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5G让基站升温

RF对数字和连续连接问题的低效转换导致热问题,威胁信号完整性和可靠性。

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在5G能够大规模商业化部署之前,工程师们必须解决一些棘手的问题,包括如何让一项热门技术变得更酷。

5克-capable modem chipsets are already on the market from Qualcomm, Samsung, Huawei, MediaTek, Intel and Apple, with some 5G service (LTE-Advanced/LTE-Advanced Pro) available in the U.S. But still mostly missing from the 5G equation are base stations powerful enough to shape and direct an individual RF connection to every subscriber within range, while performing feats of electromagnetic geometry to maintain that connection.

无线世界中的基站是将其他无线设备连接到中心集线器的设备。它是一个无线接收器和短距离收发器,由天线和模数转换器(adc)组成,将射频信号转换成数字信号,然后再转换回来。5G基站将拥有大量波束形成的多输入多输出(MIMO)天线——一组天线可以利用毫米波频谱同时聚焦和引导多个波束到地面上的不同目标,比如手机。有时,这意味着在一个物体上反射信号,使其接近目标,而不是在一个区域内广泛传播信号。

尽管爱立信、三星、诺基亚和华为都在生产5G基站技术现在,这一技术存在缺口。这些基站还不够强大,无法跟踪移动用户,并确保每个用户每纳秒都能连接。

为基站开发的设备必须与手机无缝对接。它们还必须足够可靠,可以使用多年,但目前的技术太热了。这对可靠性和信号完整性的影响还不清楚,因为现在已经很确定天线阵列将如何测试因为没有暴露的导线。这些天线对于在基站、手机和其他移动设备(包括联网汽车、健康监测设备甚至工业设备)中形成、引导和接收波束都是必不可少的。

“如果你把天线嵌入到包里,当包加热或冷却时,天线的工作方式就会改变,”该公司业务发展副总裁基思·肖布(Keith Schaub)说效果显著的美国应用研究与技术部门。“这会影响波束形成、波束转向,并造成功率损失。它还会影响制造过程,这需要严格控制。”

Schaub指出,基站和手机都是按照标准设计的,但这些标准的实施可能相差很大。例如,当两家主要芯片公司开发他们的第一个5G芯片时,他们遵守了标准,但由于驱动程序的微小不一致,芯片无法相互工作。

两阶段的承诺
尽管有这个名字,但5G更多的是一种方向声明,而不是一种单一技术。现在推出的6ghz以下的版本更像是4.5G。信号衰减是适度的,这些设备的行为很像今天的手机。但当毫米波技术在2021年或2022年开始推广时,一切都将发生重大变化。这部分光谱非常敏感,可能会被衣服、皮肤、窗户,有时甚至是雾阻挡。

其结果是需要更多的手机来保持设备连接,基站和手机将不断寻找保持连接的方法。任何有手机的人都知道,搜索信号会更快地耗尽电池。但它也保持了逻辑电路的活跃,从而产生热量。在堆满了机架设备的基站里,热积累会导致各种各样的问题。它可以影响信号的完整性,并可以减少所有组件的寿命。

“当你的频率范围不像手机发射塔那么远时,你必须增加更多的网络密度来获得相同数量的连接,”ETS-Lindgren的技术开发主任Michael Foegelle说。“当你设计这些时,你必须假设它们会在外部,你必须以一种方式来消除所有这些。因为你在室外,不想冒险进行主动冷却,你可能需要进行大量的修复,这意味着大量的环境冷却。”

另一个热源来自用于产生射频信号的模拟电路。功率放大器和转换器需要将模拟信号进入数字网络。但是用硅来进行这些转换效率不高,所以热量会增加。而且,虽然波束形成理论上可以节省电力,因为你不是在向每个方向广播,但这项技术也有自己的问题。

“首先,你需要足够的硬件来完成数字到模拟的转换,而成本仍然令人望而却步,”Foegelle说。“但它也渴望权力。这些阵列的一个副作用是,用于它们的电路并不是特别有效。它们会变热,你必须能够消散大量的热量,因为设备的数量、转换和效率问题。”

目前还不完全清楚这项技术是否会被数字技术取代。目前还不清楚数字技术将如何影响热等效应,特别是如果设计被推到最先进的工艺几何。

“5G标准支持这两种功能,”该公司首席营销人员戴维·霍尔(David Hall)表示国家文书。”模拟电路效率较低,会在基站中产生更多的热量。对于数字波束,波形本身会发生变化,特别是在多路访问时。所以你必须根据载波调整相位。”

