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5G技術原理與新應用
來源： 科技日報
作者：南皮縣產學研科技成果中服務中心
日期：
2020-03-14
5G有兩種技術形式。其中一個使用低于6 GHz頻率的頻段，該頻段在4G LTE上略有改進。另一個利用24 GHz以上頻率的頻譜，并最終走向毫米波技術。通常，隨著頻率的提高，速度能夠更快以及能夠傳輸更多數據的能力也會提高。但是另一方面，隨著頻率的增加，信號可以傳播的距離將會減小。結果是需要更多的中繼器和基站。也許這對于半導體行業(yè)來說是個好消息，但這也意味著5G推出的時間可能會比以前幾代無線技術推出的時間更長，因為實現(xiàn)全部工作所需的基礎設施數量將會顯著增加。（工控） “5G的頻率非常高，噪音更低，并且可以實現(xiàn)新的應用，”GlobalFoundries 22FDX項目總監(jiān)Jamie Schaeffer說。 “對于基站，它需要一個帶數據轉換器（ADC/DAC）的數字前端。而對于5G手機來說，這些將是需要低功耗的手機，您需要集成的前端模塊。但對于面部識別等方面的應用來說，工作在24至40 GHz的5G將是最佳的解決方案。“ 5G設備也可以使用稱為波束成形（beamforming ）和波束追蹤（beam tracking）以及Massive MIMO（多輸入多輸出）的技術來將部分信號拼湊在一起以提升信號強度。 但是所有的這些都需要權衡。因為隨著頻率的提高，用于射頻(RF)前端濾波的薄膜厚度將會減小，這就產生了另一個問題。 應用材料公司的Rosa說：“在2到2.5 GHz的頻率下，射頻(RF)前端濾波薄膜（通常是基于氮化鋁（aluminum nitride）的薄膜）的厚度通常約為1微米。 “隨著工作頻率越來越高，這個薄膜會越來越薄。而目前該工藝難以控制8英寸和12英寸芯片晶圓上的應力的均勻性。所以你增加了鈧摻雜（Scandium doping），但那只是迄今為止的解決方案。最終你會發(fā)現(xiàn)你需要看看你如何開發(fā)那些今天被應用的薄膜。從短期來看，這并不是什么大不了的事情，但隨著時間的推移，我們將需要尋找替代方式來沉積這些薄膜。“（電解電容的作用） 即使這些薄膜中所使用的材料可能會改變。例如，鈮酸鋰（lithium niobate）被認為是氮化鋁（aluminum nitride）的可能替代品，因為它可以使機電耦合的效率加倍。盡管今天的大部分開關都是使用硅鍺（silicon germanium）完成的，但是在基站中可能會被氮化鎵（gallium nitride）所取代，但是這將不得不平衡增加功率以驅動更多信號到更多中繼器的需求，以及功率上升所帶來的功耗本身的成本問題。 其他5G技術問題 這也不僅限于基站。 5G手機可能會很快超出覆蓋范圍，讓它們搜索信號；這將比在具有強大接收信號的區(qū)域中更快地耗盡手機電池。 “使用手機終端設備時，需要在天線上完成很多的研發(fā)工作，要讓手機天線布局最佳，這樣當你用不同的方式拿著終端設備時，它還可以工作，”National Instruments（國家半導體）軟件定義無線電高級產品營銷經理Sarah Yost說。 “目前還在努力為所有這些天線創(chuàng)建高效的波束模式（beam patterns ）。如果在手機上有8個到甚至多達64個輸入，波束模式將非常大。你可能需要有12個發(fā)送模式和12個接收模式，并且所有這些模式都可能是不同的信號幅度。“ 這使得使用當今已有的設備和方法來測試5G芯片變得非常耗時。 “今天，測試時間是毫秒級，”約斯特說。 “如果您添加所有這些波束模式以及更多的容量和功能，您可以看到高達2500倍的測試時間的增加。當然你仍然需要測試這些芯片，但現(xiàn)在你需要一種不同的測試方法。我們正在看的一個測試方式是在空口中測試（over-the-air testing）。“ 這種方法的優(yōu)點是它可以為優(yōu)化信號的器件提供持續(xù)的測試，但這是測試中的一個新概念。 “優(yōu)點是您可以將其升級為模塊化的測試平臺，以便跟上標準的變化，”Yost說。 “它允許平臺作為真實網絡的一部分，讓您在設計過程中盡早地實現(xiàn)撥打電話的功能。” 這還可能與某些版本的外部系統(tǒng)級測試相結合，以加速該過程，以及內置自測試功能。 5G技術規(guī)劃變更 事情在設計方面也并沒有變得更清晰。未知因素使優(yōu)化芯片設計變得更加困難。