远端射频模块关键技术创新及发展趋势介绍

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陈嘉宁

2019-6-18 09:02:40

1、RRU关键技术方向及重要性
远端射频模块（RRU）是无线基站中的核心子系统，主要完成基带到空口的发射信号处理、接收信号处理，主要功能见图1。

图1、RRU主要功能
RRU系统由收发信机（TRX）、功放、滤波器、天线、电源、结构六大硬件子系统组成，包含TRX、功放、射频算法、滤波器、天线五大专有关键技术方向。
RRU关键技术所服务的RRU在无线网络各子系统中有2项第一：主设备发货量占比第一（占比>70%）；销售额占比第一（>45%）。因无线网络又是运营商网络中的销售额占比最高的部分，所以也可以说RRU在运营商网络各子系统中销售额占比第一。
基于RRU这样的位置，四大通信设备制造商都投入了大量的人力、物力来提升RRU产品关键竞争力，以期获得对应的市场回报。
RRU产品关键竞争力（强业务能力、高效率、低成本、小体积、轻重量等）提升，要点之一是要做好RRU关键技术研发。中兴通讯深知这个要点，所以在该方向上持续投入了大量的人力、物力。通过数十年持续研究，中兴通讯在RRU关键技术上已从追随者成为行业领先者。
文章中，我们将细化介绍近十年来RRU关键技术方向细分、演进趋势及创新。

陈蕾

2019-6-18 09:02:53

2、中兴通讯RRU关键技术创新
2.1 TRX关键技术创新
TRX主要分为数字、射频2部分，主要用来完成数字信号和射频小信号的转换。
TRX关键技术集中体现在链路方案及关键元器件的演进上。以小型化、大带宽、低功耗、低成本为驱动力，TRX数字中频部分形成了2种方案及对应的关键元器件演进路线（如图2所示），TRX射频部分形成了3种链路方案及对应的关键元器件演进路线（如图3所示）[1]。

图2、TRX数字中频部分演进路线

图3、TRX射频部分演进路线
现场可编程门阵列（FPGA）的特点是灵活可编程，可快速响应RRU产品所需的新特性。在这个方向上，中兴通讯RRU快速形成了FPGA平台方案，积累了基于FPGA的高效模块化设计方法，很好地支持了产品新特性的快速稳定交付。
专用集成电路（ASIC）相比FPGA，成本、功耗均降低约50%，对产品竞争力贡献突出。中兴通讯从2006年开始投入，已研发了若干代ASIC，很好地提升了RRU产品的热耗、成本竞争力。
模数（AD）/数模（DA）+多芯片组件（MCM）方案聚焦于高性能，特别是全球移动通信系统（GSM）应用。演进路线的核心是器件高性能+多功能集成。中兴通讯从2008年开始投入，已研发了5代MCM，使得2T2R RRU的射频器件从30颗降低到8颗，功耗降低>30%，单板布局面积降低>5倍。
TRXSOC方案采用零中频，其显著特点高集成、低功耗。从2011年开始，中兴通讯已研发5代TRXSOC，零中频技术及器件已适用于越来越多的RRU产品形态，并特别适用于5G大规模MIMO有源天线单元（AAU）。
射频采样（RFS）方案采用转换速率（GSPS）高速AD/DA相关技术，对DC-6GHz射频信号进行直接采样。特点是高性能（杂散性能好）、多频和大带宽，特别适用于多频RRU、5G高频等大带宽的RRU。从2014到现在，器件已演进5代，集成度和超带宽性能持续提升[2]。
近年来，数字中频射频单芯片方案及关键器件路线开始成为热点，后续大规模数模混合集成会持续演进和整合提供RRU独具优势的射频解决方案。
另在5G高频产品方向，中兴通讯整合行业资源集中力量较早地开始5G高频射频前端方案（如图4所示）和关键元器件研发。关键器件演进路线上，互补金属氧化物半导体（CMOS）、氮化镓（GaN）多工艺路线并行，预计在2022实现规模商用。

图4、5G高频链路方案解调器
2.2 功放关键技术创新
功放位于发射通道的末级，通过将已调制的射频信号进行功率放大，从而得到足够大的射频输出功率（例如：100W），然后馈送到天线上辐射出去。
功放关键技术主要包含高效率、大带宽、频段拓展几大方向，其演进路线见图5。

