5G高功率终端产业需求及射频解决方案研究

2017-12-26宋丹邢金强邵哲刘磊王桂英何文林

移动通信 2017年21期

关键词：高功率发射功率终端设备

宋丹，邢金强，邵哲，刘磊，王桂英，何文林

（中国移动通信集团公司研究院，北京 100032）

5G高功率终端产业需求及射频解决方案研究

宋丹，邢金强，邵哲，刘磊，王桂英，何文林

（中国移动通信集团公司研究院，北京 100032）

首先从5G高功率终端的产业需求出发，基于4G高功率终端的研发及产业推动经验，从提升上行业务覆盖能力、改善小区边缘用户业务体验、节约网络部署成本、优化终端功耗性能及提高VoLTE语音质量等五个方面出发，深入分析了5G NR 6 GHz以下采用高功率终端的必要性。然后剖析了5G NR 6 GHz以下高功率终端射频解决方案的设计挑战及一些可能的实现方案，从理论到实践，较为完整地论证了5G NR 6 GHz以下采用高功率终端的可行性，为5G NR 6GHz以下高功率终端的研发和产业发展提供了技术储备。

5G 高功率终端射频

1 引言

高功率终端是指比普通终端具有更大发射功率的终端。在4G时代，高功率终端一般是指天线口处的最大发射功率可达26 dBm的终端设备。相比于最大发射功率为23 dBm的4G普通终端，4G高功率终端的最大发射功率提升了3 dB。

4G高功率终端的成功商用使整个移动通信产业尤其是运营商发现，高功率终端能较好地解决上行受限问题。在网络侧无需额外成本投入的情况下，即可大大缓解TD-LTE高频段小区的上行受限问题，有效扩大上行业务覆盖半径，显著改善边缘用户的业务体验；同时，还有助于改善VoLTE使用感知，优化单bit终端功耗。若以高功率终端进行网络规划，可为运营商节约15%～30%的建网成本。相比于4G，5G面临着更高的频段、更大的穿透损耗和更具挑战性的网络覆盖能力。因此，如何能够让高功率终端在5G时代发挥更大的作用、创造更大的价值，已成为5G终端3GPP标准化的重要工作内容之一。

本文将分别从5G高功率终端产业需求及5G NR 6 GHz以下高功率终端射频解决方案的角度进行分析，由理论到实践，论证5G NR 6 GHz以下采用高功率终端的可行性，力求为5G NR 6 GHz以下高功率终端的研发和产业发展提供一定的技术参考。

2 5G高功率终端产业需求分析

2.1 提升上行业务覆盖能力

5G NR 6 GHz以下链路预算的仿真结果如表1及表2所示：

表1 3.5 GHz 5G NR控制信道的PRACH及PDCCH的最大路径损耗

上述数据结果是在假定终端最大发射功率为+26 dBm且上行双发的情况下进行仿真得到的。该结果表明：即使在终端最大发射功率为+26 dBm且上行双发的情况下，5G的控制信道和业务信道仍旧上行覆盖受限。若5G不使用高功率终端，则上下行之间覆盖能力上的差距将进一步加大。可见，5G引入高功率终端是非常必要的。但是鉴于目前终端产业链的技术发展水平，最大发射功率为+26 dBm的5G终端设备采用功率等级2较为适合，现阶段还不适宜在5G终端设备中引入更高的功率等级。

表2 3.5 GHz 5G NR业务信道的上行及下行最大路径损耗

如《17th GTI Terminal WG Report》中所述，GTI高功率终端联合工作组于2016年在现网对Band41高功率终端进行了外场测试。其中，高功率终端的上行业务覆盖半径实际测试结果如图1所示：

由图1可知，相比于普通终端（最大发射功率为+23 d B m），高功率终端（最大发射功率为+26 dBm）可将上行业务覆盖半径提升2 dB。由此推测：相比于3.5 GHz频段的5G普通终端（最大发射功率为+23 dBm），5G高功率终端（最大发射功率为+26 dBm）同样可以有效提升上行业务覆盖半径。

2.2 改善小区边缘用户业务体验

如《17th GTI Terminal WG Report》所述，GTI高功率终端联合工作组于2016年在现网对Band41高功率终端进行了外场测试。其中，上行业务速率均值提升实际测试结果如图2所示。

