5G通信の標準化プロセスは急速に進んでおり、第3世代パートナーシップ プロジェクト (3GPP) は2020年にリリース16を確定させるべく取り組んでいます。ResearchAndMarkets.comの最近のレポートでは、最初の5G導入の主な帯域として3.4～3.8 GHzが特定されており、2023年までに通信事業者の70% が5Gを導入すると予測されています。
主要な実現技術の1つに、大規模なマルチ入力マルチ出力 (mMIMO) があります。これは、ノキアのCTO兼ノキア ベル研究所社長のマーカス ウェルドン氏によると、「永続的に常時接続、超信頼性、超可用性、低遅延、高性能、そしてどこでも」というセルラー ネットワークの約束を5Gが実現するために不可欠です。
mMIMOとは何ですか?
一部の4G基地局ですでに採用されているMIMOでは、通常、2つ以上の送信機と受信機を使用して一度に多くのデータを送受信しますが、mMIMOでは、単一のアレイ上のアンテナの数を大幅に増やすことでその概念を拡張します。
たとえば、EricssonのAIR 6468は、64個の送信アンテナと64個の受信アンテナを使用して、8x8アレイで64個のフィードをサポートします。他の機器ベンダーは、最大128本のアンテナを搭載したmMIMOシステムを実証しています。
mMIMOは、環境内の構造物からの反射によるマルチパス信号伝播に依存します。無線チャネル推定および信号処理技術により、マルチパス伝播による空間多様性を活用して、同じ時間と周波数リソース内で基地局と複数のユーザー間の通信が可能になります。
mMIMOの主な利点は次のとおりです。
- ネットワーク容量: mMIMOは、データ パケットを複数の信号パスに分割し、マルチユーザーMIMO (MU-MIMO) を使用して複数のユーザーを同時に許可することで、ネットワーク容量とデータ スループットを向上させます。
- より優れたカバレッジ: mMIMOによるビームフォーミングにより、信号パスを調整してカバレッジをユーザーの位置に合わせて調整することで、移動するユーザーに対して動的なカバレッジが可能になります。
図1: Massive MIMOは、ユーザーへの複数の信号パスを活用することで、カバレッジとネットワーク容量および速度の両方を向上させます。
課題
5Gのより高い帯域幅は、チャネルの情報伝送容量を説明するシャノンの式のように、信号対雑音比 (SNR) に反比例して寄与するため、容量の増加に直線的につながりません。帯域幅を増やしながらSNRを一定に保つには、送信電力を比例して増やす必要があります。
mMIMOではRFチェーンの数が多くなり、追加の信号処理リソースが必要になります。これは、追加のハードウェアと消費電力の増加を意味し、スペースと熱管理の課題につながる可能性があります。さらに、動作周波数が高くなると、アンテナ間のスペースが大幅に狭くなり、熱管理のためのスペースが少なくなります。
GaN on SiCソリューション
これまで、横方向拡散金属酸化膜半導体 (LDMOS) デバイスなどのシリコンベースの技術が無線通信に広く使用されてきました。しかし、LDMOSデバイスには電力密度と高周波数の制限があり、5Gの要件を適切に満たすことができません。
ここで、端子容量が低く、逆回復損失のあるボディダイオードがないため、低損失、高周波スイッチング性能を発揮する窒化ガリウム (GaN) トランジスタが優れています。高熱伝導性のシリコンカーバイド (SiC) 基板上のGaNの出現により、mMIMOの実装が可能になり、5Gが実現しました。
GaNは、すべての周波数でLDMOSよりも高いパフォーマンスを提供し、より高い平均電力と広帯域動作を可能にします。Wolfspeedによると、GaN on SiCは、最大平均電力で動作する場合、LDMOSパワーアンプ (PA) を使用するシステムと比較して、200 Wを超えるDC電力を節約できます。
より高い電力密度に加えて、GaN on SiCは熱伝導率が高いため、LDMOSで必要な熱管理用具が少なくなり、ダイ サイズが小さくなり、最終的にはシステム サイズと重量が削減されます。これにより、前述のハードウェア密度による熱の問題が効果的に解決されます。
ネットワーク オペレータの観点から見ると、消費電力、サイズ、重量の削減はコストの削減につながります。
GaN on SiC市場をリードしているのは誰ですか?
RFコンポーネントの長期的な5G基地局サプライ チェーンを確立する場合、信頼できるGaN on SiCコンポーネント ベンダーを選択することが重要です。この分野のマーケットリーダーはWolfspeedです。
市場分析会社Yole Développementは、Wolfspeedに3,700件を超える特許が付与されており、特にSiC基板上のGaN HEMTに関しては同社が最も強力なIPポジションにあると評価しています。同社は研究開発に引き続き多額の投資を行っており、2019年度の研究開発費は24％増加して1億5,790万ドルに達した。
Wolfspeedのコンポーネントは現場でテストされ、信頼性が実証されています。同社は25年以上にわたり通信OEMの信頼できるRFパートナーとして、通信分野向けに何百万もの製品を出荷しており、日本、韓国、米国での5G展開にも参加しています。