霍尔指出,高温会加剧非线性效应。“如果你增加热量,变形就不会重复。”

这使得识别任何与高温相关的问题变得更加困难。一种解决方案可能涉及测试本身。NI市场开发经理希思•诺克森(Heath Noxon)表示:“历史上,我们一直使用盒式仪器。”“现在你必须更快地实现这个目标,更快地进行测试。”

不同的材料也有帮助,但它们增加了成本。Foegelle说:“与硅相比,使用GaN或GaAS的效率可能达到60%或70%,而硅的效率可能在20%至30%之间,但它们要贵得多。”

如果有足够的容量,这个问题可以解决氮化镓(GaN)或砷化镓(GaAs)这样规模经济就开始发挥作用了。这两种材料都很容易理解,并且有大量的专业知识来处理它们。“工程师们花了20年的时间优化砷化镓功率放大器的效率,”NI的Hall说。

“问题可能没有听起来那么严重,”福格尔说。“毫米波的带宽足够高,你不需要花很多时间交流。它移动迅速,这可以减少热量积累,并减少你传播的能量量。但在我们能够看到更多关于基站的工作之前,我们不会知道这一点。”

体积的问题
热只是5G世界出现的众多问题之一。这是一种完全不同的无线技术,特别是涉及毫米波时。的压力放在技术和服务提供商试图移动,通常创建5 g行业非常高,和一些工具可用于测试和验证任何个人方法足够早在这个过程中是有用的,根据Frank Schirrmeister高级集团产品管理主管韵律

这对于处理热量尤为重要,因为热量会影响部件的寿命。热效应可以加速电迁移,影响性能,并产生影响质量的噪音。但工程师们才刚刚开始使用这些技术,还不清楚还会出现什么。


图1:用于5G波束形成演示的R&S多端口网络分析仪ZNBT20,测试设备是来自模拟设备的评估板。来源:半导体工程德赢娱乐网站【官方平台】

“如果工程师用于在较低的频率工作在这些早期细胞的应用程序,然后过渡到工作5 g在更高的频率,突然所有的规则更严格,所有的法则门出去,你必须做一个更全面的设计,”Mike Leffel说罗德和施瓦茨的应用工程师。“这是一个更具挑战性的设计。组件在高频率下不能像以前在低频率下那样正常工作,所以你必须重新训练自己如何制作一个功能良好的产品。一切都变小。波长变小。调整路径相位的能力变得更加困难,因为现在波长很小,所以波长的一个小变化可能是10度,而不是在较低的频率1度。”

罗德和施瓦茨最近启动了为期一天的教育会议,以帮助工程师理解这些问题。但对勒费尔来说,为5G世界培养工程师是“我们客户面临的最大挑战之一”。他们必须重新思考在更高的频率下是如何工作的。我看到的是有人说,‘我过去在6GHz时做过这个,我甚至不需要校准电缆。我只要把它挂上去就够了。现在当我在40GHz时,我这样做,它失败了。一切都失败了,我必须做这个校准。当我校准时,它仍然不能正常工作。从罗德和施瓦茨来的人说你必须用力矩扳手来做这个。我以前从来不用扭力扳手。’ Yes, but you never worked at 40GHz before. Now everything is touchy. And this is a more expensive, better quality cable at 40GHz. You can’t use that cheap cable anymore. You have to calibrate maybe every day instead of once a week. You have to worry about the length of that line and the insertion loss, so there’s an extra trace on this board, so you can measure how much loss is in that line and then subtract it from the results so that when you measure a path on here, you can correct for that trace. At low frequency you don’t have to do that. At high frequency, that trace is critical to know exactly. So all of these things you didn’t have to do before are suddenly important, and if nobody told you this, then how would you know?”

毫米波技术并不是什么新技术,很多毫米波的网络问题以前已经在卫星通信或雷达中得到了解决。然而,Cadence的Schirrmeister说,一颗卫星和几十万个无线局域网规模的接入点之间的成本差异足以改变成本/效益的平衡,因此没有太多的直接比较。

5G标准也在不断更新。Foegelle说:“对于毫米波,我们说的是波长约为一厘米的天线,所以天线也非常小,每个用户使用两个天线——一个上行,一个下行。”“但对于基站,我们只有几家供应商进行营销。今年晚些时候,该标准的另一个版本也将推出,因此存在一些不确定性。我们让运营商进来,试图弄清楚他们网络上的传播特征会是什么样子,以及他们在这个领域可能会遇到什么类型的问题,但这种产品的分销价格仍然相当高,因为你必须以更像WiFi接入点而不是手机发射塔的密度进行分销。”