图5、功放关键技术演进路线
功放热耗占RRU总热耗的60%～70%，因此高效率是功放设计的最重要目标。功放效率的提升依托于功放器件效率提升、高效率电路架构设计2个方面。在功放器件方面，从2010—2017年末，主流功放厂家的横向扩散金属氧化半导体（LDMOS）功放器件经过了3—4代的升级，其中高频段（1.8GHz以上）上GaN已逐步取代LDMOS成为高效器件的首选。在高效率电路架构方面，目前主流商用的高效率电路架构为Doherty路线，在研发的为包络跟踪（ET）路线、Outphasing路线。中兴通讯从2008年开始投入高效率功放自研，已经过了8代研发，形成了独有的ZM、DM技术，使得RRU的功放效率始终保持在业界领先水平。在对产品的贡献方面，以正交频分多址（FDD）两发RRU为例，产品3代升级整机热耗降幅超过30%，其中PA热耗降幅超过80%。
随着运营商带宽的提升、高频段大带宽的主力商用，以及天面单元数的降低，功放的带宽已从单频30～75MHz到多频，再到5G单频的200～400MHz并持续增加。功放对应采用宽带电路方案、超宽带射频（UBR）电路方案来解决，同时GaN功放管的大宽带特性也很好地支持了功放带宽的持续增加[3]。
为获取更多的可用频谱资源，运营商频谱逐步向高频拓展，对应功放要支持的频段也逐步拓展。主力商用的频段，也已从早期的900/1800/2100MHz，发展到2.6GHz，及5G低频的3.5/4.5GHz，再发展到5G高频的28/39GHz。在器件方向GaN功放管的高频特性很好地支持了功放频段向高频的拓展。
2.3 算法关键技术创新
射频算法主要包括削峰（CFR）、数字预失真（DPD）和无源互调抵消（PIMC）等多个关键技术方向。其中削峰、数字预失真方向的演进路线见图6。

图6、射频算法关键技术演进路线
削峰是通过对信号的峰值采用适当的策略进行处理，从而达到降低信号峰均比（PAR），并兼顾误差向量幅度（EVM）和邻信道功率比（ACPR）指标恶化限制在允许范围内的目的。根据不同的峰值处理策略，削峰算法主要分为硬削峰、峰值窗削峰、脉冲抵消削峰几大类别。其中脉冲抵消削峰算法（算法架构见图7）是系统中最常用的削峰算法，可以满足大多数系统的应用。

图7、脉冲抵消削峰算法架构
随着无线通信系统演进到5G，对于削峰而言要满足如下几个趋势：
（1）无线信号带宽越来越宽，目前的5G低频系统信号带宽100~400MHz，而毫米波系统的信号带宽达到了1GHz以上。这样，中频削峰将受限于速率的限制。
（2）5G系统对下行链路时延要求越来越高，因此低时延的需求越来越迫切。
（3）5G系统通道多，对实现资源要求也越来越高。
（4）5G系统支持高阶调制方式，对信号的EVM要求越来越高。
所以，削峰的发展趋势主要特点为低资源、高性能和低时延等。
DPD是在射频功率放大器的输入侧对信号作预先失真处理，其特性与功放失真特性相反，用于抵消功放的非线性失真。
随着无线通信系统演进到5G，DPD的发展趋势为低资源、高性能、超宽带的处理，这样也就触发了一些新的技术和架构的诞生，例如：适应于超宽带的降采样技术的研究。
中兴通讯从2006—2009年开始投入CFR和DPD算法自研，经过了6代以上的研发，带宽支持能力提升10倍，支持各类功放，实现资源降低30%，很好地支持了功放效率领先，且很好地支持了RRU多频多模宽带及频段拓展的演进。
2.4 滤波器关键技术创新
滤波器位于天线、功放与低噪放之间，用于滤除系统中使用频率以外的信号，避免本系统产生对其他系统的干扰，也避免其他系统干扰本系统。
滤波器关键技术演进的主要驱动力是小型化、轻量化，主要技术路线为滤波器腔体设计、结构工艺、结构材料。小型化演进路线见图8。