由图2可知，相比于普通终端（最大发射功率为+23 dBm），高功率终端（最大发射功率为+26 dBm）可显著提升室内弱覆盖场景（RSRP＜-110 dBm）的上行数据速率：RSRP=-120 dBm时，上行速率从127.5 kbit/s提升至369.3 kbit/s，提升幅度为189.6%；RSRP=-125 dBm时，上行速率从39.6 kbit/s提升至99.1 kbit/s，提升幅度为150.3%。

由此推测：相比于3.5 GHz频段的5G普通终端（最大发射功率为+23 dBm），5G高功率终端（最大发射功率为+26 dBm）同样可以显著提升弱覆盖区域的上行速率，从而有助于改善小区边缘用户的业务体验。

2.3 节约网络部署成本

如图3所示，相比于普通终端，高功率终端可显著提升小区的上行覆盖半径，有效缓解小区上行受限的现状。

以Band41进行覆盖规划为例，根据美国Sprint公司估算，终端发射功率提升3 dB可降低15%～30%的建网成本。

由此推测：相比于3.5 GHz频段的5G普通终端（最大发射功率为+23 dBm），5G高功率终端（最大发射功率为+26 dBm）或同样可以显著节约运营商的建网成本。

2.4 优化终端功耗性能

图3 高功率终端提升小区上行覆盖半径示意图

图4 是某款高功率终端设备与同款普通终端设备的单比特耗电量的比值示意图。根据外场测试数据，归纳出实验室测试的配置表，包括传输速率、上下行MCS、PRB、上行发射功率等。在实验室综测仪上，通过设置不同的RSRP，得到上行速率和电流值，从而对某款高功率终端设备和同款普通终端设备进行测试。在上传同样大小数据量的情况下，获得了高功率终端以及普通终端的单比特耗电量，进而得到高功率终端与普通终端单比特耗电量的比值。当该比值小于1时，说明高功率终端拥有更低的单比特耗电量。

图4 高功率终端与普通终端的单比特耗电量现网实测结果比对

由图4可见，在小区边缘，高功率终端有更高的传输速率，传输相同数据量，高功率终端的传输时间更短。虽然高功率终端的平均电流更高，但综合考虑到

图2 Band41高功率终端上行速率提升现网实测结果

（1）Option 1：Band n78+（3.6 GHz—4.2 GHz）

Band n78可同时满足中国、欧洲及韩国现阶段的5G NR 6 GHz以下频段需求，而（3.6 GHz—4.2 GHz）可满足日本现阶段的5G NR 6 GHz以下频段需求。在该方案中，Band n78和（3.6 GHz—4.2 GHz）必须同时支持，但无需共享同一套射频指标：如Band n78可支持功率等级2的高功率指标，而Band n77可支持功率等级3的普通功率指标。因此，该方案可降低高功率终端实现的地域性政策阻力以及基站实现难度。Option 1要求Band n78和（3.6 GHz—4.2 GHz）必须同时支持，这对5G全球频谱统一化及共享产业规模效益方面是大有裨益的。

（2）Option 2：Band n77

日本3.4 GHz—3.6 GHz频段目前被用于4G LTE，但是不排除将来被重耕为5G频段的可能。因此，该方案可最大程度地满足日本5G NR 6 GHz以下频段的当前及未来潜在需求。Option 2采用单一频段Band n77来实现对3.3 GHz—4.2 GHz的覆盖，对5G全球频谱统一化及共享产业规模效益方面也是有益的。

（3）Option 3：Band n78+Band n77

该方案中，Band n78与Band n77可不同时支持，且无需共享同一套射频指标。因此，该方案可降低高功率终端实现的地域性政策阻力以及基站实现难度。相比于Option 1和Option 2，Option 3的方案具有更大的灵活性，但由于该方案中可以不同时支持Band n78与Band n77，有可能会在一定程度上造成产业链的分化，不利于提升产业的规模效应。

