遠(yuǎn)端射頻模塊(RRU)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及發(fā)展趨勢(shì)

遠(yuǎn)端射頻模塊(RRU)包含收發(fā)信機(jī)(TRX)、功放、射頻(RF)算法、濾波器、天線(xiàn)五大專(zhuān)有關(guān)鍵技術(shù)方向。其中TRX主要聚焦高集成、低功耗、大帶寬技術(shù);功放及算法主要聚焦高效率低成本技術(shù);濾波器主要聚焦小型化、輕量化技術(shù);天線(xiàn)主要聚焦于天面簡(jiǎn)化、5G低頻大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)、5G高頻技術(shù)。本文同時(shí)詳細(xì)說(shuō)明了近十年來(lái)這些技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及創(chuàng)新。

1、RRU關(guān)鍵技術(shù)方向及重要性

遠(yuǎn)端射頻模塊(RRU)是無(wú)線(xiàn)基站中的核心子系統(tǒng)，主要完成基帶到空口的發(fā)射信號(hào)處理、接收信號(hào)處理，主要功能見(jiàn)圖1。

RRU系統(tǒng)由收發(fā)信機(jī)(TRX)、功放、濾波器、天線(xiàn)、電源、結(jié)構(gòu)六大硬件子系統(tǒng)組成，包含TRX、功放、射頻算法、濾波器、天線(xiàn)五大專(zhuān)有關(guān)鍵技術(shù)方向。

RRU關(guān)鍵技術(shù)所服務(wù)的RRU在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各子系統(tǒng)中有2項(xiàng)第一：主設(shè)備發(fā)貨量占比第一(占比>70%);銷(xiāo)售額占比第一(>45%)。因無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)又是運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中的銷(xiāo)售額占比最高的部分，所以也可以說(shuō)RRU在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)各子系統(tǒng)中銷(xiāo)售額占比第一。

基于RRU這樣的位置，四大通信設(shè)備制造商都投入了大量的人力、物力來(lái)提升RRU產(chǎn)品關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)力，以期獲得對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)回報(bào)。

RRU產(chǎn)品關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)力(強(qiáng)業(yè)務(wù)能力、高效率、低成本、小體積、輕重量等)提升，要點(diǎn)之一是要做好RRU關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。中興通訊深知這個(gè)要點(diǎn)，所以在該方向上持續(xù)投入了大量的人力、物力。通過(guò)數(shù)十年持續(xù)研究，中興通訊在RRU關(guān)鍵技術(shù)上已從追隨者成為行業(yè)領(lǐng)先者。

文章中，我們將細(xì)化介紹近十年來(lái)RRU關(guān)鍵技術(shù)方向細(xì)分、演進(jìn)趨勢(shì)及創(chuàng)新。

2、中興通訊RRU關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

2.1 TRX關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

TRX主要分為數(shù)字、射頻2部分，主要用來(lái)完成數(shù)字信號(hào)和射頻小信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

TRX關(guān)鍵技術(shù)集中體現(xiàn)在鏈路方案及關(guān)鍵元器件的演進(jìn)上。以小型化、大帶寬、低功耗、低成本為驅(qū)動(dòng)力，TRX數(shù)字中頻部分形成了2種方案及對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵元器件演進(jìn)路線(xiàn)(如圖2所示)，TRX射頻部分形成了3種鏈路方案及對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵元器件演進(jìn)路線(xiàn)(如圖3所示)[1]。

圖2、TRX數(shù)字中頻部分演進(jìn)路線(xiàn)

圖3、TRX射頻部分演進(jìn)路線(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的特點(diǎn)是靈活可編程，可快速響應(yīng)RRU產(chǎn)品所需的新特性。在這個(gè)方向上，中興通訊RRU快速形成了FPGA平臺(tái)方案，積累了基于FPGA的高效模塊化設(shè)計(jì)方法，很好地支持了產(chǎn)品新特性的快速穩(wěn)定交付。

專(zhuān)用集成電路(ASIC)相比FPGA，成本、功耗均降低約50%，對(duì)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力貢獻(xiàn)突出。中興通訊從2006年開(kāi)始投入，已研發(fā)了若干代ASIC，很好地提升了RRU產(chǎn)品的熱耗、成本競(jìng)爭(zhēng)力。

模數(shù)(AD)/數(shù)模(DA)+多芯片組件(MCM)方案聚焦于高性能，特別是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)應(yīng)用。演進(jìn)路線(xiàn)的核心是器件高性能+多功能集成。中興通訊從2008年開(kāi)始投入，已研發(fā)了5代MCM，使得2T2R RRU的射頻器件從30顆降低到8顆，功耗降低>30%，單板布局面積降低>5倍。

