遠端射頻模塊(RRU)包含收發信機(TRX)、功放、射頻(RF)算法、濾波器、天線五大專有關鍵技術方向。其中TRX主要聚焦高集成、低功耗、大帶寬技術;功放及算法主要聚焦高效率低成本技術;濾波器主要聚焦小型化、輕量化技術;天線主要聚焦於天面簡化、5G低頻大規模多輸入多輸出(MIMO)、5G高頻技術。本文同時詳細說明了近十年來這些技術的發展趨勢及創新。
1、RRU關鍵技術方向及重要性
遠端射頻模塊(RRU)是無線基站中的核心子系統，主要完成基帶到空口的發射信號處理、接收信號處理，主要功能見圖1。
RRU系統由收發信機(TRX)、功放、濾波器、天線、電源、結構六大硬體子系統組成，包含TRX、功放、射頻算法、濾波器、天線五大專有關鍵技術方向。
RRU關鍵技術所服務的RRU在無線網絡各子系統中有2項第一：主設備發貨量佔比第一(佔比>70%);銷售額佔比第一(>45%)。因無線網絡又是運營商網絡中的銷售額佔比最高的部分，所以也可以說RRU在運營商網絡各子系統中銷售額佔比第一。
基於RRU這樣的位置，四大通信設備製造商都投入了大量的人力、物力來提升RRU產品關鍵競爭力，以期獲得對應的市場回報。
RRU產品關鍵競爭力(強業務能力、高效率、低成本、小體積、輕重量等)提升，要點之一是要做好RRU關鍵技術研發。中興通訊深知這個要點，所以在該方向上持續投入了大量的人力、物力。通過數十年持續研究，中興通訊在RRU關鍵技術上已從追隨者成為行業領先者。
文章中，我們將細化介紹近十年來RRU關鍵技術方向細分、演進趨勢及創新。
2、中興通訊RRU關鍵技術創新
2.1 TRX關鍵技術創新
TRX主要分為數字、射頻2部分，主要用來完成數位訊號和射頻小信號的轉換。
TRX關鍵技術集中體現在鏈路方案及關鍵元器件的演進上。以小型化、大帶寬、低功耗、低成本為驅動力，TRX數字中頻部分形成了2種方案及對應的關鍵元器件演進路線(如圖2所示)，TRX射頻部分形成了3種鏈路方案及對應的關鍵元器件演進路線(如圖3所示)[1]。
圖2、TRX數字中頻部分演進路線
圖3、TRX射頻部分演進路線
現場可編程門陣列(FPGA)的特點是靈活可編程，可快速響應RRU產品所需的新特性。在這個方向上，中興通訊RRU快速形成了FPGA平臺方案，積累了基於FPGA的高效模塊化設計方法，很好地支持了產品新特性的快速穩定交付。
專用集成電路(ASIC)相比FPGA，成本、功耗均降低約50%，對產品競爭力貢獻突出。中興通訊從2006年開始投入，已研發了若干代ASIC，很好地提升了RRU產品的熱耗、成本競爭力。
模數(AD)/數模(DA)+多晶片組件(MCM)方案聚焦於高性能，特別是全球移動通信系統(GSM)應用。演進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方案採用零中頻，其顯著特點高集成、低功耗。從2011年開始，中興通訊已研發5代TRXSOC，零中頻技術及器件已適用于越來越多的RRU產品形態，並特別適用於5G大規模MIMO有源天線單元(AAU)。
射頻採樣(RFS)方案採用轉換速率(GSPS)高速AD/DA相關技術，對DC-6GHz射頻信號進行直接採樣。特點是高性能(雜散性能好)、多頻和大帶寬，特別適用於多頻RRU、5G高頻等大帶寬的RRU。從2014到現在，器件已演進5代，集成度和超帶寬性能持續提升[2]。
近年來，數字中頻射頻單晶片方案及關鍵器件路線開始成為熱點，後續大規模數模混合集成會持續演進和整合提供RRU獨具優勢的射頻解決方案。
另在5G高頻產品方向，中興通訊整合行業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)和關鍵元器件研發。關鍵器件演進路線上，互補金屬氧化物半導體(CMOS)、氮化鎵(GaN)多工藝路線並行，預計在2022實現規模商用。
圖4、5G高頻鏈路方案解調器
2.2 功放關鍵技術創新
功放位於發射通道的末級，通過將已調製的射頻信號進行功率放大，從而得到足夠大的射頻輸出功率(例如：100W)，然後饋送到天線上輻射出去。
功放關鍵技術主要包含高效率、大帶寬、頻段拓展幾大方向，其演進路線見圖5。
圖5、功放關鍵技術演進路線
功放熱耗佔RRU總熱耗的60%～70%，因此高效率是功放設計的最重要目標。功放效率的提升依託於功放器件效率提升、高效率電路架構設計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體(LDMOS)功放器件經過了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。在高效率電路架構方面，目前主流商用的高效率電路架構為Doherty路線，在研發的為包絡跟蹤(ET)路線、Outphasing路線。中興通訊從2008年開始投入高效率功放自研，已經過了8代研發，形成了獨有的ZM、DM技術，使得RRU的功放效率始終保持在業界領先水平。在對產品的貢獻方面，以正交頻分多址(FDD)兩發RRU為例，產品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並持續增加。功放對應採用寬帶電路方案、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，發展到2.6GHz，及5G低頻的3.5/4.5GHz，再發展到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 算法關鍵技術創新
