雷鋒網(wǎng)按：本文作者陳遲曉博士，美國(guó)華盛頓大學(xué)博士后研究員，矽說(shuō)（微信號(hào)：silicon_talks）主筆。

與3G、4G相比，5G的新興技術(shù)主要是毫米波與波束成形。此外，在載波聚合、多天線輸入輸出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）等4G技術(shù)上有了新的演進(jìn)。那么，其對(duì)集成電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了怎樣的挑戰(zhàn)呢？今天，我們就來(lái)預(yù)測(cè)一下5G挑戰(zhàn)下，集成電路的新趨勢(shì)——小基站。

某天，在我家對(duì)面的中電信服務(wù)點(diǎn)上豎起了一個(gè)不高不低的鐵架子，上面有兩個(gè)金屬盒子，還有兩根高高豎起的天線。然而在時(shí)常進(jìn)行廣場(chǎng)舞聚會(huì)的小區(qū)女性同胞們的反對(duì)下，幾天之后，中電信就只能乖乖的把那個(gè)鐵架子給撤了。

筆者無(wú)法告訴大家基站會(huì)不會(huì)產(chǎn)生輻射，但是大家真的以為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商會(huì)把基站撤走么？如果撤了，那你手機(jī)的信號(hào)格數(shù)應(yīng)該就是最低的那一檔了吧。

在摩爾定律的發(fā)展最直接的變化就把巨無(wú)霸變成袖珍丸。請(qǐng)看以下今天的基站長(zhǎng)什么樣：

你以為的基站Vs.基站實(shí)際的樣子。

很多人會(huì)問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，右邊那張圖不是路燈么？這就是小基站！可以偽裝在路燈、公交車站牌和任何不起眼角落的變色龍。

隨著集成電路的發(fā)展，終端芯片的SoC漸漸走到了窮途末路，而基站芯片的SoC卻正在澎湃發(fā)展。由此，小基站在4G時(shí)期成為了對(duì)抗廣場(chǎng)舞大媽抗議的重要技術(shù)手段。

問(wèn)題來(lái)了，5G下，微基站會(huì)更有意義么？ 

目前，限制小基站的主要是天線尺寸的大小。一般要求天線的尺寸與電磁波波長(zhǎng)在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，而電磁波波長(zhǎng)就是光速除以頻率。3G/4G的載波波長(zhǎng)在分米級(jí)，小基站的天線長(zhǎng)度也差不多。但是在5G下，載波波長(zhǎng)變成了毫米級(jí)（這也是之所以叫"毫米波"的原因）。所以天線可以做得更小，做得更多（實(shí)現(xiàn)波束成形和Massive MIMO）。

小基站（Small Cell）的體積和稱呼從Micro Cell（微基站）、Nano Cell（納基站）、Pico Cell（皮基站）已經(jīng)進(jìn)化到Femto Cell（飛基站）。它們的主要應(yīng)用場(chǎng)景在人口密集區(qū)、覆蓋大基站無(wú)法觸及的末梢通信。特別是完成號(hào)稱100Mbps-1GMbps的5G通信。小基站讓你工作閑暇之余，在一分鐘內(nèi)下完一集高清《權(quán)利的游戲》成為了可能。未來(lái)，可以預(yù)期的是其會(huì)像你家的路由器一樣小，藏在CBD和大型Shopping Mall的角角落落。

微、納、皮、飛……數(shù)學(xué)定義表

小基站的實(shí)現(xiàn)，除了摩爾定律帶來(lái)的高歌猛進(jìn)外，還有很多智慧的硅工付出的辛勞努力。比如——非線性功放的數(shù)字預(yù)畸變（Digital Pre-distortion for Nonlinear Power amplifier）。

小基站不僅在規(guī)模上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大基站，在功耗上也是必然指數(shù)式下降，畢竟占的是220V的市電。隨著集成電路的演進(jìn)，雖然計(jì)算功耗不斷降低，但射頻發(fā)射機(jī)信號(hào)的發(fā)射功率沒(méi)有太大變化，畢竟這是由協(xié)議靈敏度決定。在大基站里，我們可以用非硅的工藝實(shí)現(xiàn)高線性度功放，反正功耗不Care。但是在理想的小基站里，PA也是做成SoC的。CMOS工藝的功放在線性工作范圍的低效率聞名遐邇，在大功率的輸出下功率即將飽和。預(yù)期單純地被限制在線性區(qū)是“坐井觀天”。

