馬靜艷，張忠皓，李福昌，高 帥，延凱悅（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

0 前言

射頻算法對于系統(tǒng)設(shè)備的性能和功耗能效都有重要影響。射頻算法一般是在數(shù)字中頻處理模塊中實(shí)現(xiàn)的，用于對RRU/AAU 設(shè)備非理想特性進(jìn)行算法處理和補(bǔ)償校正，包含算法開發(fā)在內(nèi)的完整實(shí)現(xiàn)流程和機(jī)制。傳統(tǒng)的主流射頻算法一般包括消峰算法（CFR）和數(shù)字預(yù)失真算法（DPD）。通道一致性是基站波束賦形功能有效實(shí)現(xiàn)的前提，通道一致性校準(zhǔn)算法在4G 基站系統(tǒng)中一般在基帶BBU 側(cè)進(jìn)行處理，目前5G 基站系統(tǒng)多將其下沉至AAU 側(cè)實(shí)現(xiàn)，成為射頻算法方向之一。

目前5G 毫米波系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究多集中于高頻關(guān)鍵器件和天線、波束管理、OTA（over the air）測試方案等，毫米波系統(tǒng)射頻算法實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化方向公布的研究成果較少。

1 毫米波射頻系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1 混合波束賦形架構(gòu)

大規(guī)模天線陣列是5G設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)特征之一，大規(guī)模天線陣列在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上包括數(shù)字波束賦形和模擬波束賦形。數(shù)字波束賦形通過數(shù)字域權(quán)值調(diào)整波束方向，采用數(shù)字通道和模擬通道唯一對應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)，具備大容量和波束調(diào)整靈活等優(yōu)點(diǎn)，但是功耗大，硬件成本高；模擬波束賦形通過模擬鏈路的幅相調(diào)整實(shí)現(xiàn)波束調(diào)整，具有低功耗和低成本優(yōu)勢，但是波束賦形靈活性較差。

目前產(chǎn)業(yè)界從波束賦形性能、硬件電路/芯片成本和系統(tǒng)功耗等方面綜合考慮，采用數(shù)?；旌喜ㄊx形架構(gòu)作為毫米波設(shè)備大規(guī)模天線陣列的主流實(shí)現(xiàn)方案。

圖1示出的是數(shù)?；旌喜ㄊx形架構(gòu)。

圖1 數(shù)?；旌喜ㄊx形架構(gòu)

數(shù)?；旌腺x形架構(gòu)的主要特點(diǎn)是單個(gè)數(shù)字通道對應(yīng)多個(gè)高頻模擬通道，而單個(gè)數(shù)字通道對應(yīng)的多個(gè)模擬賦形通道可以組成一個(gè)模擬賦形模塊，用以模擬賦形控制。該實(shí)現(xiàn)架構(gòu)在波束賦形性能、硬件成本和系統(tǒng)功耗等方面有較多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)會對射頻算法，尤其是數(shù)字預(yù)失真和通道校準(zhǔn)算法的實(shí)現(xiàn)帶來影響和挑戰(zhàn)。

1.2 高頻段、大帶寬

5G 毫米波設(shè)備具有高頻段和超大工作帶寬的特點(diǎn)。毫米波具有豐富的頻率資源，根據(jù)目前3GPP 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，5G 毫米波可以支持400/800 MHz 的大帶寬，通過不同運(yùn)營商之間的共建共享，還可以支持超過800 MHz的超大帶寬，具備超大帶寬通信能力。

目前5G 低頻的下行峰值速率為1 Gbit/s 左右，上行峰值速率為100 Mbit/s 左右，無法滿足未來通信系統(tǒng)10 Gbit/s 以上的用戶峰值速率需求。而毫米波憑借其超大帶寬方面的天然優(yōu)勢，具備超高速率的通信能力。目前業(yè)界毫米波下行峰值速率可以達(dá)到近10 Gbit/s，上行峰值速率可以達(dá)到1 Gbit/s左右，隨著毫米波相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，毫米波及更高頻段的通信系統(tǒng)必然可以達(dá)到10 Gbit/s 以上的峰值速率，滿足未來通信的速率需求。