综上，无论采用上述哪种带宽划分方案，都可以满足我国3.3 GHz—3.6 GHz的频段使用需求。

（1）Option 1的高功率终端解决方案

如图8所示，Option 1是由Band n78和（3.6 GHz—4.2 GHz）组合而成的，且Band n78和（3.6 GHz—4.2 GHz）需要同时支持，但Band n78和（3.6 GHz—4.2 GHz）可各自分别遵循不同的射频指标方案。因此，可支持Option 1的高功率放大器模组内部架构方案一示意图如图9所示。其中，Band n78由PA1、LNA1和filter1组成的射频前端通路实现，而（3.6 GHz—4.2 GHz）由PA2、LNA2和filter2组成的射频前端通路实现。由于Option 1中每个频段的相对带宽都能控制在15%左右，相比于Option 2和Option 3，实现难度相对较低。

图9 可支持Option 1的高功率放大器模组内部架构方案一示意图

此外，在部分地域，4.2 GHz—4.4 GHz频段会有与航空高度计的互干扰问题存在。但是，按照Option 1的方案，Band n78（3.3 GHz—3.8 GHz）与4.2 GHz—4.4 GHz之间拥有充足的频带保护间隔，因此，Band n78（3.3 GHz—3.8 GHz）与4.2 GHz—4.4 GHz之间基本不会有共存干扰的问题，有效解决了与航空高度计的共存问题。

另外，由于Option 1的Band n78和（3.6 GHz—4.2 GHz）可以分别实现不同的终端功率等级，因此，高功率终端实现受限于某些地域性政策的问题得以解决。为了满足不同运营商的需求，可在Band n78（3.3 GHz—3.8 GHz）上实现功率等级2的高功率终端要求，同时在（3.6 GHz—4.2 GHz）上实现功率等级3的普通终端要求。图10为可支持Option 1的高功率放大器模组内部架构方案二示意图，展示了一种可能的实现方案：其中，功率等级2的高功率终端要求可通过由PC2_PA、PC2_LNA和PC2_filter组成的射频通路来实现，而功率等级3的普通终端要求可通过由PC3_PA、PC3_LNA和PC3_filter组成的射频通路来实现。

（2）Option 2的高功率终端解决方案

与Option 1相比，Option 2有着更大的相对带宽，因此，也更容易导致更大的PA效率损失以及有更大的功放与滤波器的实现难度。可支持Option 2的一种高功率放大器模组内部架构如图11所示。

图10 可支持Option 1的高功率放大器模组内部架构方案二示意图

图11 可支持Option 2的高功率放大器模组内部架构方案一示意图

相比于Option 1，图11这种高功率放大器模组内部架构更为简单，但是由于需要支持的带宽非常大，可能会引入更高的PA效率损失以及更差的带内增益平坦度。

因此，有必要考虑针对Option 2的另一种可能的高功率放大器模组架构，如图12所示，由两颗不同的PA芯片集成起来共同实现支持Band n77（3.3 GHz—4.2 GHz）。相比于图11所示的单颗PA芯片的解决方案，图12所示的双颗PA芯片的解决方案有利于实现更好的指标性能。与Option 1的实现方案不同，Option 2实现方案中的两颗不同的PA芯片需要遵循同样的射频指标要求，互相协同工作，从而共同实现对Band n77的支持。

综上，无论是如图11所示通过一颗PA芯片来实现对Band n77的支持，还是如图12所示通过两颗不同的PA芯片来实现对Band n77的支持，都需要遵循同样的射频指标要求。而且，由于单颗PA芯片的实现方案难度较大，因此，在3GPP的标准讨论定义中，这套射频指标要求需要基于单颗PA芯片的实现方案来考虑制定。

在终端功率等级的制定方面，为了满足不同运营商的不同需求，Band n77需要在Rel-15中同时定义功率等级2和功率等级3。

（3）Option 3的高功率终端解决方案

相比于Option 1的高功率终端解决方案，Option 3中的Band n78和Band n77不必同时支持，且无需共享同一套射频指标。因此，与Option 1的解决方案类似，Option 3方案同样可以降低高功率终端实现的地域性政策阻力以及基站实现的难度。并且Option 3方案灵活性更大：可以同时支持Band n78和Band n77，也可以只支持Band n78，或只支持Band n77。但也正是由于这种方案的“灵活性”，有可能会在一定程度上造成5G终端产业链的分化，不利于共享5G终端产业的规模效益。