于是天才型硅工就提出從在數(shù)字域?qū)ふ曳蔷€性PA的反函數(shù)，然后輸出一個(gè)非線性的數(shù)字控制碼。兩者疊加，就有了一個(gè)線性的高效率輸出。

然后，這個(gè)問(wèn)題的解法又再一次地普及到頻域，當(dāng)寬帶功放在帶內(nèi)的傳遞函數(shù)有波動(dòng)時(shí)，也在數(shù)字域?qū)ふ移洳▌?dòng)的逆函數(shù)，給出帶有頻率選通特性的調(diào)制結(jié)果，然后一疊加，又能看到幅度一致的EMV mask了。

帶有數(shù)字預(yù)畸變的發(fā)射系統(tǒng)

這一思想的核心，就是把不隨摩爾定律變化的射頻功耗等轉(zhuǎn)化為跟著摩爾定律走的數(shù)字計(jì)算功耗，所謂As much digital as possible。

在各式各樣的努力下，5G小基站變成了Pokemon Go中小精靈般散落在人間。于是新的問(wèn)題就出現(xiàn)了，那么多小基站，萬(wàn)一被踩一腳掛了怎么辦？況且其靈活性體現(xiàn)在其自由方便可配置上，如果動(dòng)不動(dòng)就要打電話給運(yùn)營(yíng)商派輛車過(guò)來(lái)，是否還合適呢？

答案顯然是否定的。

最后，我們要來(lái)介紹小基站實(shí)現(xiàn)中的另一個(gè)機(jī)制——自組網(wǎng)（Self Organizing Network，SON）。為了更好、更方便地對(duì)具有靈活性的小基站群進(jìn)行配置、優(yōu)化和修復(fù)，自適應(yīng)的組網(wǎng)技術(shù)將取代大基站中繁雜的介入成本。

有關(guān)調(diào)查指出，在5G應(yīng)用場(chǎng)景中，50%以上的通信資源被1%的終端占用，而這1%往往在大城市的中心地帶和商業(yè)區(qū)。這些地區(qū)的實(shí)際通信場(chǎng)景復(fù)雜，需要可配置度高的網(wǎng)絡(luò)。更有甚者，這些區(qū)域的物聯(lián)網(wǎng)也比較豐富。在種種情況交疊下，SON可以被看作是5G通信與物聯(lián)網(wǎng)通信的的橋梁，為這樣的區(qū)域提供更有效的組網(wǎng)通信系統(tǒng)。

如果有服務(wù)導(dǎo)向的自組網(wǎng)成為可能，那么未來(lái)的小基站的實(shí)際運(yùn)營(yíng)權(quán)可能從移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商轉(zhuǎn)移到部分轉(zhuǎn)換器實(shí)體商家和其他小企業(yè)運(yùn)營(yíng)單位手中。未來(lái)的“網(wǎng)管”不僅管著交換機(jī)、無(wú)線網(wǎng)，還要管都市移動(dòng)通信。聽(tīng)上去是不是很棒？

服務(wù)導(dǎo)向的自主網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)（Source：華為）

由于社會(huì)和通信等一系列的原因，未來(lái)小基站會(huì)逐漸成為5G通信中不同于大基站的重要增長(zhǎng)點(diǎn)，特別在城市CBD區(qū)域。毫米波將導(dǎo)致小基站的偽裝更加讓人難以分辨，與此同時(shí)，各種數(shù)字化的校準(zhǔn)方法也實(shí)現(xiàn)了大基站到小基站的低功耗轉(zhuǎn)變。同時(shí)，自組網(wǎng)技術(shù)可能令5G的商業(yè)模式出現(xiàn)重大變革。

5G通信技術(shù)系列文章：

《5G通信技術(shù)解讀｜大規(guī)模天線陣列技術(shù)》

《5G通信技術(shù)解讀｜波束成形如何為5G添翼？》

《5G通信技術(shù)解讀｜如何實(shí)現(xiàn)比4G快十倍？毫米波技術(shù)是5G的關(guān)鍵》

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