毫米波超大帶寬方面的資源優(yōu)勢，可以支持系統(tǒng)具備超高速率的通信能力，同時(shí)對消峰處理和數(shù)字預(yù)失真等射頻算法提出了更高的能力要求。

2 峰值因子消減算法

2.1 基本功能和原理

高頻功率放大器是對整機(jī)性能影響最關(guān)鍵的一個(gè)器件，作為整機(jī)功耗中占比最高的器件，其工作效率對整機(jī)功耗的影響接近40%，因此高頻功率放大器的整體性能對毫米波整機(jī)設(shè)備的系統(tǒng)能力和功耗能效至關(guān)重要。峰值因子消減算法的主要功能都是為了盡可能提升功放工作效率，從而降低整機(jī)功耗。

圖2 為功率放大器的輸入輸出特性示意圖。功放輸出功率Pout無法超過飽和功率Psat，功放的平均發(fā)射功率Pavg受基帶信號的峰均比PAPR 影響，需要滿足式（1）。

圖2 功放輸入輸出特性示意圖

一般情況下，一個(gè)設(shè)計(jì)好的功放，其輸出功率越大則效率約高。CFR 消峰算法是通過在數(shù)字中頻對信號的峰值采用適當(dāng)處理，降低信號峰均比，提升功放平均輸出功率，從而提高功放工作效率。圖3 為消峰基本原理示意圖。消峰算法一般有硬切、脈沖抵消等方法，目前脈沖抵消消峰算法是實(shí)現(xiàn)消峰功能的主流CFR算法，既能較好地降低信號峰均比，又能防止關(guān)鍵射頻性能矢量幅度誤差（EVM）指標(biāo)惡化；硬切消峰一般用于通道關(guān)斷保護(hù)，防止功放器件燒壞。消峰算法在4G 設(shè)備和5G 低頻段設(shè)備中已有成熟的開發(fā)和應(yīng)用，可以在保證發(fā)射信號質(zhì)量的前提下，將原始基帶信號的峰均比削減3 dB左右。

2.2 性能影響因素

影響消峰算法性能的主要因素有以下2個(gè)方面。

圖3 消峰基本原理示意圖

一是消峰門限的確定。消峰門限越低，信號峰值壓縮程度越高，在同樣的額定輸出功率條件下，信號峰均比降低，信號帶內(nèi)失真程度加深，系統(tǒng)的關(guān)鍵射頻性能鄰道功率泄露比（ACLR）指標(biāo)會改善，信號發(fā)射質(zhì)量變差，EVM 指標(biāo)惡化。因此消峰門限的設(shè)定需要結(jié)合功放的輸出特性和整機(jī)需求綜合考量，過高會導(dǎo)致峰值漏消，易造成功放器件燒壞；門限過低又會導(dǎo)致信號帶內(nèi)嚴(yán)重失真，關(guān)鍵射頻性能矢量幅度誤差EVM 指標(biāo)惡化。

二是基帶信號的有效帶寬。脈沖抵消消峰算法在峰值脈沖抵消后需要加成型濾波用以保證系統(tǒng)發(fā)射信號帶外性能不受影響，有效帶寬過高會導(dǎo)致濾波器過渡帶過窄，需要占用更多數(shù)字中頻算法資源用以實(shí)現(xiàn)有效成型濾波。如算法資源不足，則易造成濾波器帶外抑制能力不足，影響系統(tǒng)的ACLR指標(biāo)。

2.3 毫米波系統(tǒng)技術(shù)挑戰(zhàn)

目前3GPP NR 標(biāo)準(zhǔn)毫米波頻段的工作帶寬是400和800 MHz，同樣基于OFDM 的波形調(diào)制方式，超大工作帶寬使得毫米波的基帶信號相比低頻段sub6G 具有更高的峰均比。毫米波原始基帶信號峰均比一般為13 dB左右，相比于5G，sub6G 設(shè)備和4G LTE 信號明顯提升2～3 dB。

