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

遠(yuǎn)端射頻模塊(RRU)包含收發(fā)信機(TRX)、功放、射頻(RF)算法、濾波器、天線五大專有關(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);天線主要聚焦于天面簡化、5G低頻大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)、5G高頻技術(shù)。本文同時詳細(xì)說明了近十年來這些技術(shù)的發(fā)展趨勢及創(chuàng)新。

1、RRU關(guān)鍵技術(shù)方向及重要性

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

RRU系統(tǒng)由收發(fā)信機(TRX)、功放、濾波器、天線、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、天線五大專有關(guān)鍵技術(shù)方向。

RRU關(guān)鍵技術(shù)所服務(wù)的RRU在無線網(wǎng)絡(luò)各子系統(tǒng)中有2項第一：主設(shè)備發(fā)貨量占比第一(占比>70%);銷售額占比第一(>45%)。因無線網(wǎng)絡(luò)又是運營商網(wǎng)絡(luò)中的銷售額占比最高的部分，所以也可以說RRU在運營商網(wǎng)絡(luò)各子系統(tǒng)中銷售額占比第一。

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、物力來提升RRU產(chǎn)品關(guān)鍵競爭力，以期獲得對應(yīng)的市場回報。

RRU產(chǎn)品關(guān)鍵競爭力(強業(yè)務(wù)能力、高效率、低成本、小體積、輕重量等)提升，要點之一是要做好RRU關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。中興通訊深知這個要點，所以在該方向上持續(xù)投入了大量的人力、物力。通過數(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RRU關(guān)鍵技術(shù)方向細(xì)分、演進(jìn)趨勢及創(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，主要用來完成數(shù)字信號和射頻小信號的轉(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)動力，TRX數(shù)字中頻部分形成了2種方案及對應(yīng)的關(guān)鍵元器件演進(jìn)路線(如圖2所示)，TRX射頻部分形成了3種鏈路方案及對應(yīng)的關(guān)鍵元器件演進(jìn)路線(如圖3所示)[1]。

圖2、TRX數(shù)字中頻部分演進(jìn)路線

圖3、TRX射頻部分演進(jìn)路線

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

專用集成電路(ASIC)相比FPGA，成本、功耗均降低約50%，對產(chǎn)品競爭力貢獻(xiàn)突出。中興通訊從2006年開始投入，已研發(fā)了若干代ASIC，很好地提升了RRU產(chǎn)品的熱耗、成本競爭力。

模數(shù)(AD)/數(shù)模(DA)+多芯片組件(MCM)方案聚焦于高性能，特別是全球移動通信系統(tǒng)(GSM)應(yīng)用。演進(jìn)路線的核心是器件高性能+多功能集成。中興通訊從2008年開始投入，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，其顯著特點高集成、低功耗。從2011年開始，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DC-6GHz射頻信號進(jìn)行直接采樣。特點是高性能(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，數(shù)字中頻射頻單芯片方案及關(guān)鍵器件路線開始成為熱點，后續(xù)大規(guī)模數(shù)模混合集成會持續(xù)演進(jìn)和整合提供RRU獨具優(yōu)勢的射頻解決方案。

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)路線上，互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、氮化鎵(GaN)多工藝路線并行，預(yù)計在2022實現(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，通過將已調(diào)制的射頻信號進(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)路線見圖5。

圖5、功放關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)路線

功放熱耗占RRU總熱耗的60%～70%，因此高效率是功放設(shè)計的最重要目標(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2個方面。在功放器件方面，從2010—2017年末，主流功放廠家的橫向擴散金屬氧化半導(dǎo)體(LDMOS)功放器件經(jīng)過了3—4代的升級，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，在研發(fā)的為包絡(luò)跟蹤(ET)路線、Outphasing路線。中興通訊從2008年開始投入高效率功放自研，已經(jīng)過了8代研發(fā)，形成了獨有的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代升級整機熱耗降幅超過30%，其中PA熱耗降幅超過80%。

隨著運營商帶寬的提升、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。功放對應(yīng)采用寬帶電路方案、超寬帶射頻(UBR)電路方案來解決，同時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，運營商頻譜逐步向高頻拓展，對應(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)和無源互調(diào)抵消(PIMC)等多個關(guān)鍵技術(shù)方向。其中削峰、數(shù)字預(yù)失真方向的演進(jìn)路線見圖6。

圖6、射頻算法關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)路線

削峰是通過對信號的峰值采用適當(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別。其中脈沖抵消削峰算法(算法架構(gòu)見圖7)是系統(tǒng)中最常用的削峰算法，可以滿足大多數(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖7、脈沖抵消削峰算法架構(gòu)

隨著無線通信系統(tǒng)演進(jìn)到5G，對于削峰而言要滿足如下幾個趨勢：

無線信號帶寬越來越寬，目前的5G低頻系統(tǒng)信號帶寬100~400MHz，而毫米波系統(tǒng)的信號帶寬達(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)對下行鏈路時延要求越來越高，因此低時延的需求越來越迫切。

5G系統(tǒng)通道多，對實現(xiàn)資源要求也越來越高。

5G系統(tǒng)支持高階調(diào)制方式，對信號的EVM要求越來越高。

所以，削峰的發(fā)展趨勢主要特點為低資源、高性能和低時延等。

DPD是在射頻功率放大器的輸入側(cè)對信號作預(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性失真。

隨著無線通信系統(tǒng)演進(jìn)到5G，DPD的發(fā)展趨勢為低資源、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年開始投入CFR和DPD算法自研，經(jīng)過了6代以上的研發(fā)，帶寬支持能力提升10倍，支持各類功放，實現(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、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，避免本系統(tǒng)產(chǎn)生對其他系統(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)動力是小型化、輕量化，主要技術(shù)路線為濾波器腔體設(shè)計、結(jié)構(gòu)工藝、結(jié)構(gòu)材料。小型化演進(jìn)路線見圖8。

圖8、濾波器關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)路線

中興通訊從2010年開始聯(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3代研發(fā)，時分雙工(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整機帶來體積降低>10%、重量降低>10%的收益。

中興通訊同時展開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 天線關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

無線基站中的天線技術(shù)演進(jìn)如圖9所示。

圖9、無線基站中的天線技術(shù)演進(jìn)

在4G、5G時代，天線演進(jìn)有三大方向：

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

圖10、天面簡化：“1+1”天線

方向2為5G低頻AAU的大規(guī)模MIMO陣列天線。由于天線陣面成指數(shù)級增加，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)天線剖面降低50%，能給整機帶來體積降低>10%的收益。

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

3、結(jié)束語

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

FDD兩發(fā)RRU，通過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3代產(chǎn)品演進(jìn)，在機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3代產(chǎn)品演進(jìn)，在機頂功率提升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)鍵競爭力領(lǐng)先，進(jìn)而支撐產(chǎn)品市場份額提升、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年世界移動通信大會，中興通訊Pre5G大規(guī)模MIMO榮獲全球移動“最佳移動技術(shù)突破獎”和“CTO選擇獎”雙料大獎。

2017年中國通信產(chǎn)業(yè)榜，中興通訊5G低頻AAU摘得“最具競爭力產(chǎn)品獎”。

5G時代，大規(guī)模MIMO成為無線基站標(biāo)配，RRU在無線基站產(chǎn)品競爭力中的占比進(jìn)一步提升?；谶@個發(fā)展趨勢，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、為客戶提供競爭力領(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!

來源：中興通訊技術(shù)

作者：王永貴、張國俊、崔曉俊，中興通訊股份有限公司