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5G NR挑战与RFFE设计趋势

Peter Bacon and Young-Taek Lee, pSemi

从4G LTE到5G新射频（5G NR）的能力提升是一次巨大的飞跃。除了大幅提高所有主要性能指标外，4G向5G的过渡还预示着在传统4G LTE-Advanced（LTE-A）和新的6GHz以下频段基础上增加毫米波频谱的更灵活、更强大的射频架构。5G还本质上支持增强型移动宽带(eMBB)以外的新用例，包括超可靠低延迟通信(uRLLC)和大规模机器通信(mMTC)。此外，还计划进一步扩大5G频段，以覆盖需许可和无需许可的毫米波频谱。此外，5G NR允许频分双工(FDD)和时分双工(TDD)，具有更宽的信道带宽、更高功率的用户设备(UE)、更高阶的调制方案和多天线架构。5G NR射频前端(RFFE)设计人员可以从了解这些趋势以及应对这些新挑战所需的新射频硬件和技术的各个方面中获益。

5G NR趋势

5G NR部署正在如火如荼地进行，许多组织都在努力实现5G NR的性能目标。图1显示了5G的性能目标以及与4G的比较。图2显示了一些新的5G NR频谱分配。毫米波频率范围(FR)逐渐被称为FR2-1和FR2-2，由于以下几个原因而备受关注。这些频段有大量可用带宽，没有其他干扰部署，射频硬件和天线的尺寸也相应较小。

图1 与LTE-A相比，5G NR的主要功能。¹

图2 3GPP 5G NR频段定义。

与LTE-A技术相比，毫米波技术可实现极为紧凑的先进/有源天线系统(AAS)，以及具有更高吞吐量的复杂MIMO和波束赋形系统。5G NR在LTE-A和新频段的基础上进行了增强，实现了更大的容量、连接密度、峰值数据速率和用户体验数据速率。5G NR还增加了调制方案、新编码和支持新用例的附加层。与LTE-A相比，5G NR标准中的这些综合功能使5G能够提高移动性、减少延迟、实现更高的网络能效和频谱效率。

5G NR引入了部分带宽（BWP）的概念，即一组可设置为不同传输带宽的连续资源块（RB）。每个BWP都有自己的数字，虽然可以为给定的载波组分(CC)定义多个BWP，但在下行链路(DL)和上行链路(UL)中，每次只能有一个BWP处于活动状态。引入BWP后，可以根据UE的具体使用情况更灵活地使用频谱。

与LTE-A每CC 20MHz的最大信道带宽相比，5G NR FR1在使用15kHz子载波间隔（SCS）时，每CC的最大信道带宽为50MHz，在使用30kHz或60kHz SCS时为100MHz。FR2-1在使用60kHz SCS时可达到200MHz，在使用120kHz SCS时可达到400MHz。不同时隙的子载波间隔如图3所示。表1显示了FR2-2在52-71GHz内考虑采用的较高SCS和最大传输带宽。

图3 FR1和FR2-1频段及子载波间隔。

LTE-A基本上是为移动宽带而设计的，尽管可以在此框架内进行一些配置以支持其他功能。5G NR在标准中内置了额外的功能，支持蜂窝无线技术的新应用。5G NR的三个初始和关键用例是eMBB、uRLLC和mMTC。每个用例都有各自详细的规范和功能，因为无法用"一刀切"的解决方案实现所有用例。

例如，针对自动驾驶车辆或驾驶员安全功能的车对基础设施（V2I）或车对车（V2V）应用，uRLLC需要更低的延迟和更高的移动性。但是，uRLLC应用不像eMBB应用那样优先考虑容量、峰值数据速率、UE数据速率或频谱/网络效率。同样，mMTC用例优先考虑的是连接密度和网络效率，而不是其他性能指标，以便更好地服务于众多机器型传感器、执行器和信标之间的通信。图4显示了5G NR网络目标对三种主要用例的相对重要性。

图4 5G NR的三大初始用例。¹

5G NR RFFE设计挑战

与LTE-A相比，5G NR在性能和功能上的提升为RFFE设计人员带来了额外挑战。其中一个是TDD非同步带间操作。当一个频段的传输噪声落入另一个频段的接收频段时，当它们共享一个重叠时隙时，这一点就变得尤为重要。在任何一个频段中都有50多种UL与DL时隙分配格式，有多个频段组合可能会出现这种重叠。这种潜在干扰取决于硬件的噪声水平、互调(IMD)产物和滤波器抑制水平。图5显示了这一潜在问题的严重程度。

