Chất nền IC - Sử dụng GaN để đạt được MIMO quy mô lớn 5G dưới 6GHz

Công nghệ Gallium Nitride đóng một vai trò quan trọng trong các ứng dụng 5G dưới 6GHz và có thể giúp đạt được nhiều mục tiêu, bao gồm tốc độ dữ liệu cao hơn.

Người ta ước tính rằng đến năm 2021, số người sở hữu điện thoại di động (5,5 tỷ) sẽ nhiều hơn số người sử dụng nước (5,3 tỷ). Video tiêu thụ băng thông sẽ tiếp tục làm tăng nhu cầu về mạng di động, chiếm 78% lưu lượng truyền thông di động. 1 Mạng 5G sử dụng công nghệ đa đầu vào đa đầu ra quy mô lớn (MIMO) sẽ là chìa khóa để hỗ trợ sự tăng trưởng này. Kết nối di động 5G dự kiến sẽ tăng từ 5 triệu vào năm 2019 lên gần 577 triệu vào năm 2023, theo dự báo của Strategy Analytics. Mỗi thế hệ công nghệ không dây đều tận dụng những tiến bộ trong công nghệ ăng ten để tăng tốc độ mạng. 3G sử dụng MIMO một người dùng, sử dụng nhiều luồng dữ liệu đồng thời để gửi dữ liệu từ trạm gốc đến một người dùng duy nhất. Hệ thống 4G chủ yếu sử dụng công nghệ MIMO đa người dùng, phân phối các luồng dữ liệu khác nhau cho các người dùng khác nhau, cung cấp dung lượng và hiệu suất tốt hơn 3G. 5G sẽ giới thiệu MIMO quy mô lớn để tăng thêm dung lượng và cung cấp tốc độ dữ liệu lên tới 20Gb/s. 5G Massive MIMO mô tả 5G tuyên bố có thể tăng dung lượng mạng và tốc độ dữ liệu trong khi giảm chi phí vận hành càng nhiều càng tốt. Người dùng cũng muốn chất lượng của các dịch vụ dữ liệu không dây, MIMO quy mô lớn 5G có thể giúp các nhà khai thác đạt được những mục tiêu này. Nó sẽ cung cấp tốc độ dữ liệu cao cho nhiều người dùng và giúp tăng dung lượng. Nó không yêu cầu phổ tần bổ sung để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực. Ngoài ra, các MIMO quy mô lớn sử dụng beamforming, một kỹ thuật tổng hợp tín hiệu từ nhiều ăng-ten thành một chùm mạnh duy nhất, để gửi tín hiệu theo hướng người dùng duy nhất, do đó giảm tiêu thụ năng lượng.

Ưu điểm của việc ghép kênh không gian và công nghệ MIMO quy mô lớn là sử dụng các mảng ăng ten lớn (thường bao gồm 64 cụm mảng phân cực kép, ít nhất 16) để ghép kênh không gian. Việc ghép kênh không gian cung cấp nhiều luồng dữ liệu song song trong cùng một mô-đun tài nguyên. Bằng cách mở rộng tổng số kênh ảo, nó có thể tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu mà không cần thêm tháp và phổ tần. Trong ghép kênh không gian, mỗi kênh không gian mang một thông tin độc lập. Nếu sự phân tán trong môi trường lan truyền đủ phong phú, nhiều kênh con độc lập sẽ được tạo ra trong cùng một băng thông phân phối, cho phép tăng ghép kênh mà không cần thêm băng thông hoặc chi phí năng lượng. Tăng ghép kênh cũng đề cập đến mức độ tự do phân phối không gian tín hiệu; Trong cấu hình MIMO quy mô lớn, DOF kiểm soát khả năng tổng thể của hệ thống.

Sau khi áp dụng MIMO quy mô lớn, nhiều ăng-ten tập trung tín hiệu phát và nhận trong một khu vực không gian nhỏ, dẫn đến tăng đáng kể thông lượng và hiệu quả năng lượng. Luồng dữ liệu càng nhiều, tốc độ dữ liệu càng cao, năng lượng bức xạ càng được sử dụng hiệu quả. Phương pháp này cũng cải thiện độ tin cậy của liên kết. Sự gia tăng ăng-ten có nghĩa là mức độ tự do cao hơn cho sự phân tập không gian. Nó có thể cải thiện tính chọn lọc của các luồng dữ liệu gửi và nhận và tăng cường khả năng loại bỏ nhiễu.

MIMO quy mô lớn cung cấp một số lợi thế, bao gồm:

Ngăn chặn sự lây lan theo hướng không mong muốn, giảm nhiễu

Giảm độ trễ cho tốc độ nhanh hơn và độ tin cậy cao hơn

Giảm suy giảm và giảm, cải thiện tỷ lệ tín hiệu tiếng ồn

Cải thiện hiệu quả phổ và độ tin cậy

Hiệu quả năng lượng cao hơn

5G quy mô lớn MIMO và triển khai dưới 6GHz

Rõ ràng, để đạt được mục tiêu tốc độ dữ liệu 5G 20Gb/s, cần có phổ sóng milimet. Tuy nhiên, có một số thách thức chính phải được giải quyết trước khi sóng milimet có thể được sử dụng để liên lạc di động.

Mặc dù các nhà mạng và OEM tiếp tục nỗ lực cải thiện công nghệ sóng milimet, trong ngắn hạn, tần số dưới 6GHz sẽ là lựa chọn hàng đầu cho công nghệ mạng 5G. Tần số dưới 6GHz thích hợp cho các khu vực nông thôn và thành thị vì công nghệ này hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ cao ở khoảng cách xa (Hình 3). Ban đầu, các nhà mạng dự định triển khai 5G trong các dải tần số từ 3300 đến 4200 MHz và 4400 đến 5000 MHz, hỗ trợ băng thông kênh lên tới 100 MHz. MIMO quy mô lớn dưới 6GHz giải quyết vấn đề nhiễu bằng cách sử dụng một số lượng lớn ăng-ten trong trạm cơ sở, cho phép trạm cơ sở cung cấp dịch vụ cho một số lượng lớn người dùng trong khu vực đô thị. MIMO quy mô lớn cũng có thể cải thiện thông lượng đỉnh, trung bình và cạnh và tối đa hóa hiệu quả chi phí bằng cách đạt được sự cân bằng tối ưu giữa phạm vi người dùng và dung lượng.

Những tiến bộ công nghệ này sẽ không xảy ra nếu không có những thách thức trong thiết kế hệ thống. Công nghệ tạo chùm MIMO quy mô lớn dưới 6GHz sẽ thúc đẩy việc sử dụng các bộ khuếch đại công suất (PA) nhỏ, hiệu suất cao, chi phí thấp trong các mảng MIMO quy mô lớn. Ngoài ra, do các cơ chế điều chế 5G ngày càng phức tạp (như 256-QAM), cơ sở hạ tầng không dây PA cần phải rất hiệu quả trong điều kiện thoái lui công suất sâu (lên đến hoặc lớn hơn 8dB) để đạt được tuyến tính mong muốn.