因此，靈活性需要增加，無論是在架構層面還是在具有可編程性的邏輯層面都需要靈活的結構和布局。 “人們想知道他們是否需要更大的控制系統(tǒng)，”NetSpeed Systems首席執(zhí)行官Sundari Mitra說。 “這需要架構上的根本性改變。需要更多的動態(tài)計算，這意味著這些設計的復雜程度會有所提高。你不能采用傳統(tǒng)的結構并將其塑造成5G，因為它需要異構計算，因此這不僅僅是需要訪問內存的單個處理器。“ 從任何角度來看，5G本身就是一種顛覆性技術。但是當它與其他顛覆性技術，尤其是與自動駕駛技術配合來一起應用時，未知因素將顯著增加。 ArterisIP首席技術官Ty Garibay表示：“一輛汽車將始終需要具有5G連接性。 “這些汽車將每小時產生數TB的數據。其中一些將由邊緣芯片進行處理。但5G將是將這些數據進行后處理的關鍵。挑戰(zhàn)在于將需要匯集不同類型的處理和I / O接口。任何人都很難將它們很好地連接在一起。“ 與前幾代技術不同的是，5G的采用可能將是一種長期演變的混合技術。因此，雖然推出相對較快，但城市之外的5G手機和基站覆蓋可能需要數十年時間。事實上，這項技術是否具有普遍性目前尚不清楚。 “如果你看看很多展會那里展示的所有5G系統(tǒng)，它們都是原型，”Achronix戰(zhàn)略規(guī)劃和業(yè)務發(fā)展高級總監(jiān)Mike Fitton說。 “這就是為什么它們全部都使用可編程邏輯。標準正在發(fā)生變化，并且出現(xiàn)了不同的應用。所以你需要在ASIC中建立起一些可編程能力?？纯?G和4G，這些技術的早期市場幾乎完全基于FPGA的，而大規(guī)模應用時FPGA常常由ASI來C取而代之，以降低成本和功耗。我們在5G中看到了相同的情況。但5G需要更長的時間。這個市場的第一部分將是UHF（即Sub-6GHz），然后再是毫米波（Millimeter wave）。所以你將首先擁有4G的海洋，然后5G將開始在島上出現(xiàn)，并且它將從那里逐漸擴散開去。“ 但是，何時會發(fā)生這種情況并不明確。 Flex Logix公司首席執(zhí)行官Geoff Tate表示，由于這種不確定性，對業(yè)界eFPGAs的興趣大增。他表示：“與之前的無線技術相比，5G對嵌入式FPGA（即embedded FPGAs，eFPGAs）的興趣不斷增加。” “在基站內，存在功率約束。如果你可以去掉SerDes接口，那么可以節(jié)省大量的電力需求。這一點很重要，因為性能要求越來越高。同時，將會有更多的基站?，F(xiàn)在每半英里大概有一個，但是5G的密度需要更大。你會看到一個“母”基站（mother station），然后再是很多“女兒”基站（daughter stations，即中繼器），這將對功率產生更大的限制。“ 5G技術轉型 從視角來看，5G生態(tài)系統(tǒng)中有很多移動部件，從最初的5G部署開始并延續(xù)到未來的技術迭代。實際上，這就像管理一個隨著時間的推移的3D（三維）矩陣，矩陣中的各個部分都還處于研究，開發(fā)甚至定義的不同階段之中。 “利用5G，您可以將模擬，數字和射頻（RF）融合在一起，”ClioSoft市場營銷副總裁Ranjit Adhikary說。 “一旦你開始使用這項技術，過了一段時間你會看到一些技術遷移轉化成為IP的一部分，而有的則成為bugs，沒有人會說出為什么要做某件事。人們轉向不同的公司，而許多知識將會消失。“ Adhikary說這對知識產權（ IP）的發(fā)展，優(yōu)化和表征產生了影響，這與技術一起發(fā)展。 “對于5G，我們現(xiàn)在還沒有太多的第三方IP。但是，我們需要確保這一點，從系統(tǒng)級角度來看，它們都很好地被捕獲，包括腳本和流程。這種趨勢始于有線調制解調器，協(xié)議和規(guī)格發(fā)生了如此之快的變化，即使在幾個月的過程中，也很難跟蹤這些變化。而現(xiàn)在，您在全球擁有更多的公司，因此您必須跟蹤您正在使用哪個部分，開發(fā)哪個版本的規(guī)格以及使用哪個版本的第三方IP。如果有一個新版本的協(xié)議規(guī)范，你如何鏈接使用該IP的所有點的人？“ 多個市場和技術之間的不確定性正在相互交織，提出了更多關于未來將如何使用5G技術的問題，何時可以在市場上買到，以及最終將花費多少資金和其他資源才能得到。
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