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在5G的尖端芯片封装技术

运营商和芯片制造商正在庆祝首批符合标准的商用5G服务的推出。

“我们正式处于5G时代,”高通公司工程副总裁John Smee在波士顿IEEE国际微波研讨会(IMS)最近举行的5G峰会上表示。 运动正在商业端发生。 美国主要运营商Verizon,AT&T和Sprint已在部分用户数量有限的城市设立了5G移动网络服务。

审稿人已经确认,在大多数情况下,该服务在严格的地理限制内快速且相当可靠。 韩国,英国,瑞士,西班牙现在有一些商用5G网络,中国将在10月推出5G。 俄罗斯,日本和许多其他国家拥有2020年商业发布试验台和计划。

然而,即使是对目前5G状态或产品重型4G替代品的潜在市场充满热情的芯片制造商和原始设备制造商也警告说,在5G技术能够足以实现雄心勃勃的角色标准之前,仍然需要清除后勤,技术和法律方面的障碍。机构和技术提供商已经为此做好准备。

“这些现场试验很有意思,我参与其中,” Cadence Design Systems高级产品管理组主管Frank Schirrmeister说。 “每月的费用可能比普通服务多10美元。 但我问自己,'让我的女儿在不到一分钟而不是13分钟下载150MB Netflix剧集每年120美元,或者我是否只是简单地播放它?'“

那么运营商真的能从5G赚钱吗? 此时,目前尚不清楚。 Schirrmeister说:“即使他们提高了[每月20美元的月费],这不是世界,但它让你认为虽然运营商显然对5G感到兴奋,但他们认为他们可以从中赚钱。” “它有多贵,它对消费者有什么影响? 看起来好像很多部署都可能成为特定于应用程序的东西。 它可能不是消费者的事情。 因此,如果我希望我的工业生产线能够以非常低的延迟获得5G连接,那就是它的周期。 这些自定义应用程序可能在推出时发挥重要作用,但我们可能不会自己看到它的这一方面。“

可能的是,在5G三角形的“支路”中,“我们可能只看到高带宽,而不是低延迟或每公里100万台设备的支持,”Schirrmeister说。 “我们以后才会看到这些。”

EJL Wireless Research的首席分析师Earl Lum表示,当人们说5G时,人们正在谈论的是哪个方面或用例的混乱。 “他们都意味着不同的一个。 是智能手机吗? 固定无线? 它是6-gig? 是毫米波吗? 这是一个不同的用例吗?“

爱立信2019年6月的移动报告预测,截至2019年底,全球移动5G用户数量将仅达到1000万,到2024年底将达到所有移动宽带用户的18亿-20%。

运营商移动服务是商用5G的更明显的例子,但高通,原始设备制造商和其他供应商,如Qorvo和Anokiwave--制造mmWave前端集成电路,mmWave SI核心集成电路和有源天线ASIC--专注于5G开发和更传统的微波客户。 Quorvo的5G产品系列包括移相器,前端模块和MIMO组件,并已出货超过1亿个5G无线基础设施设备。

只有最基本的服务才会在一开始就出现,但即使是那些也允许频谱聚合为特定应用提供其在6GHz范围内的保证带宽,这些带宽是移动网络目前占用的,并使用700MHz频率连接物联网或其他低功耗设备使用相同的物理足迹和相同的网络框架。

“通过相控阵和波束成形,它不再是一个全方位的宇宙,”Smee说。 “5G仍处于商业部署的初期,但这是5G的真正支点。”

建设势头 
无论如何,5G正在向前发展。 “没有什么能阻止5G,”Qorvo技术营销总监Ben Thomas在最近的一次演讲中表示。 然而,他承认在适应多频网络方面会有一个学习曲线。

“对我们的工程团队和整个行业来说,最大的挑战就是更高的复杂性,”托马斯说。 “当我们升级到像28和38GHz这样的毫米波段时,我们认识到它是由一个非常不同的用例驱动的。”他说。

例如,低于6GHz的频率最容易适应移动网络测试,但没有一小部分容量和28GHz以上频率的速度。 诀窍是了解哪些应用程序可以充分利用mmWave连接来提高自身性能,或者为较低频率的应用程序处理回程或其他任务。

“对于毫米波,存在挑战 - 传播和短距离,但目标实际上是关于网络容量和高密度区域,”托马斯说。 “为了支持这些频段,我们必须大大改变我们在这些环境中的设计和测试...将其与更多载波聚合组合,双上行链路以及更复杂的波形和调制方案相结合,坦率地说,你正在寻找指数对射频部分的影响。“

另一方面,能够在商业上做5G的工作让一些拥有mmWave通信系统和军用雷达经验的专家感到惊讶。

“两三年前,我会说没有机会,”雷神公司高级首席工程师,IEEE最近在波士顿举行的IMS 5G峰会主席安德鲁·扎伊说。

“在MIMO中,构造技术仍然是非常耗费人力的,你需要对混合模块进行各种调整,”Zai说。 “在相控阵中,你需要检查很多状态。 如果要检查阵列,则必须检查所有不同的通道。 这将涉及单独测试每个元素并检查振幅,以确保相位移出每个元素。 这是很多测试。“

在许多5G部署中推出的派克不仅是建立一个中继器网络以提供网络覆盖范围的努力和成本,而且还建立了一定程度的边缘计算设备来保持和移动数据以超高速度由极低延迟的网络应用程序的用户。

“试图从存储到使用点的任何地方获取数据都将成为一个问题,” Veeco首席技术官Ajit Paranjpe说。 “如果你不得不为所有东西转到云端,那么你就不会下注毫秒级的延迟,所以需要有一个服务器或存储基础设施的基础设施,以便数据可以提前移动到接近它的位置。在需要之前需要。“