图8、滤波器关键技术演进路线
中兴通讯从2010年开始联合供应商投入滤波器小型化研发，在大功率方向上，笔记本滤波器（NF）经过3代研发，时分双工（TDD）8TRRU滤波器体积降低50%，重量降低40%；在小功率方向上，ZTE革新滤波器（ZRF）体积减至普通金属同轴方案滤波器的20%，给5G低频AAU整机带来体积降低>10%、重量降低>10%的收益。
中兴通讯同时展开新一代小型化滤波器技术研究，从材料更新、工艺进步、方案替换等维度推进滤波器极限小型化、轻量化。目前在全介质材料滤波器、低温共烧陶瓷（LTCC）、低通滤波器、体声波（BAW）、薄膜体声波谐振器（FBAR）等器件化滤波器方面都形成了一定的积累，并取得了一些阶段性的成果。
2.5 天线关键技术创新
无线基站中的天线技术演进如图9所示。

图9、无线基站中的天线技术演进
在4G、5G时代，天线演进有三大方向：
（1）方向1为天面简化，也是业界提出的“1+1”天线概念，即1根可以支持2/3/4G频段的无源多端口、多频段天线和1根5G有源大规模多输入多输出（MIMO）天线，对应解决方案为大规模多频段天线集成技术。此方向的核心要求是高性能、小尺寸、轻量化、低成本，是天线行业当下的热点技术之一，图10所示的“1+1”天线代表了此方向的演进。

图10、天面简化：“1+1”天线
（2）方向2为5G低频AAU的大规模MIMO阵列天线。由于天线阵面成指数级增加，所以小型化、轻量化就成为极为重要的需求。中兴通讯提出了低剖面天线的解决方案，成为这一需求的有效解决方案之一，目前能够实现天线剖面降低50%，能给整机带来体积降低>10%的收益。
（3）方向3为5G高频AAU中的阵列天线与电路直接集成。天线与电路集成，其优点在于可以简化系统设计，有利于系统的小型化、低成本，是高频毫米波天线技术的重要发展方向，也正有成为5G高频天线的热门技术之一。

张春梅

2019-6-18 09:02:58

3、结束语
关键技术进步直接作用于产品关键竞争力提升。以中兴通讯RRU为例：
• FDD两发RRU，通过3代产品演进，体积减少61%，热耗降低32%，成本降低27%。
• TDD八发RRU，通过3代产品演进，在机顶功率功率翻倍的前提下，体积减少25%，成本降低55%。
• 5GAAU，经过3代产品演进，在机顶功率提升5倍，带宽提升5倍前提下，体积减少50%，重量减少36%，热耗降低37%。关键技术领先能很好支撑产品关键竞争力领先，进而支撑产品市场份额提升、品牌塑造。以中兴通讯RRU为例：
• 2012年推出的业界功率最大、效率最高、体积最小的Magic RRU系列产品。
• 2012年推出的业界效率最高、体积最小的TDD 8T RRU。
• 2014年推出的业界多频支持能力最多、功耗最小、体积最小的Qcell pRRU。
• 2016年世界移动通信大会，中兴通讯Pre5G大规模MIMO荣获全球移动“最佳移动技术突破奖”和“CTO选择奖”双料大奖。
• 2017年中国通信产业榜，中兴通讯5G低频AAU摘得“最具竞争力产品奖”。5G时代，大规模MIMO成为无线基站标配，RRU在无线基站产品竞争力中的占比进一步提升。基于这个发展趋势，中兴通讯已在RRU关键技术研发上进一步加大投入力度，为继续保持RRU关键技术行业领先位置、为客户提供竞争力领先的RRU产品奠定了良好的基础。

丁冬芹

2019-6-18 09:03:01

致谢
本文得到了中兴通讯RRU中心张作锋、沈楠、李香玲、段亚娟、赵娜、李从伟、段斌、别业楠的鼎力帮助，谨致谢意！
参考文献
[1] 张万春,崔丽,段晓伟.无线网络与产品演进[J].中兴通讯技术,2017,23(3):53-57. DOI:10.3969/j.issn.1009-6868.2017.03.012
[2] 皮和平. 面向5G通讯的射频关键技术研究[J].通讯世界, 2017, (2): 24-28
[3] 朱雨薇, 张敏, 于鉴桐. 基于移动互联网环境的通讯基站天线发展影响研究[J]. 湖南优点职业技术学院学报, 2017, (4):7-9作者：王永贵、张国俊、崔晓俊，中兴通讯股份有限公司
来源：中兴通讯技术

戴双宝

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陈嘉宁

陈蕾

张春梅

丁冬芹

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