圖4示出的是毫米波與sub6G工作帶寬示意圖。

圖4 毫米波與sub6G工作帶寬示意圖

毫米波系統(tǒng)基帶信號峰均比的提升會對導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)射功率降低，影響系統(tǒng)整機(jī)功耗和工作效率。如果為了保證功放的工作效率，降低消峰門限，提高峰值壓縮程度，使用原有的脈沖抵消消峰方案則會導(dǎo)致EVM指標(biāo)的嚴(yán)重惡化，進(jìn)而影響系統(tǒng)的關(guān)鍵發(fā)射指標(biāo)和信號質(zhì)量。5G 毫米波系統(tǒng)大帶寬新空口基帶信號的消峰算法優(yōu)化和性能提升方案開發(fā)是毫米波設(shè)備研發(fā)需要面臨和解決的技術(shù)問題。

3 數(shù)字預(yù)失真算法

3.1 基本功能和原理

由圖2可以看到功放的輸入輸出特性只有在較低功率部分具有線性響應(yīng)特性，隨著輸入功率的提升，功放輸出功率開始產(chǎn)生非線性壓縮，平均發(fā)射功率處于較強(qiáng)非線性區(qū)域。非線性響應(yīng)特性會導(dǎo)致信號能量的泄露，引起帶外非線性失真，影響信號發(fā)射質(zhì)量，降低功放工作效率。

DPD 處理是針對功放非線性進(jìn)行預(yù)失真校正的技術(shù)，其主要原理是通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)來計(jì)算和逼近功放的非線性數(shù)學(xué)模型，通過模型的計(jì)算結(jié)果在數(shù)字中頻對發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行功放行為逆模型的預(yù)失真補(bǔ)償，保證功放輸出的線性，優(yōu)化和改善非線性導(dǎo)致的ACLR和EVM指標(biāo)惡化。數(shù)字預(yù)失真原理示意圖如圖5所示，在基站產(chǎn)品中的實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖6所示。

圖5 數(shù)字預(yù)失真原理示意圖

圖6 數(shù)字預(yù)失真實(shí)現(xiàn)原理框圖

3.2 性能影響因素

數(shù)字預(yù)失真算法對功放線性校準(zhǔn)和效率提升的改善能力主要取決于以下幾方面因素。

一是功放行為模型建模。行為模型建模越逼近功放的實(shí)際響應(yīng)特性，建模精度越高，預(yù)失真補(bǔ)償?shù)男Ч胶?，但是設(shè)備研發(fā)過程中，受限于算法運(yùn)算資源、校正時(shí)長和功耗等因素，行為模型不能過于復(fù)雜。

二是反饋數(shù)據(jù)采樣帶寬。反饋鏈路一般需要滿足載波帶寬3～5 倍的采樣帶寬，才能通過計(jì)算得到較為精確的預(yù)失真模型參數(shù)，達(dá)到較好的線性校正效果。采樣帶寬要求越高，對ADC 采樣芯片造成的功耗和成本壓力越高。

三是反饋數(shù)據(jù)的誤差。反饋數(shù)據(jù)中非功放響應(yīng)特性導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差越大，預(yù)失真模型參數(shù)誤差也就越大，進(jìn)而影響到數(shù)字預(yù)失真性能。反饋數(shù)據(jù)誤差易由射頻鏈路的非理想特性導(dǎo)致，比如反饋鏈路的非線性互調(diào)、雜散、本振泄露和直流鏡像等。

綜上，實(shí)際基站設(shè)備研發(fā)過程中，會綜合考慮功耗、性能和成本等因素，通過功放行為模型和反饋數(shù)據(jù)采樣帶寬的折中選擇，確定數(shù)字預(yù)失真算法的最終實(shí)現(xiàn)方案。

3.3 毫米波系統(tǒng)技術(shù)挑戰(zhàn)

