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基站部署和網站捕獲的局限性要求適用於5G大規模MIMO（mMIMO）的更小、更輕的無線電設備和天線。 改進的信號處理、高效的設備以及從分立元件到前端模塊（FEM）的集成使滿足這些需求成為可能。
射頻和微波行業在實現商用6 GHz以下5G無線基礎設施方面取得了長足進展，毫米波無線通訊也取得了進展。 早期人們對5G的熱切關注已經轉向製定5G行業標準，組件和系統製造商對適用和可擴展的5G基站架構進行了各種調整。 這些架構可用於移動用戶、物聯網等。 該應用程序提供了更快的數據輸送量和更高的容量。
為了實現從4G到5G的演進，並將容量提高100倍以滿足我們日益增長的數據需求，蜂窩通信射頻系統的架構和設計需要進行根本性的改變。 面對更大的通信需求，如用戶、設備、汽車、智慧電錶、低功耗廣域設備和其他機器對機器通信，使用固定扇區天線系統的4G蜂窩系統將面臨容量不足的問題。 眾所周知，在最高級別的通信理論中，為了使無線通道輸送量最大化，有必要使信噪比（SNR）或訊號干擾雜訊比（SINR）最大化。 高密度蜂窩網絡通常受到干擾而非雜訊的限制，這種限制迫使射頻架構演變為管理干擾的系統。 這就是mMIMO系統的用武之地。與4G系統相比，mMIMO具有更多的收發器和天線單元，使用波束形成信號處理向用戶傳遞射頻能量，並通過調整方位角和仰角動態控制天線波束，使其遠離干擾源，從而减少干擾帶來的問題。 通過將射頻能量傳遞給用戶並使訊號遠離干擾，SINR、輸送量和整體系統容量都將得到改善。
隨著5G天線陣列和MIMO科技的實現，無線網路運營商在從4G LTE過渡到5G基站時將面臨部署挑戰。 這種漸進式的演變可能會見證這兩項科技在很長一段時間內的發展。 4G LTE和5G基站具有相似的物理佈局，可能會在現有的共置蜂窩塔和屋頂設施上組裝。 根據當前配寘，干擾和覆蓋間隙被最小化。
隨著5G基站在現有網站中的激增，可用的安裝空間將急劇縮小。 在一些地區4G LTE基站的持續部署中，安裝空間一直供不應求。 事實上，許多手機信號塔已經超載，達到了承載能力的極限，這反映在城市環境中日益混亂的訊號塔上。
圖1顯示了一個典型的鐵塔安裝，包括兩層天線、無線電、射頻電纜和饋線。 每個扇區的重量約為250公斤。 風荷載、冰荷載和力臂是影響基站在塔上疊加的關鍵因素。 在安裝過程中，應注意基站的恢復能力和惡劣天氣條件下服務的連續性。
為了應對這些挑戰，必須使用更小、更密集的6 GHz以下5G基站設計。 同時，基站的重量和體積仍然是系統設計者需要考慮的關鍵因素，因為無線運營商在安裝和後續維護過程中需要大量的勞動力和設備成本。 在僅根據天線孔徑大小計算運營成本的情况下，塔運營商基本上轉向了定價模型，即使用基站重量、孔徑面積和體積來計算成本。 初始安裝成本還取決於安裝的位置、重量和類型：塔或屋頂、單或雙、是否使用起重機等。 最初的4G系統分為無線電前端和天線。 無線電前端通常位於地面上，無源天線安裝在塔上。 在其他設備中，無線電和天線位於塔上，兩者的成本相當。 5G mMIMO天線將有源電子設備放置在天線後面的塔上，使其位於一個集成單元中。
當然，基站的大小和尺寸始終是射頻組件供應商、基站設計者和運營商需要考慮的覈心問題。 塔樓和屋頂設施的短缺將加劇這些問題。 在實現商用規模的毫米波5G連接的道路上，由於頻率和物理常識要求基站之間的距離為100米，囙此獲取網站將變得非常困難。 當安裝在燈柱、路標、公車站候車亭或其他結構上時，毫米波基站設備需要比單獨安裝時輕得多，這樣它就不會顯得太突兀。
此外，各行各業對有效全向輻射功率（EIRP）的重視將加劇場地獲取的挑戰。 儘管4G LTE和低於6 GHz的5G基站在計算波束成形增益時可能顯示出類似的EIRP水准，但越來越高的頻率將需要更高的RF功率來補償建築物的穿透損失，並提高EIRP以實現類似程度的室內覆蓋。 繞射損耗、孔徑效率和路徑損耗都受到頻率的影響（即每倍頻程6至12dB）。 同時，由於鍍膜玻璃、導電（濕）砌體、磚表面和其他資料的趨膚深度和導電性，穿透損耗在較高頻率下會急劇增加。
