解密RRU:了解射频单元在通信系统中的重要性

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RRU(Remote Radio Unit)是一种常见但陌生的概念,作为无线通信系统中的最后一环和最关键设备,它扮演着架起空中桥梁的角色,为用户信息交流提供稳定可靠的通道,确保信息的准确、实时传输。RRU通过复杂而精巧的电路变换,将一组基带数字信号转化为无线电波并通过天线发射出去;同时,它也接收用户终端发送的信息,并传送到核心网完成信息交互。
 
RRU的关键技术包括以下几个部分:电源单元、收发信单元、功放单元和滤波器单元。电源单元负责供电,收发信单元处理信号的收发,功放单元进行信号放大,而滤波器单元则负责发射和接收滤波等关键功能。此外,RRU还有多个外部接口,包括电源输入端口、光纤输入/输出端口、天线接口以及电调和干接点接口等。
 
在评估RRU性能时,需要考虑多个指标,如体积/重量、整机输出功率、整机通道数量、整机能耗比和整机射频指标等。选择评价维度取决于客户需求的不同。然而,整机能耗比和射频指标是影响RRU核心竞争力的关键技术。
 
整机能耗比是指输出功率与输入总功率之比,体现了RRU的关键技术水平,包括CFR(Crest Factor Reduction)算法、TRX(Transceiver)硬件设计能力以及功放设计能力。在输入功率一定的情况下,较高的整机能耗比意味着整机热耗相对较小,因此RRU只需较小的散热齿即可有效散热并满足温升可靠性要求。同时,这些技术应用也使得RRU实现小型化成为可能。在RRU系统中,为了降低整机能耗,功率放大器(PA)是一个重要组成部分,其功耗通常占整机功耗的65%以上。因此,提升PA效率成为PA设计的关键技术。
 
另一个关键技术是保证无线发射信号的EVM(Error Vector Magnitude),特别是在广泛使用高阶调制方式的4G、5G通信系统中。为了在大功率输出时保持较低的EVM和ACPR(Adjacent Channel Power Ratio)值,要求PA具有足够的饱和功率余量,因此需要进行较多的功率回退,导致PA效率严重降低。为解决EVM、ACPR和PA效率之间的矛盾,中兴通讯的软件工程师通过持续优化CFR和DPD(Digital Pre-Distortion)软件算法成功解决了这个问题。
 
我们对无线发射信号的EVM进行了适度的削峰处理,以降低输出信号的峰均比,减少PA输出的回退量,确保PA保持较高的效率。我们通过独有的CFR算法,成功降低了信号的最大峰均比,同时最大程度地减少了发射信号的EVM恶化,从而确保了RRU整机发射信号的完整性。
 
DPD技术通过对发射信号进行预失真处理,能够调整输入信号的幅度、频谱分量、相位特性等参数。当预失真信号经过PA的非线性电路时,会产生非线性叠加矫正。最终输出的信号满足系统的ACPR指标要求。中兴通讯的DPD技术对RRU的ACPR改善效果高达30dB以上,在业界处于领先地位。
 
目前,新一代PA效率提升技术正在研究中,包括包络跟踪(ET)技术和恒包络放大技术(Outphasing)。
 
TRX作为RRU的核心单板,主要负责与BBU的数据交互、与下一级RRU之间的数据交互、无线信号的发射/接收以及RRU内部各关键模块的监控管理。值得一提的是,TRX的功耗占据了RRU整机热耗的15%以上。
 
TRX硬件核心技术的包括:数字电路的高集成、多功能以及低功耗;射频电路的多通道集成、收发电路的高线性、低噪声、大动态设计。这些硬件技术的低功耗特性对于TRX的性能至关重要。
 
TRX软件核心技术的包括:动态功控,能够实现动态载波配置,实时根据业务需求调整RRU整机的最佳功率配置,从而减少低业务下整机的功耗;高性能的DPD能力,使得TRX能够提供更高的载波处理带宽;支持多模式多载波的削峰能力,特别是对G/U/L/NB/NR多制式、多载波混合配置的支持;以及具备处理更多载频的接收、发射通道的能力。
 
此外,TRX还具备PIMC功能,能够在RRU设备出现由于无源互调产生的干扰信号时,通过PIMC功能将落在接收频点的干扰自动滤除。这一功能极大地提升了RRU设备的性能和稳定性。
 
滤波器的发射通道低插损、高抑制技术
 
滤波器的发射通道插损越大,通过的发射功率损耗就越大。一旦发射通道的插损增加0.1分贝(dB),就会导致功率放大器的效率损失1个百分点。由滤波器的插损产生的热耗占整个无线设备热耗的10%左右。
 
为使滤波器的发射通道插损在满足带外抑制指标不变的情况下减小,通常会采用TE模介质谐振器来替代金属谐振器。介质谐振器的Q值非常大,通常可以达到10000以上,比金属谐振器的4000值高出许多。在设计中,使用较少数量的介质谐振腔就可以达到同样的抑制效果,从而降低了滤波器的发射通道插损,同时也提升了双工器的功率容量。
 
电源的关键技术:高效率
 
单板电源是为无线接收/发送单元(RRU)提供电源的一次电源,其主要负责将外部供电经过防雷、滤波、转换处理后,转换为RRU内部各个单板模块可以使用的基础电源。单板电源种类较少,电流较大,如功率放大器(PA)单元的-48V、28V电源,收发信机的5.5V电源等。
 
使用DC/DC隔离式架构,一次电源的综合效率大约为93%。采用DC/C非隔离式架构,其综合效率有望达到94.5%以上。一次电源热耗占RRU整机热耗的约10%,因此在RRU的精细化设计中,该部分的热耗不能忽视,必须精益求精,尽可能地提升效率。
 
RRU整机的散热关键技术
 
RRU整机的散热方式包括有源散热和自然散热两种方式。
 
有源散热,在RRU上主要是指风冷散热方式。它依靠风机或其他设备驱动RRU表面的空气快速流动,将RRU散热齿面上积累的热量快速带走,从而降低RRU内部温升。采用该方式可以极大减少RRU的散热齿面积,从而缩减体积,减少重量。中兴通讯根据客户需求,采用了低噪声有源散热方案,可以提供110W/L以上的散热能力,极大地降低了RRU整机的体积。
 
自然散热是指RRU根据热空气上升的自然规律,依靠自身产生的热动力结合外部环境,完成热量的发散,降低内部温升。依靠自然散热,要求RRU必须有足够的散热面积保障。中兴通讯在自然散热方面进行了长期的积累,其自然散热RRU的最大能力达到52W/L,处于业界领先地位。
 
RRU产品线覆盖了从单频到多频,从窄带宽到大带宽,从2端口的2T2R到更多端口的Massive MIMO产品等不同类型。高效率、低功耗技术的应用使得在同等功率输出下,RRU整机的体积小、重量轻。新技术的应用使得RRU在同等的体积下具备更高的功率输出,为客户提供更多的载波和覆盖,极大地提升了客户的网络质量。

 

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