图12 可支持Option 2的高功率放大器模组内部架构方案二示意图

3.2 射频收发芯片

目前对于5G NR终端设备，射频收发芯片的单通路工作带宽（或调制带宽）要求不小于100 MHz。而对于传统的4G终端设备，射频收发芯片的单通路工作带宽（或调制带宽）一般仅为20 MHz—40 MHz。这种工作带宽上的显著提升，对射频收发芯片中的模数转换器（ADC）及基带滤波器的设计提出了较高的挑战。

（1）模数转换器：由于工作带宽的增加，导致所需的采样率需要进一步大幅提升，进而导致ADC的功耗增加。同时，工作带宽的增大还会导致积分噪声的恶化，从而导致信噪比下降，进而使ADC的精度降低。

（2）基带滤波器：射频收发芯片中的基带滤波器一般为有源滤波器，内含运算放大器；较大的工作带宽将导致运算放大器需要实现较大的增益带宽积，则如何实现较大的增益带宽积成为运算放大器乃至基带滤波器的设计难点。

3.3 功率放大器

相比于功率等级3普通终端中使用的功率放大器，功率等级2的高功率放大器需要能够增加一倍的输出功率（3 dB）。

从公式(1)可知，峰值输出功率提升一倍，意味着工作电压U和输出电流I的乘积需要提升一倍。为了提升功率放大器的峰值输出功率，一般较为常见的两种解决方案如图13和图14所示，分别为提升工作电压摆幅和降低等效输出阻抗的阻值RO。

如图13所示，提升工作电压摆幅可以直接有效地提高电源电压峰值。在等效输出阻抗RO不变的情况下，使输出电流的峰值提高，从而增大峰值输出功率。但是晶体管所能耐受的电压有限，因此，在电源和地之间需要多串联一组晶体管进行分压。此外，较高的工作电压往往需要额外增加一个升压模块（DCDC booster），这给终端设计造成了一定的复杂度，同时提升了成本。

图13 通过提升电压摆幅来提升输出功率的原理框图

图14 通过降低阻抗阻值来提升输出功率的原理框图

如图14所示，在工作电压不变的情况下，如果仍旧需要通过提升输出电流峰值的方式来提升输出功率，就意味着需要降低等效输出阻抗RO。例如：将原等效输出阻抗R降低为，则可以将峰值输出功率提O升为原来的2倍。在外部负载阻抗均需匹配到50 Ω的情况下，功率放大器等效输出阻抗的降低会增加匹配的难度，进而提升功率放大器的设计难度。

无论是图13还是图14所示的方式，都需要将峰值输出电流提升一倍或大幅提升。从功率放大器的集成电路设计角度来看，更大的输出电流需要更大面积的有源区来提供，而更大面积的有源区往往会带来寄生电容的增加和输出阻抗的降低，进而导致功率放大器效率的降低。而且，由于高功率放大器需要提供多一倍的增益，可能会使得功率放大器由原来较为常见的2级放大增加为3级放大，从而引入更为复杂的设计，设计难度提升。

但在实际应用中，很多终端厂商考虑到尽量降低终端整体设计复杂度及成本，可能会选择图14所示的输出功率峰值提升方式。

针对图8所述的带宽划分方案的功率放大器设计架构方案如表3所示。其中：

表3 5G NR 6 GHz以下的带宽划分方案的功率放大器设计架构

一般地，当相对带宽＞15%时，功率放大器的效率会显著降低。因此，设计功率放大器时，一般会尽量避免相对带宽＞15%的情况。可见，单纯从功率放大器的设计角度出发，Option 1的设计实现难度相对较小。

3.4 滤波器

基于射频前端器件当前的技术发展水平，当相对带宽不高于12%时，5G NR终端设备可以采用一般的声学滤波器，例如：SAW、BAW、FBAR等；当相对带宽高于12%时，5G NR终端设备可以考虑采用陶瓷滤波器。

相比于声学滤波器，陶瓷滤波器尽管滚降系数不高，外形尺寸也较难以小型化，但是在插损和大带宽方面却有明显优势。目前能够支持3.3 GHz—4.2 GHz的高功率陶瓷滤波器已有工程样片可供5G NR终端设备的研发使用。