很明显,5G网络本身必须以层次结构构建,使最高功率设备最远 - 可能与4G蜂窝塔位于同一位置。 毫米波衰减得如此之快,以至于必须安装从基站接入点到达非常靠近终端用户或用户的某些地方的毫微微蜂窝和微微蜂窝链。

这将需要非常高密度的5G网络供应,然而,每100米处有一个毫微微蜂窝基站,或许甚至更短距离的微微蜂窝基站。

“有更有效的方法可以解决这个问题,例如谷歌已经使用了一些产品而不是中继器的WiFi网格,在这种情况下,毫米波的部署可能非常迅速,”Paranjpe说。 “但是仍然存在如何通过回程系统获得大量数据的问题,回程系统将使用更高功率的设备和可能的光纤。”

能源使用 
一旦到位,使用量应迅速增长。

“好消息是它可以迅速传播给客户,就像4G一样,因为一旦它可用,每个人都想要拥有它,并且不需要很长时间才能构建他们的手机,”Paranjpe说。 “坏消息是,由于容量和能源的限制,你最终会在你的手机和4G上游做5G下游,并且可能需要一段时间来构建功能并让任何人想要建立一个企业申请就可以了。 5G是全新的。 消费者服务还可以,但你不想对它提出关键任务。 所以你暂时不会看到企业服务。 现在它对于消费者来说是可以接受的,但对于任何关键任务而言,它都太新了。“

一个很好的例子:“我们听到了一个非常粗略的估计,即与4G LTE相比,mmWave的基站数量将是10倍,” ANSYS解决方案高级主管Rajeev Rajan说。 “我们已经知道,近70%的LTE运营成本来自基站。 如果你必须做10倍的基站数量,他们真的必须做好他们的功课,试图优化组件 - 不仅是成本,而且也是能源费用。 您必须查看信号链中的所有内容,以优化能源效率。“

功率也随着复杂性而增加。 Synopsys解决方案集团的研发经理Peter Zhang说:“当你设计一个更复杂的算法时,它消耗的功率无疑更多。” “当你完成所有这些活动时,必须为所有这些事情提供动力。 这将需要更多的力量。“

5G从智能手机等设备中耗尽电池电量并不像对某些设备那样令人担忧。 “系统可以找到下一级网络,” Mentor垂直市场解决方案部门产品经理Neill Mullinger说。 “对于某些地方,我们总是有3G,4G选项,5G和mmWave很难穿透人,树木,建筑物等等。 另一件需要解决的问题是耗电量。 如果你有10倍的数据传输到你的设备,它将消耗10倍的功耗。 它可能不是那么线性,但在能够在很多不同场景下对你的设计进行功率分析时,它肯定需要更多,以了解它将如何受到影响。“

这只是权力图片的一部分。 “即使不考虑特定芯片组的优化,数据中心大约40%的能量也被冷却器和冷却器使用,”ANSYS的Rajan说。 “将在这些网络上创建和使用并传输千兆字节和数百兆字节的丰富多媒体。 基站配有相控阵天线和FPGA。 这可能是个大问题。 我的数字可能不完全正确,但是大约每消耗2瓦的能量,你会产生大约3瓦的热能。 因此,对于基站中每50瓦的能量,您可以获得150瓦的热能。 那个单一的盒子里有很多能量,没有冷却器,也没有风扇。 你最终可以得到一个基站的设计,它只是一个巨大的散热器。 这对他们来说是个大问题。“

使5G适用于从低功耗物联网网络到高端,高带宽移动网络的所有内容的努力可能使其不能被归为特定角色。 但它也使得很难知道在从确定使用的频率到内置到网络中的中继器密度的所有内容中从哪里开始。

ADI公司设计工程总监Ahmed Khalil表示,许多其他问题的罪魁祸首--5G网络的成本和布局以及特别是热问题 - 是mmWave无线电信号中的功率快速损失,限制了5G网络的范围和连接性。 “每十年频率损失增加20分贝。 对于毫米波而言,正在谈论30GHz,以及大约20db的额外损耗,这是你不能掉以轻心的,尤其是当你达到半导体不如低频率提供能量的频率时。 这意味着我们不会获得3公里的覆盖范围。 它会更像300米,如果那样,那将影响其他一切。“

衰减水平意味着设计人员必须设计一个缩小的小型小区层次结构 - 从基站到毫微微,微微,微小和宏小区 - 每一层都更接近终端客户,直到最小的可能只覆盖一个室内。

热量和成本 
这种衰减导致了另外两个主要问题 - 热量和成本。 由于基站功率放大器中的功率到RF信号的低效转换,热量增加。 作为私有5G网络的运营商或所有者的成本,他们意识到他们必须购买不少的蜂窝网络信号中继器以在特定区域内获得更好的覆盖,但是足够的毫微微蜂窝或微微蜂窝在任何地方放置至少一个接入点,每100到300英尺。

从基站获得更多增益可以减少所需的网络中继器数量,但增加增益的唯一方法是增加功率,并且增加两倍于功率的热量。

“在一个典型的系统中,你可能有64个通道,而不是4个RF功率包络和天线的包络,”Lum说。 “在4G远程无线电设备中,4 x 40瓦特等于160瓦特,这是名义上的。 在大规模MIMO系统上,它可能是160瓦,200瓦,甚至更高。 而且你不知道波束形成器对热量累积有什么贡献。“

Lum说,今年春天,华为和其他一两家制造商在巴塞罗那的MWC展出了水冷基站。 虽然很酷,但这是一个坏主意。 “你不想把任何东西放在一个可以停止工作的系统上。”

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