TRXSOC方案采用零中頻，其顯著特點(diǎn)高集成、低功耗。從2011年開(kāi)始，中興通訊已研發(fā)5代TRXSOC，零中頻技術(shù)及器件已適用于越來(lái)越多的RRU產(chǎn)品形態(tài)，并特別適用于5G大規(guī)模MIMO有源天線(xiàn)單元(AAU)。

射頻采樣(RFS)方案采用轉(zhuǎn)換速率(GSPS)高速AD/DA相關(guān)技術(shù)，對(duì)DC-6GHz射頻信號(hào)進(jìn)行直接采樣。特點(diǎn)是高性能(雜散性能好)、多頻和大帶寬，特別適用于多頻RRU、5G高頻等大帶寬的RRU。從2014到現(xiàn)在，器件已演進(jìn)5代，集成度和超帶寬性能持續(xù)提升[2]。

近年來(lái)，數(shù)字中頻射頻單芯片方案及關(guān)鍵器件路線(xiàn)開(kāi)始成為熱點(diǎn)，后續(xù)大規(guī)模數(shù)?；旌霞蓵?huì)持續(xù)演進(jìn)和整合提供RRU獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的射頻解決方案。

另在5G高頻產(chǎn)品方向，中興通訊整合行業(yè)資源集中力量較早地開(kāi)始5G高頻射頻前端方案(如圖4所示)和關(guān)鍵元器件研發(fā)。關(guān)鍵器件演進(jìn)路線(xiàn)上，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、氮化鎵(GaN)多工藝路線(xiàn)并行，預(yù)計(jì)在2022實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用。

圖4、5G高頻鏈路方案解調(diào)器

2.2 功放關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

功放位于發(fā)射通道的末級(jí)，通過(guò)將已調(diào)制的射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，從而得到足夠大的射頻輸出功率(例如：100W)，然后饋送到天線(xiàn)上輻射出去。

功放關(guān)鍵技術(shù)主要包含高效率、大帶寬、頻段拓展幾大方向，其演進(jìn)路線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5、功放關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)路線(xiàn)

功放熱耗占RRU總熱耗的60%～70%，因此高效率是功放設(shè)計(jì)的最重要目標(biāo)。功放效率的提升依托于功放器件效率提升、高效率電路架構(gòu)設(shè)計(jì)2個(gè)方面。在功放器件方面，從2010—2017年末，主流功放廠家的橫向擴(kuò)散金屬氧化半導(dǎo)體(LDMOS)功放器件經(jīng)過(guò)了3—4代的升級(jí)，其中高頻段(1.8GHz以上)上GaN已逐步取代LDMOS成為高效器件的首選。在高效率電路架構(gòu)方面，目前主流商用的高效率電路架構(gòu)為Doherty路線(xiàn)，在研發(fā)的為包絡(luò)跟蹤(ET)路線(xiàn)、Outphasing路線(xiàn)。中興通訊從2008年開(kāi)始投入高效率功放自研，已經(jīng)過(guò)了8代研發(fā)，形成了獨(dú)有的ZM、DM技術(shù)，使得RRU的功放效率始終保持在業(yè)界領(lǐng)先水平。在對(duì)產(chǎn)品的貢獻(xiàn)方面，以正交頻分多址(FDD)兩發(fā)RRU為例，產(chǎn)品3代升級(jí)整機(jī)熱耗降幅超過(guò)30%，其中PA熱耗降幅超過(guò)80%。

隨著運(yùn)營(yíng)商帶寬的提升、高頻段大帶寬的主力商用，以及天面單元數(shù)的降低，功放的帶寬已從單頻30～75MHz到多頻，再到5G單頻的200～400MHz并持續(xù)增加。功放對(duì)應(yīng)采用寬帶電路方案、超寬帶射頻(UBR)電路方案來(lái)解決，同時(shí)GaN功放管的大寬帶特性也很好地支持了功放帶寬的持續(xù)增加[3]。

為獲取更多的可用頻譜資源，運(yùn)營(yíng)商頻譜逐步向高頻拓展，對(duì)應(yīng)功放要支持的頻段也逐步拓展。主力商用的頻段，也已從早期的900/1800/2100MHz，發(fā)展到2.6GHz，及5G低頻的3.5/4.5GHz，再發(fā)展到5G高頻的28/39GHz。在器件方向GaN功放管的高頻特性很好地支持了功放頻段向高頻的拓展。

