是以下引數的乘積：
活動通道的數量
每個通道的傳導發射功率
波束形成增益（陣列因子）
固有天線單元增益
圖2、天線陣列的大小與很多因素有關
爲了實現75 dBm的目標EIRP和波束成形增益，採用當今技術的全數字解決方案需要16個收發信機。這將等於440W的總功耗。但對於室外無源冷卻塔頂電子裝置，管理從RF子系統300W以上熱功耗的溫度是具有挑戰性的。我們需要新的技術方案。
具有數字預失真（DPD）的高效GaN Doherty PA可以提供所需的裕量，但這些器件仍在為毫米波應用開發。但是在我們看到全數字波束形成解決方案之前不久。一些事態發展將使其成為現實：
新一代數模轉換器（ADC）和模數轉換器（DAC）可節省功耗
毫米波CMOS收發信機的進展
小訊號部分的整合度的提高
圖3、下一代整合前端系統解決方案
混合方法
另一種選擇是混合波束成形，其中預編碼和合並在基帶和RF前端模組（FEM）區域中完成。通過減少RF鏈和模數轉換器（ADC）以及數模轉換器(DAC)的總數量，混合波束形成可以實現與數字波束形成類似的效能，同時節省功耗並降低複雜性。
混合方法的另一個優勢是能夠同時滿足郊區固定或者有限的掃描範圍（<20度）以及在方位（〜120°）和高程（〜90°）範圍內具有寬掃描範圍的密集的城市部署。
圖4、混合波束成形方案
底線：全數字和混合方式都有優點和缺點。我們相信混合方法現在更具吸引力和可行性，但即將推出的新產品可能會使全數字方法在未來同樣具有吸引力。
您選擇用於FWA前端的技術取決於系統的EIRP，天線增益和噪聲係數（NF）需求。所有這些都是波束形成增益的函式，而這也是天線陣列大小的函式。今天，您可以選擇SiGe或者GaN前端來實現您所需的系統性能需求。
在美國，聯邦通訊委員會（FCC）已經為28 GHz和20 GHz的EIRP設定了最高限制要求
39 GHz頻譜，如下表所示：
圖5、FCC的EIRP限制
爲了實現具有統一天線陣列的75 dBm EIRP，每個通道所需的PA功率輸出隨著元件數量的增加而減少（即波束成形增益增加）。如下圖所示，隨著陣列尺寸變得非常大（> 512個有源元件），每個PA單元的輸出功率變得足夠小，以便使用SiGe PA，然後可以將其整合到核心波束形成器的RFIC中。
圖6、輸出功率與有源天線陣列單元的數量的關係
正如您從下表中看到的，SiGe PA可以使用1024個活動通道來實現65 dBm EIRP。但是，通過在前端使用GaN技術，只需16倍少的通道即可實現相同的EIRP。
圖7、SiGe和GaN的實現方案對比
GaN FWA前端還能提供其它好處：
更低的總功耗。爲了確保準確的比較，氮化鎵（GaN）功耗包括額外的19.2瓦，以說明需要饋送前端的128個波束形成器分支引入的系統損耗。如下圖所示，在目標EIRP為65 dBm時，GaN的總功耗（127 Pdiss）低於SiGe。這對塔式系統設計來說更好。
圖8、GaN PA技術帶來的好處
更可靠。氮化鎵（GaN）比矽鍺（SiGe）更可靠，在200°C結溫下的平均故障時間> 10^7小時。 而SiGe的結溫極限約為130°C。
減小系統的尺寸和複雜性。 GaN的高功率能力降低了陣列元件和尺寸，從而簡化了組裝並降低了整個系統的尺寸。
結論：在無線基礎設施應用中，可靠性是必不可少的，因為裝置必須持續工作至少10年。對於FWA，氮化鎵（GaN）比矽鍺（SiGe）更可靠，成本更低，功耗更低，陣列尺寸更大。
最後的考慮是選擇正在實際應用中使用的產品解決方案。幾家RF公司定位於支援Sub-6 GHz和cmWave / mmWave FWA基礎設施的開發。例如，Qorvo已經為許多一級和二級供應商現場試驗提供產品。在整個RF行業，FWA產品的例子包括：
Sub-6 GHz產品：雙通道開關/ LNA模組和整合Doherty PA模組
cmWave / mmWave：整合發射和接收模組
另外，在5G基礎設施架構領域，有幾件事是必須考慮的：
可整合性
滿足高溫下的無源被動散熱冷卻要求
爲了支援這些趨勢，Qorvo已經為其建立了整合的傳送和接收模組
圖9、前端模組舉例
圖10、前端模組舉例
cmWave / mmWave，以及整合GaN FEM。這些整合模組包括PA，開關和LNA，並具有高增益來驅動核心波束形成器RFIC。爲了滿足基礎設施無源被動冷卻規範，我們使用氮化鎵襯底來支援更高的結溫。
FWA的實施已經開始，全面的商業化正在迅速展開。今天，我們認為混合波束形成是最好的方法。此外，氮化鎵（GaN）與SiGe核心波束形成一起滿足75 dBm / 100 MHz基站目標的FCC EIRP目標。這種方法還可以降低成本，複雜性，尺寸和功耗。
（完）