射頻算法主要包括削峰(CFR)、數字預失真(DPD)和無源互調抵消(PIMC)等多個關鍵技術方向。其中削峰、數字預失真方向的演進路線見圖6。
圖6、射頻算法關鍵技術演進路線
削峰是通過對信號的峰值採用適當的策略進行處理，從而達到降低信號峰均比(PAR)，併兼顧誤差向量幅度(EVM)和鄰信道功率比(ACPR)指標惡化限制在允許範圍內的目的。根據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、脈衝抵消削峰幾大類別。其中脈衝抵消削峰算法(算法架構見圖7)是系統中最常用的削峰算法，可以滿足大多數系統的應用。
圖7、脈衝抵消削峰算法架構
隨著無線通信系統演進到5G，對於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低頻系統信號帶寬100~400MHz，而毫米波系統的信號帶寬達到了1GHz以上。這樣，中頻削峰將受限於速率的限制。
5G系統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系統通道多，對實現資源要求也越來越高。
5G系統支持高階調製方式，對信號的EVM要求越來越高。
所以，削峰的發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對信號作預先失真處理，其特性與功放失真特性相反，用於抵消功放的非線性失真。
隨著無線通信系統演進到5G，DPD的發展趨勢為低資源、高性能、超寬帶的處理，這樣也就觸發了一些新的技術和架構的誕生，例如：適應於超寬帶的降採樣技術的研究。
中興通訊從2006—2009年開始投入CFR和DPD算法自研，經過了6代以上的研發，帶寬支持能力提升10倍，支持各類功放，實現資源降低30%，很好地支持了功放效率領先，且很好地支持了RRU多頻多模寬帶及頻段拓展的演進。
2.4 濾波器關鍵技術創新
濾波器於天線、功放與低噪放之間，用於濾除系統中使用頻率以外的信號，避免本系統產生對其他系統的幹擾，也避免其他系統幹擾本系統。
濾波器關鍵技術演進的主要驅動力是小型化、輕量化，主要技術路線為濾波器腔體設計、結構工藝、結構材料。小型化演進路線見圖8。
圖8、濾波器關鍵技術演進路線
中興通訊從2010年開始聯合供應商投入濾波器小型化研發，在大功率方向上，筆記本濾波器(NF)經過3代研發，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研究，從材料更新、工藝進步、方案替換等維度推進濾波器極限小型化、輕量化。目前在全介質材料濾波器、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，並取得了一些階段性的成果。
2.5 天線關鍵技術創新
無線基站中的天線技術演進如圖9所示。
圖9、無線基站中的天線技術演進
在4G、5G時代，天線演進有三大方向：
方向1為天面簡化，也是業界提出的「1+1」天線概念，即1根可以支持2/3/4G頻段的無源多埠、多頻段天線和1根5G有源大規模多輸入多輸出(MIMO)天線，對應解決方案為大規模多頻段天線集成技術。此方向的核心要求是高性能、小尺寸、輕量化、低成本，是天線行業當下的熱點技術之一，圖10所示的「1+1」天線代表了此方向的演進。
圖10、天面簡化：「1+1」天線
方向2為5G低頻AAU的大規模MIMO陣列天線。由於天線陣面成指數級增加，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，目前能夠實現天線剖面降低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，其優點在於可以簡化系統設計，有利於系統的小型化、低成本，是高頻毫米波天線技術的重要發展方向，也正有成為5G高頻天線的熱門技術之一。
3、結束語
關鍵技術進步直接作用於產品關鍵競爭力提升。以中興通訊RRU為例：
FDD兩發RRU，通過3代產品演進，體積減少61%，熱耗降低32%，成本降低27%。
TDD八發RRU，通過3代產品演進，在機頂功率功率翻倍的前提下，體積減少25%，成本降低55%。
5GAAU，經過3代產品演進，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%。
關鍵技術領先能很好支撐產品關鍵競爭力領先，進而支撐產品市場份額提升、品牌塑造。以中興通訊RRU為例：
2012年推出的業界功率最大、效率最高、體積最小的Magic RRU系列產品。
2012年推出的業界效率最高、體積最小的TDD 8T RRU。
2014年推出的業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大規模MIMO榮獲全球移動「最佳移動技術突破獎」和「CTO選擇獎」雙料大獎。
2017年中國通信產業榜，中興通訊5G低頻AAU摘得「最具競爭力產品獎」。
5G時代，大規模MIMO成為無線基站標配，RRU在無線基站產品競爭力中的佔比進一步提升。基於這個發展趨勢，中興通訊已在RRU關鍵技術研發上進一步加大投入力度，為繼續保持RRU關鍵技術行業領先位置、為客戶提供競爭力領先的RRU產品奠定了良好的基礎。
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、別業楠的鼎力幫助，謹致謝意!
來源：中興通訊技術
作者：王永貴、張國俊、崔曉俊，中興通訊股份有限公司
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