2.3 算法關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

射頻算法主要包括削峰(CFR)、數(shù)字預(yù)失真(DPD)和無(wú)源互調(diào)抵消(PIMC)等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)方向。其中削峰、數(shù)字預(yù)失真方向的演進(jìn)路線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6、射頻算法關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)路線(xiàn)

削峰是通過(guò)對(duì)信號(hào)的峰值采用適當(dāng)?shù)牟呗赃M(jìn)行處理，從而達(dá)到降低信號(hào)峰均比(PAR)，并兼顧誤差向量幅度(EVM)和鄰信道功率比(ACPR)指標(biāo)惡化限制在允許范圍內(nèi)的目的。根據(jù)不同的峰值處理策略，削峰算法主要分為硬削峰、峰值窗削峰、脈沖抵消削峰幾大類(lèi)別。其中脈沖抵消削峰算法(算法架構(gòu)見(jiàn)圖7)是系統(tǒng)中最常用的削峰算法，可以滿(mǎn)足大多數(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖7、脈沖抵消削峰算法架構(gòu)

隨著無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)演進(jìn)到5G，對(duì)于削峰而言要滿(mǎn)足如下幾個(gè)趨勢(shì)：

無(wú)線(xiàn)信號(hào)帶寬越來(lái)越寬，目前的5G低頻系統(tǒng)信號(hào)帶寬100~400MHz，而毫米波系統(tǒng)的信號(hào)帶寬達(dá)到了1GHz以上。這樣，中頻削峰將受限于速率的限制。

5G系統(tǒng)對(duì)下行鏈路時(shí)延要求越來(lái)越高，因此低時(shí)延的需求越來(lái)越迫切。

5G系統(tǒng)通道多，對(duì)實(shí)現(xiàn)資源要求也越來(lái)越高。

5G系統(tǒng)支持高階調(diào)制方式，對(duì)信號(hào)的EVM要求越來(lái)越高。

所以，削峰的發(fā)展趨勢(shì)主要特點(diǎn)為低資源、高性能和低時(shí)延等。

DPD是在射頻功率放大器的輸入側(cè)對(duì)信號(hào)作預(yù)先失真處理，其特性與功放失真特性相反，用于抵消功放的非線(xiàn)性失真。

隨著無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)演進(jìn)到5G，DPD的發(fā)展趨勢(shì)為低資源、高性能、超寬帶的處理，這樣也就觸發(fā)了一些新的技術(shù)和架構(gòu)的誕生，例如：適應(yīng)于超寬帶的降采樣技術(shù)的研究。

中興通訊從2006—2009年開(kāi)始投入CFR和DPD算法自研，經(jīng)過(guò)了6代以上的研發(fā)，帶寬支持能力提升10倍，支持各類(lèi)功放，實(shí)現(xiàn)資源降低30%，很好地支持了功放效率領(lǐng)先，且很好地支持了RRU多頻多模寬帶及頻段拓展的演進(jìn)。

2.4 濾波器關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

濾波器于天線(xiàn)、功放與低噪放之間，用于濾除系統(tǒng)中使用頻率以外的信號(hào)，避免本系統(tǒng)產(chǎn)生對(duì)其他系統(tǒng)的干擾，也避免其他系統(tǒng)干擾本系統(tǒng)。

濾波器關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)的主要驅(qū)動(dòng)力是小型化、輕量化，主要技術(shù)路線(xiàn)為濾波器腔體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)工藝、結(jié)構(gòu)材料。小型化演進(jìn)路線(xiàn)見(jiàn)圖8。

圖8、濾波器關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)路線(xiàn)

中興通訊從2010年開(kāi)始聯(lián)合供應(yīng)商投入濾波器小型化研發(fā)，在大功率方向上，筆記本濾波器(NF)經(jīng)過(guò)3代研發(fā)，時(shí)分雙工(TDD)8TRRU濾波器體積降低50%，重量降低40%;在小功率方向上，ZTE革新濾波器(ZRF)體積減至普通金屬同軸方案濾波器的20%，給5G低頻AAU整機(jī)帶來(lái)體積降低>10%、重量降低>10%的收益。

中興通訊同時(shí)展開(kāi)新一代小型化濾波器技術(shù)研究，從材料更新、工藝進(jìn)步、方案替換等維度推進(jìn)濾波器極限小型化、輕量化。目前在全介質(zhì)材料濾波器、低溫共燒陶瓷(LTCC)、低通濾波器、體聲波(BAW)、薄膜體聲波諧振器(FBAR)等器件化濾波器方面都形成了一定的積累，并取得了一些階段性的成果。