图5 异步TDD运行时，频段X的TX可能干扰频段Y的RX。

自我干扰

与前几代产品相比，5G NR增加了额外频段和上行链路频段组合的复杂性，导致自干扰风险增加，尤其是在6GHz以下频段。图6所示的5G NR TDD更高的最大和平均功率水平也是需要考虑的因素。5G NR提供60多个FR1频段，3500多个载波聚合和双连接(DC)频段组合，以及异步操作的潜力。这包括UE和基站同时运行LTE-A和5G NR收发器（EN-DC）的多模式操作。如果这些组合导致大量IMD失真、泄漏、噪声或其他干扰注入接收器，接收器的灵敏度就会降低。

图6 用工作周期维持23dBm平均功率的TDD。

最大灵敏度降级（MSD）是5G NR标准中定义特定频段组合接收机灵敏度允许降级的指标。MSD是特定频段组合下接收机灵敏度(REFSENS)的衰减量。该值取决于最大发射功率、隔离度、线性度、带宽和载波频率等参数。这些因素还包括射频集成电路、射频模块、手机板和整个RFFE各功能模块之间的耦合和串扰效应引起的自干扰。

图7举例说明了两个FR1频段之间的自干扰效应。在这种情况下，频段n78（3300-3800MHz）的UL传输（可能来自UL信号路由中的多个位置）与频段n3（1710-1785MHz）的UL传输耦合。这导致RFFE的n3频段DL接收信号链（1805-1880MHz）出现互调产物。这就是图8所示的情况。在本例中，频段n78是TDD频段，而频段n3是FDD频段，因此频段n3的UL和DL频率不同。然而，从频段n78的UL和频段n3的UL耦合到频段n3的DL的干扰混合产生的二阶互调失真产物（IMD2）可能导致高IMD产物落入频段n3的DL中。该信号可能含有足够的能量，使频带n3中的接收器灵敏度降低，因信噪比下降而导致误码率升高，并降低吞吐量。

图7 5G CA收发器中潜在的自干扰机制。

图8 PSD（dBm/Hz）与频率（MHz）的关系。

图8以图形方式显示了上述机制。它结合了5G NR频段n3 UL、频段n78 UL和IMD2的功率谱密度(PSD)图。可以看到，收发器中重叠的UL信号分量在频段n3的DL中产生了失真。

增加信道带宽使RFIC损伤导致失感（desense）

与LTE-A相比，FR1 6GHz以下频段信道带宽的增加也带来了类似的挑战。FR1中使用的许多FDD LTE-A频段的信道带宽在不增加双工间隔的情况下有所增加。信道带宽的增加为RFIC损伤影响输出信号质量创造了更多机会。如果传输和接收信号链之间存在耦合，这些损伤可能会影响接收器的灵敏度。例如，由于IQ不匹配或LO泄漏，在频率转换过程中会产生图像信号。与之前的LTE-A水平相比，发射机中的功率放大器(PA)可能会加剧接收频段中这些RFIC损伤的水平和带宽。

例如，FR1频段n28的上行链路频率为703-748MHz，下行链路频率为758-803MHz。频段n28属于FDD频段，双工间隔为55MHz，信道带宽为5、10、15、20或30MHz。来自IQ失配或LO泄漏的图像信号可能会通过非线性PA，产生与DL接收机频率范围重叠的失真产物，从而导致失真。图9显示了RFFE方框图中的这一路径，图10显示了FR1频段中的第三和第五奇阶IMD产物和图像功率电平，以及DL接收器的潜在衰减。

图9 波段n28从发射机UL到DL接收信号链的耦合干扰。

图10 导致DL失感的IMD产物和图像功率水平。

如前所述，失感现象受信道带宽的影响。图11显示了模拟RFIC输出，包括20MHz和30MHz信道带宽下的损耗和非线性以及PA发射机输出。红色矩形代表n28的UL频率范围，蓝色矩形代表DL频率范围。图11显示，20MHz信道带宽将导致有限的DL接收机失感，因为只有一小部分最终非线性产物会干扰DL频率范围。然而，当信道带宽为30MHz时，RFIC产生的大部分五阶IMD产物都会落在频段n20 DL上。源于RFIC并经PA放大的IMD3和IMD5产物在带宽增加的情况下都会变差，而5G NR则使带宽增加成为可能。