4 结束语

本文从5G NR 6 GHz以下高功率终端的产业需求出发，分析了5G NR 6 GHz以下采用高功率终端的必要性。相比于3.5 GHz频段的5G普通终端（最大发射功率为+23 dBm），5G高功率终端（最大发射功率为+26 dBm）可以有效提升上行业务覆盖半径；可以显著提高弱覆盖区域的上行速率，从而有助于改善小区边缘用户的业务体验；可节约运营商的建网成本；还可在单比特耗电方面具有显著优势；有助于提升室内弱覆盖场景的VoLTE语音质量。

同时，还分析了5G NR 6 GHz以下采用高功率终端的可行性。从射频前端通信链路的整体实现以及射频收发芯片、功率放大器和滤波器等几个关键的射频前端器件的设计角度出发，基于目前正在3GPP标准化组织中讨论的5G NR 6 GHz以下的三种带宽划分方案，剖析了5G NR 6 GHz以下高功率终端在射频前端实现方面可能面临的技术难点及一些潜在的解决方案，为5G NR 6 GHz以下高功率终端的研发和产业发展提供了技术储备，同时也为5G NR 6 GHz以下的部署发展策略提供了参考依据。

[1] 3GPP. R4-1705235 Discussion on NR band def i nition for 3.3-4.2 GHz[R]. 3GPP TSG-RAN WG4 Meeting #83,Hangzhou, China, 2017.

[2] 3GPP. R4-1703336 Discussion on the potential solutions for 3.5 GHz 5G NR HPUE[R]. 3GPP TSG-RAN WG4 Meeting #82bis, Spokane, Washington, USA, 2017.

[3] 3GPP. R4-1704410 WF on 3.3-4.2 GHz and 4.4-4.99 GHz NR spectrum[R]. 3GPP TSG-RAN WG4 #82bis Meeting,Spokane, Washington, USA, 2017.

[4] 3GPP. R4-1703218 Further consideration on def i ning 3.5 GHz NR spectrum[R]. 3GPP TSG-RAN WG4 #82bis,Spokane, Washington, USA, 2017.

[5] 3GPP. R4-1700977 Discussion on High power UE for 3.5 GHz 5G NR[R]. 3GPP TSG-RAN WG4 Meeting #82,Athens, Greece, 2017.

[6] GTI 17th Workshop. 17th GTI Terminal WG Report[R].Osaka, Japan, 2016.

[7] 3GPP. R4-1704410 WF on 3.3-4.2 GHz and 4.4-4.99 GHz NR spectrum[R]. 3GPP TSG-RAN WG4 Meeting #82bis,Spokane, WA, USA, 2017.

[8] 3GPP. R4-1706053 WF on band definition for 3.3-4.2 GHz[R]. 3GPP TSG-RAN WG4 Meeting #83, Hangzhou,China, 2017.

[9] 3GPP TR 38.817-01 v0.2.0. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; NR; General aspects for UE RF for NR(Release 15)[S]. 2017.

[10] Recommendation ITU-R M.1036-5. Frequency arrangements for implementation of the terrestrial component of International Mobile Telecommunications(IMT) in the bands identified for IMT in the Radio Regulations (RR)[Z]. 2015. ★

Research on 5G High Power Terminal Industry Demand and RF Solution

SONG Dan, XING Jinqiang, SHAO Zhe, LIU Lei, WANG Guiying, HE Wenlin
(Research Institute of China Mobile Group Co., Ltd., Beijing 100032, China)

Firstly, based on 5G high power terminal industry demand, 4G high power terminal development and industry promotion experience, the necessity of adopting high power terminal for 5G NR below 6 GHz was analyzed in depth from fi ve aspects of uplink service coverage capability enhancement, service experience improvement for cell edge users, network deployment cost saving, terminal power consumption optimization and VoLTE quality enhancement. Then, in the light of the research foundation of 4G high power terminals, the design challenge and possible implementation of high power terminal RF solution for 5G NR below 6 GHz were elaborated. The feasibility of high power terminal for 5G NR below 6GHz was demonstrated completely. This provides the technical reserve to the research and industrial development of high power terminal for 5G NR below 6 GHz.

5G high power terminal radio frequency

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.21.017

TN929.5

1006-1010(2017)21-0088-09

宋丹,邢金强,邵哲,等. 5G高功率终端产业需求及射频解决方案研究[J]. 移动通信, 2017,41(21): 88-96.

2017-07-04

文竹 liuwenzhu@mbcom.cn