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基站部署和網站獲取的局限性要求更小、更輕的無線電設備和天線適合 5G海量MIMO(（mMIMO）). 改進的信號處理, 高效設備, 從離散組件到 前端模塊 (FEM) make it possible to meet these needs.
射頻和微波行業在實現商用sub-6 GHz 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的熱切關注已經轉移到5G行業標準的製定上，組件和系統製造商已經對適用和可擴展的5G基站架構進行了各種調整。 這些體系結構可用於移動用戶、物聯網等。 該應用程序提供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，並將容量新增100倍以滿足我們不斷增長的數據需求，需要對蜂窩通信射頻系統的架構和設計進行根本性的改變。 面對更大的通信需求，如用戶、設備、汽車、智慧型儀器表、低功耗廣域設備等機對機通信，採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，在通信理論的最高層次上，為了最大限度地提高無線通道的輸送量，需要最大化信噪比（SNR）或信噪比（SINR）。 高密度蜂窩網絡通常受到干擾而非雜訊的限制，這種限制迫使射頻體系結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提高。
Challenges of mMIMO
With the realization of 5G antenna arrays and MIMO科技, 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. 這一逐漸演變很可能見證這兩種科技在很長一段時間內的發展. 4G LTE和5G基站具有類似的物理佈局，可能會組裝在現有的同址蜂窩塔和屋頂設施上. 根據當前配寘, 干擾和覆蓋間隙最小化.
隨著現有網站中5G基站的激增，可用的安裝空間將急劇縮小。 在一些地區不斷部署4G LTE基站的過程中，安裝空間一直供不應求。 事實上，許多手機發射塔已經超載，達到了承載能力的極限，這反映在城市環境中越來越混亂的發射塔上。
圖1顯示了典型的鐵塔安裝，包括兩層天線、無線電、射頻電纜和饋線。 每個部門的重量約為250kg。 風荷載、冰荷載和力矩臂是影響基站在塔上疊加的關鍵因素。 安裝期間，應注意基站的恢復能力以及惡劣天氣條件下的服務連續性。
為了應對這些挑戰，必須採用更小、更密集的sub-6 GHz 5G基站設計。 同時，基站的重量和體積仍然是系統設計師需要考慮的關鍵因素，因為無線運營商在安裝和後續維護期間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，塔臺運營商基本上轉向了定價模式，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：塔樓或屋頂、單臺或雙臺、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，無源天線安裝在風塔上。 在其他設備中，無線電和天線位於塔架上，兩者的成本相當。 5G mMIMO天線將有源電子設備放置在塔架上，緊靠天線的後面，以便它們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、基站設計師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，獲取網站將變得非常困難。 當安裝在燈柱、街道標誌、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，以便它不會顯得太顯眼。
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。 雖然4G LTE和sub-6 GHz 5G基站在計算波束形成增益時可能會顯示類似的EIRP水准，但越來越高的頻率將需要更高的射頻功率來補償建築物穿透損耗，並改善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表皮深度和導電性，在較高頻率下，穿透損失將急劇增加。
健康和安全要求規定了EIRP的輻射限值（每平方釐米1mW），在從4G LTE過渡到5G期間，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。 與傳統天線的水准方向不同，波束掃描天線陣列可以向多個方向輻射，甚至輻射到人行道上。 這一與健康和安全相關的問題將對5G基站的收購帶來更多限制，並新增小型和低功率基站的設計壓力。這些基站必須能够靈活部署，同時確保安全。
Reduce size and weight
When optimizing the size and weight of sub-6 GHz base stations, 必須考慮設計因素. 從組件到系統, 功耗, 效率, 散熱是最重要的.
天線的孔徑大小完全取決於天線單元的數量，天線單元的數量取決於所需的網絡容量和預期干擾。 無論陣列有64個、128個或192個單元，其物理尺寸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大小和高度。 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，影響5G mMIMO中經常忽略的系統大小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層是獨立的電路板，但事實上，這3個功能將組合成一個或兩個密集的功能層，以儘量減少互連。
可能比mMIMO系統中的額外硬體更令人震驚的是對功耗和散熱的後續影響。 過去，在設計基站散熱器和電源時，功率放大器（PA）功耗是最重要的考慮因素。 現在，信號處理電子設備的功耗正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的功耗。
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），主要是針對具有極高功率放大器的宏基站開發的。 與使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和更重的處理工作量。 無論是對於定制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總體功耗。
圖4是說明mMIMO系統中數位信號處理和收發器16之間關係的功能框圖. 此架構是典型的mMIMO設計, but there are some differences in logical partitioning (such as 8 or 16-channel DFE), 或者使用離散組件代替集成FEM. 根據圖4, 從左到右, 64條無線電和收發器路徑分為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，並連接到波束形成處理器和基帶介面處理器. The advent of RF SOC with direct sampling analog-to-digital converter (ADC) and digital-to-analog converter (DAC) with a conversion rate of approximately 60 GSPS helps to reduce the steps required for analog-to-digital and digital-to-analog conversion in traditional transceiver architectures. 從而减小5G天線的尺寸和重量. 放弃使用攪拌機, 轉換器和本地振盪器, 减少了總組件數量和成本.
採用先進的MMIC和 MCM封裝技術 在FEM設計中, 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. 封裝殼體將散熱器延伸至殼體內部，以節省鑄件重量並提高熱效率. TRx板集成FEM和RFIC, FEM通過熱孔傳導熱量, RFIC加熱將通過蓋子進行. 這允許熱量在多個方向上耗散，而不是從FEM和RFIC單向耗散. 可以通過接地過孔和底板從頂蓋和包裝底部散熱, 更高效、更有效地减少散熱器組件. 此外, FEM可以通過熱通孔和蓋傳遞熱量，以最大限度地提高散熱效能.