最好用5克这样的技术保持简单的事情,即使在标准或第一轮实施完成和经过验证之前,甚至在建立和经过验证之前,甚至是普遍存在的技术和经过验证的,请注意,工程副总裁Susheel TadikondaSynopsys对此的验证组。“PHY层变得非常复杂。您需要高带宽,而延迟要求意味着您必须在PHY层本身进行大量处理。我们曾经奢侈地把它发送到链上,用一个算法完成它。你所做的是将逻辑从一个部分移动到另一个部分。你还得转换模拟无线电波。数字化可能更有效,但在5G中,你没有12或14个调制解调器,而是数百个天线在进行波束形成。它比过去的4G要复杂得多,其过渡也比向4G的过渡要复杂得多。”

混合设计
然而,坚持使用混合方法也有很好的理由。所有或几乎所有工作在6GHz以下的射频基站都使用数字波束形成,因为它比模拟波束形成的功率和热效率更高。2018年的一份报告称,在高于6GHz的频率下,转换所需的滤波器会占用太多的数字空间,难以实现演讲在加州大学加布里埃尔M. Rebeiz,San Diego Engineering教授和高频通信和相控阵设计专家的MIT。

根据Redeiz的说法,将模拟信号用于射频,而将数字信号用于网络的混合设计是卫星通信雷达和其他5g应用中最常见的拓扑结构之一,这些应用在过去二三十年的通信方法中,他专门研究毫米波,主要研究那些在需求增长之前对地面高频带宽需求增长的问题。

据美国有线电视新闻网(cnn)报道,混合模型的计算复杂性也低于数字模型,但阵列更大,随着设备和天线的尺寸缩小,数字波束形成更有吸引力分析作者是安大略省加拿大皇家军事学院的研究员穆斯塔法·赫夫纳维。

人们谈论很多方法可以混合和匹配频率和协议和设备在其他方面,将从5克创造很多价值,尤其是对于那些不需要微秒延迟和10000 Gbit /秒的无线网络连接,杰出工程师Gilles Lamant说节奏。

“人们正在谈论将射频放在纤维上,但在高速跨越模拟RF到数字可能会导致主要的热量问题。仍然,使用较慢的无线界面,甚至甚至一个较小的地理区域,允许所有的RF数据都直接进入网络数字域,“Lamant说。“这里的关键是能效,因此您将RF在光纤中发送而不首先转换,您可以节省金钱和时间。您可以将其转换为稍后或将信号直接传输到另一个RF域。这是一个小型科幻般的思考,并且在一定的距离后,您必须在连接中放置更多能量,但如果权衡是成本和能量的。这是想法的,而不是在沉重的慢速同轴电缆上发送数据。“

结论
过分依赖人们使用智能手机的想法意味着忽略了许多其他应用程序。分析提供商或物联网网络所有者可能会发现,与需要即时高速移动视频接入的公司一样,连接5G接入点是一个有吸引力的商业主张,但使用5G接入点背后的物理网络进行双向高清流媒体的公司,与将大量数据批量发送到云端的物联网网络有很大不同。

Schirrmeister说:“如果你所关心的是你能多快发布Instagram图片,那和你想要连接的10万台设备在一平方公里上分散是完全不同的。”

在这一点上还有许多未知数。热只是另外一个问题,尽管它很重要。但是如何解决这个问题可能取决于很多其他因素,从基站的数字化程度到基站的密度和毫米波频率。目前5G发展势头强劲,但仍存在许多变数,这些变数可能会对无线技术的推广、工作效果和持续时间产生重大影响。

-埃德·斯珀林和苏珊·兰博对此报告有贡献。

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4评论

JJxFile 说:

的内容,谢谢

迈克尔明梁刘 说:

篇好文章。好工作。

纤维不太贵。

连接器和收发器(用于5G回程)。

一个给定的5G (Sub-6/7GHz或mmWave频段)基站平均消耗多少能量是值得研究的;在正常操作期间每天或每月。有百分之多少是热的或者热相关的?这个基准可以包含在关于这个主题的下一篇文章中。

亨利克 说:

如果你能提到手持移动设备的人的热效应(暂且不考虑生物效应),这篇文章就会有所改进。

没有一个 说:

可靠性测试,能力测试,有效性测试,成本测试,........不如做个测试看看这项技术可能给所有生命带来的危险.....将会有

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