2.5 天線(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

無(wú)線(xiàn)基站中的天線(xiàn)技術(shù)演進(jìn)如圖9所示。

圖9、無(wú)線(xiàn)基站中的天線(xiàn)技術(shù)演進(jìn)

在4G、5G時(shí)代，天線(xiàn)演進(jìn)有三大方向：

方向1為天面簡(jiǎn)化，也是業(yè)界提出的“1+1”天線(xiàn)概念，即1根可以支持2/3/4G頻段的無(wú)源多端口、多頻段天線(xiàn)和1根5G有源大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)天線(xiàn)，對(duì)應(yīng)解決方案為大規(guī)模多頻段天線(xiàn)集成技術(shù)。此方向的核心要求是高性能、小尺寸、輕量化、低成本，是天線(xiàn)行業(yè)當(dāng)下的熱點(diǎn)技術(shù)之一，圖10所示的“1+1”天線(xiàn)代表了此方向的演進(jìn)。

圖10、天面簡(jiǎn)化：“1+1”天線(xiàn)

方向2為5G低頻AAU的大規(guī)模MIMO陣列天線(xiàn)。由于天線(xiàn)陣面成指數(shù)級(jí)增加，所以小型化、輕量化就成為極為重要的需求。中興通訊提出了低剖面天線(xiàn)的解決方案，成為這一需求的有效解決方案之一，目前能夠?qū)崿F(xiàn)天線(xiàn)剖面降低50%，能給整機(jī)帶來(lái)體積降低>10%的收益。

方向3為5G高頻AAU中的陣列天線(xiàn)與電路直接集成。天線(xiàn)與電路集成，其優(yōu)點(diǎn)在于可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有利于系統(tǒng)的小型化、低成本，是高頻毫米波天線(xiàn)技術(shù)的重要發(fā)展方向，也正有成為5G高頻天線(xiàn)的熱門(mén)技術(shù)之一。

3、結(jié)束語(yǔ)

關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步直接作用于產(chǎn)品關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)力提升。以中興通訊RRU為例：

FDD兩發(fā)RRU，通過(guò)3代產(chǎn)品演進(jìn)，體積減少61%，熱耗降低32%，成本降低27%。

TDD八發(fā)RRU，通過(guò)3代產(chǎn)品演進(jìn)，在機(jī)頂功率功率翻倍的前提下，體積減少25%，成本降低55%。

5GAAU，經(jīng)過(guò)3代產(chǎn)品演進(jìn)，在機(jī)頂功率提升5倍，帶寬提升5倍前提下，體積減少50%，重量減少36%，熱耗降低37%。

關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)先能很好支撐產(chǎn)品關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)力領(lǐng)先，進(jìn)而支撐產(chǎn)品市場(chǎng)份額提升、品牌塑造。以中興通訊RRU為例：

2012年推出的業(yè)界功率最大、效率最高、體積最小的Magic RRU系列產(chǎn)品。

2012年推出的業(yè)界效率最高、體積最小的TDD 8T RRU。

2014年推出的業(yè)界多頻支持能力最多、功耗最小、體積最小的Qcell pRRU。

2016年世界移動(dòng)通信大會(huì)，中興通訊Pre5G大規(guī)模MIMO榮獲全球移動(dòng)“最佳移動(dòng)技術(shù)突破獎(jiǎng)”和“CTO選擇獎(jiǎng)”雙料大獎(jiǎng)。

2017年中國(guó)通信產(chǎn)業(yè)榜，中興通訊5G低頻AAU摘得“最具競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)品獎(jiǎng)”。

5G時(shí)代，大規(guī)模MIMO成為無(wú)線(xiàn)基站標(biāo)配，RRU在無(wú)線(xiàn)基站產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力中的占比進(jìn)一步提升?；谶@個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，中興通訊已在RRU關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)上進(jìn)一步加大投入力度，為繼續(xù)保持RRU關(guān)鍵技術(shù)行業(yè)領(lǐng)先位置、為客戶(hù)提供競(jìng)爭(zhēng)力領(lǐng)先的RRU產(chǎn)品奠定了良好的基礎(chǔ)。

致謝

本文得到了中興通訊RRU中心張作鋒、沈楠、李香玲、段亞娟、趙娜、李從偉、段斌、別業(yè)楠的鼎力幫助，謹(jǐn)致謝意!

來(lái)源：中興通訊技術(shù)

作者：王永貴、張國(guó)俊、崔曉俊，中興通訊股份有限公司