對于5G毫米波設(shè)備，數(shù)字預(yù)失真方案的實(shí)現(xiàn)面臨眾多難題。

首先是大帶寬的影響。數(shù)字預(yù)失真實(shí)現(xiàn)往往需要反饋通道提供載波帶寬3 倍以上的采樣帶寬，毫米波基站載波帶寬為400/800 MHz，給反饋通道的ADC 采樣芯片帶來較大壓力，采樣帶寬不足會導(dǎo)致數(shù)字預(yù)失真算法在進(jìn)行功放行為模型的計(jì)算時(shí)，反饋數(shù)據(jù)采樣帶寬不足，模型計(jì)算結(jié)果誤差較大，鏈路的非線性改善能力受限，影響系統(tǒng)射頻發(fā)射指標(biāo)和功耗。因此采樣帶寬受限的欠采樣數(shù)字預(yù)失真算法是目前學(xué)術(shù)界比較關(guān)注的研究方向，但是現(xiàn)有成果多以算法復(fù)雜度和運(yùn)算資源增加為代價(jià)來提升欠采樣條件下的數(shù)字預(yù)失真性能，對相關(guān)算法處理芯片形成功耗壓力，且算法實(shí)時(shí)性較差。

其次是混合波束賦形架構(gòu)的引入?；旌腺x形架構(gòu)使數(shù)字預(yù)失真只能對單個(gè)模擬賦形模塊對應(yīng)的多個(gè)高頻模擬通道功放合路造成的非線性特性做統(tǒng)一的預(yù)失真補(bǔ)償校正，無法對單個(gè)高頻功放特性的差異性線性補(bǔ)償，校正能力受限。此外，多個(gè)高頻模擬通道功放合路的非線性狀態(tài)又會隨模擬波束的切換而發(fā)生改變，數(shù)字預(yù)失真校正與模擬波束切換之間的實(shí)現(xiàn)流程需要交互設(shè)計(jì)，會占用較多時(shí)間，影響系統(tǒng)波束切換的實(shí)時(shí)性或是導(dǎo)致發(fā)射性能指標(biāo)的不穩(wěn)定。

目前在5G 高頻毫米波系統(tǒng)中的數(shù)字預(yù)失真方案開發(fā)過程中，業(yè)界多是對系統(tǒng)設(shè)備的功能和性能進(jìn)行折中考慮，通過降低數(shù)字預(yù)失真模型復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)難度，提高其可行性?；蚴遣蛔鰯?shù)字預(yù)失真處理，通過高頻功放發(fā)射功率回退使其工作在線性區(qū)，保證整機(jī)的線性指標(biāo)。

4 通道一致性校準(zhǔn)算法

4.1 基本功能和原理

通道一致性校準(zhǔn)的目標(biāo)功能是保證所有系統(tǒng)所有收發(fā)通道的幅相響應(yīng)在設(shè)備的整個(gè)工作帶寬內(nèi)具有一致性，基站射頻多通道幅相響應(yīng)具有一致性是系統(tǒng)波束賦形功能有效實(shí)現(xiàn)的前提和保證。4G 基站的通道一致性校準(zhǔn)補(bǔ)償算法一般在BBU 側(cè)實(shí)現(xiàn)。隨著數(shù)字中頻處理能力的提升，5G 基站設(shè)備開發(fā)傾向于將通道一致性校準(zhǔn)補(bǔ)償功能下沉至AAU 側(cè)實(shí)現(xiàn)，屬于射頻算法功能范疇。

通道一致性校準(zhǔn)的原理是通過具有特殊性質(zhì)的原始校準(zhǔn)序列和校準(zhǔn)序列之間的差異計(jì)算出不同通道在整個(gè)工作帶寬內(nèi)的校準(zhǔn)補(bǔ)償因子，再將校準(zhǔn)因子補(bǔ)償至各個(gè)發(fā)射/接收通道，保證所有發(fā)射/接收通道在整個(gè)工作帶寬內(nèi)幅相響應(yīng)的一致性。通道一致性校準(zhǔn)原理和實(shí)現(xiàn)流程較為簡單，圖7 為發(fā)射通道校準(zhǔn)流程。但是在整個(gè)工作頻段內(nèi)以符號為單位對各個(gè)通道信號做校準(zhǔn)因子補(bǔ)償，會占用較多運(yùn)算資源。

圖7 多通道一致性校準(zhǔn)流程

4.2 毫米波系統(tǒng)技術(shù)挑戰(zhàn)