健康和安全要求規定了EIRP的輻射限制（每平方釐米1mW），在從4G LTE過渡到5G的過程中，禁區應保持在可接受的水准。 囙此，提高EIRP級別自然會帶來一些安裝挑戰。 如果使用理論最大功率，這些將與mMIMO波束形成科技的實現相結合。 與傳統天線的水准定向不同，波束掃描天線陣列可以向多個方向輻射，甚至向下輻射到人行道上。 這一與健康和安全相關的問題將給5G基站的採購帶來更多限制，並新增設計更小、更低功率基站的壓力——這些基站必須能够靈活部署，同時確保安全。
减小尺寸和重量在優化6 GHz以下基站的尺寸和重量時，必須考慮設計因素。 從組件到系統，功耗、效率和散熱是最重要的。
天線的孔徑大小完全取決於天線元件的數量，天線元件的數目取決於所需的網絡容量和預期的干擾。 無論陣列有64、128還是192個元件，其物理尺寸都取決於陣列的物理特性、掃描角度要求、光栅瓣效能和波束寬度。 可以優化由底層電子設備和散熱决定的基站的尺寸和高度。 在這方面，我們看到了很大的改進空間。
與典型的LTE系統相比，5G mMIMO中經常被忽視的影響系統規模的關鍵因素是信號處理硬體的急劇增加。 mMIMO系統可以將192個天線元件連接到64個發射/接收（TRx）FEM。 這些TRx FEM具有16個收發器RFIC和4個數位前端（DFE），與典型LTE 4T MIMO中的4個收發器相同。相比之下，數位信號處理的效能可以提高16倍（圖2）。 例如，當頻率從20新增到100MHz時，頻寬將新增5倍，信號處理的倍數驚人。
該堆棧演示了典型的mMIMO集成天線和無線電的功能。 頂層包含天線單元，下一層包含射頻和數位電路。 儘管TRx FEM、RFIC和DFE層是單獨的電路板，但事實上，這三個功能將被組合成一個或兩個密集的功能層，以儘量減少互連。
也許比mMIMO系統中額外的硬體更令人震驚的是隨後對功耗和散熱的影響。 在過去，功率放大器（PA）功耗是設計基站散熱器和電源時最重要的考慮因素。 現在，信號處理電子設備的功耗正在接近車載功率放大器的功耗，在某些情况下甚至超過了車載功率放大器。
通過優化應用於傳輸訊號的訊號和波形調整算灋，可以在一定程度上抵消信號處理硬體的顯著增加。 傳統的訊號調理算灋，如峰值削波因數降低和數位預失真（DPD），主要是為具有極高功率放大器的宏基站開發的。 與用更小尺寸和更低功率的功率放大器填充mMIMO天線相比，傳統算灋需要更複雜、更重的處理工作負載。 無論是定制ASIC/SOC還是FPGA，這些算灋都可以輕鬆消耗DFE處理器中75%的可用信號處理資源。 通過簡化5G mMIMO架構的這些算灋並將功能重新分配到多個邏輯塊中，每個最小化塊中的優化算灋將提高信號處理效率並降低整體功耗。
圖4是解釋mMIMO系統中數位信號處理和收發器16之間關係的功能框圖。 這種架構是一種典型的mMIMO設計，但在邏輯分區（如8或16通道DFE）或使用離散組件而不是集成FEM方面存在一些差异。 根據圖4，從左到右，64個無線電和收發器路徑被劃分為16個收發器RFIC。 這16個收發器RFIC用於驅動4個DFE，這些DFE將處理來自64個通道的數位數據，並連接到波束成形處理器和基帶介面處理器。 具有直接採樣模數轉換器（ADC）和轉換率約為60GSPS的數模轉換器（DAC）的RF SOC的出現有助於减少傳統收發器架構中模數和數模轉換所需的步驟。 從而减小了5G天線的尺寸和重量。 通過放弃使用混頻器、轉換器和本地振盪器，可以减少整體組件數量和成本。 通過在有限元設計中採用先進的MMIC和MCM封裝技術，可以實現額外的冷卻功能和節省空間的優勢。 圖7顯示了簡化的mMIMO設計，不包括電源和光纖介面。 封裝殼將散熱器延伸到殼體內，以減輕鑄件重量並提高熱效率。 TRx板集成了FEM和RFIC，FEM通過熱通孔傳導熱量，RFIC熱量將通過蓋子傳導出去。 這允許熱量在多個方向上散發，而不是從FEM和RFIC單向散發。 熱量可以通過接地通孔和底板從封裝的頂蓋和底部散發，這更高效，有效地减少了散熱封裝。 此外，FEM可以通過熱通孔和蓋子引導熱量，以最大限度地提高散熱效能。