图11 仿真RFIC和PA发射机输出图。

增加射频带宽和通道带宽时PA的考虑因素

除了潜在的自干扰外，射频和信道带宽的增加还带来了其他挑战。为极宽的FR1频段n77（3300-4200MHz）、n78（3300-3800MHz）和n79（4400-5000MHz）选择合适的低噪声放大器(LNA)是硬件方面的一个考虑因素。每个频段还支持每个载波组分高达100MHz的信道带宽。在这些频率范围内，LNA有多种选择，每种选择都有其优劣。带有电感变性的共源LNA具有较低的噪声系数(NF)，但它们的分数带宽也相对较窄。具有电感变性的共栅LNA的NF值略低于共源LNA，但它们的分数带宽更宽。可编程LNA是另一种选择，但设计者需要考虑这些LNA的调谐性能取决于载波频率。最后，具有低NF和高增益的宽带LNA也是合适的选择，不过可能需要额外的滤波。将多个带宽略有重叠的LNA组合在一起，可以获得合理的宽带增益。这种技术如图12所示。

图12 重叠LNA增益和NF以增加带宽。

PA还需要考虑其他因素。高效率是人们所希望的，而电流消耗则是一个重要的问题，这些挑战随着更宽的信道带宽而变得更加困难。对于频段n77、n78和n79而言尤其如此。包络跟踪(ET)是实现合理效率的常用技术。图13显示了一个简单的ET电路，但当信道带宽超过100MHz时，这种电路就会变得更加复杂。此外，由于PA中的记忆效应，许多现代PA技术很难避免不对称相邻信道功率泄漏比问题。

图13 ET调制器和PA的高层原理图。

应对5G NR RFFE设计挑战的步骤

目前已有一些方法可以解决这些RFFE设计难题，但还需要进一步发展。解决潜在的DL失感问题的一种方法是使用网络优化技术，将频谱分配与RB放置结合起来。这可能是更大规模的智能吞吐量驱动型频谱分配方案的一部分。在FR1频谱分配中使用RB放置可最大限度地减少UL相互作用，因为UL相互作用可能会使同一频段或附近频段的DL接收机失感。图14显示了一个用于FR1频谱分配的RB放置解决方案，该方案可最大限度地减少DL失感。

图14 用于频谱分配的RB放置解决方案示例。

使用相对简单的算法和查找表即可完成RB配置。不过，人们也提出了认知无线电技术，以应对实时频谱分配挑战，并更智能地尽量减少DL失感。将机器学习/人工智能与蜂窝资源分配相结合，可以实现更好的频谱优化。这可以让规划者考虑蜂窝活动以及其他无线网络技术和噪声/干扰源的潜在干扰。这需要大力发展认知无线电技术和协议，以促进认知网络和认知无线电互动。

对于可能受到IMD干扰的特定组合，可以稍微移动UL载波频率，以尽量减少小区边缘手机的失感。参考图15中FR1频段n28的示例，UL载波频率的轻微移动将移动通常与频段n28重叠的IMD3产物。如图15所示，这样还可以增加DL信道带宽。

图15 移动UL载波频率以尽量减少小区边缘手机的失感。

其他RFFE技术发展

为了应对5G NR性能和能力方面的变化和不断增长的期望，需要在RFFE硬件和系统方面进行更多开发。为了适应多天线AAS技术，这些开发需要非常紧凑、易于集成到面板化天线解决方案中并且更加高效。需要带宽更宽的LNA和PA，以应对FR1频段可能出现的更高信道带宽。更高的UL功率需要高功率容限和高效率PA。更复杂的5G NR调制方案要求射频模块具有更低的误差矢量幅度，以确保这些方案能够成功实施。要达到5G NR所需的速度和保真度，就必须提高开关、PA和LNA的线性阈值，以减少失感的机会。对于5G NR而言，仅通过RFFE元件的性能来降低自干扰可能是不行的。从长远来看，解决方案可能涉及采用智能干扰缓解策略。

结论

5G NR规范不断突破无线网络性能的极限，并采用新的功能和用例。尽管这些进步可能会继续开创一个新的连接时代，但也给RFFE设计师和网络优化工程师带来了新的负担和额外的挑战。最终，需要采用新的策略和设备设计/开发来应对这些挑战，但这些解决方案还必须非常紧凑、高效和经济。

参考资料

1. “IMT Vision – Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond,” International Telecommunication Union, ITU-R Recommendation M.2083-0, Sept. 2015, Web: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/m/R-REC-M.2083-0-201509-I!!PDF-E.pdf.
2. “NR; User Equipment (UE) Radio Transmission and Reception; Part 2: Range 2 Standalone,” 3GPP, Technical Specification, 38.101-2 V17.7.0.