大規(guī)模天線陣列的多通道幅相一致性對于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備波束賦形功能的有效實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，通道一致性校準(zhǔn)方案的設(shè)計(jì)也是5G 毫米波系統(tǒng)的關(guān)鍵射頻技術(shù)方向之一。對于5G毫米波系統(tǒng)設(shè)備，通道一致性校準(zhǔn)方案的實(shí)現(xiàn)面臨眾多難題。

首先，高頻段、大工作帶寬導(dǎo)致硬件校準(zhǔn)鏈路缺少可靠的硬件耦合回路用于校準(zhǔn)信號的接收和處理，采用開關(guān)電路又容易導(dǎo)致校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)流程復(fù)雜度增加，影響校準(zhǔn)效果。

其次，混合賦形架構(gòu)的引入使得無法再直接對發(fā)射/接收通道信號進(jìn)行信道參數(shù)估計(jì)和校準(zhǔn)補(bǔ)償，而是需要更加復(fù)雜的分組校準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)對每個(gè)高頻通道在單一頻點(diǎn)處的幅相校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)流程和方案較復(fù)雜，系統(tǒng)校準(zhǔn)實(shí)時(shí)性較差。另外無法對單個(gè)模擬賦形模塊內(nèi)的多個(gè)高頻通道在整個(gè)工作帶寬內(nèi)的幅相一致性進(jìn)行差異化校正。

5 毫米波射頻算法技術(shù)發(fā)展建議

5G 毫米波系統(tǒng)峰值因子消減算法應(yīng)針對大帶寬新空口信號展開研究和開發(fā)工作，新型的優(yōu)化CFR 算法實(shí)現(xiàn)方案需要在保證信號發(fā)射質(zhì)量的前提下，盡可能降低信號峰均比。

5G 毫米波數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的研究建議圍繞3 個(gè)方向進(jìn)行重點(diǎn)突破。一是研究開發(fā)適用于超大工作帶寬的欠采樣數(shù)字預(yù)失真算法，用于降低ADC 采樣芯片的采樣帶寬壓力，降低整機(jī)功耗和成本；二是研究簡單模型的數(shù)字預(yù)失真算法，盡可能降低單通道數(shù)字預(yù)失真校正時(shí)間，適應(yīng)5G 毫米波系統(tǒng)的多通道特性，提高數(shù)字預(yù)失真的處理時(shí)間；三是研究開發(fā)混合賦形架構(gòu)下的數(shù)字預(yù)失真算法實(shí)現(xiàn)方案，通過數(shù)字預(yù)失真處理和設(shè)備模擬波束切換之間的交互流程設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)波束賦形功能和非線性校正處理的有效實(shí)現(xiàn)。

多通道一致性校準(zhǔn)算法需要面向混合賦形架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，目前業(yè)界主流的解決方案和發(fā)展方向是通過高頻模擬收發(fā)鏈路與天線模塊的集成化，通過高頻關(guān)鍵器件與芯片的一致性，保證高頻模擬通道之間的一致性，然后采用傳統(tǒng)的校準(zhǔn)算法保證通道一致性。未來需要研究和開發(fā)流程更加簡單的新型校準(zhǔn)算法和實(shí)現(xiàn)方案。

6 結(jié)束語

本文從5G 毫米波系統(tǒng)相對低頻設(shè)備的系統(tǒng)架構(gòu)變化及影響入手，系統(tǒng)分析了毫米波射頻算法面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和瓶頸問題。峰值因子消減、數(shù)字預(yù)失真、通道一致性校準(zhǔn)等射頻算法是5G 毫米波系統(tǒng)設(shè)備開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)方向，對5G 毫米波系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)、性能優(yōu)化和節(jié)能增效等都有重要影響。毫米波射頻算法研究工作開展和可行方案的開發(fā)實(shí)現(xiàn)，對于未來5G毫米波設(shè)備的研發(fā)推進(jìn)、網(wǎng)絡(luò)部署和落地應(yīng)用都有重要意義，是下一階段5G毫米波技術(shù)需要重點(diǎn)關(guān)注和研究的工作方向。