5G高功率終端產業需求及射頻解決方案研究

宋丹，邢金強，邵哲，劉磊，王桂英，何文林

（中國移動通信集團公司研究院，北京 100032）

5G高功率終端產業需求及射頻解決方案研究

宋丹，邢金強，邵哲，劉磊，王桂英，何文林

（中國移動通信集團公司研究院，北京 100032）

首先從5G高功率終端的產業需求出發，基于4G高功率終端的研發及產業推動經驗，從提升上行業務覆蓋能力、改善小區邊緣用戶業務體驗、節約網絡部署成本、優化終端功耗性能及提高VoLTE語音質量等五個方面出發，深入分析了5G NR 6 GHz以下采用高功率終端的必要性。然后剖析了5G NR 6 GHz以下高功率終端射頻解決方案的設計挑戰及一些可能的實現方案，從理論到實踐，較為完整地論證了5G NR 6 GHz以下采用高功率終端的可行性，為5G NR 6GHz以下高功率終端的研發和產業發展提供了技術儲備。

5G 高功率終端 射頻

1 引言

高功率終端是指比普通終端具有更大發射功率的終端。在4G時代，高功率終端一般是指天線口處的最大發射功率可達26 dBm的終端設備。相比于最大發射功率為23 dBm的4G普通終端，4G高功率終端的最大發射功率提升了3 dB。

4G高功率終端的成功商用使整個移動通信產業尤其是運營商發現，高功率終端能較好地解決上行受限問題。在網絡側無需額外成本投入的情況下，即可大大緩解TD-LTE高頻段小區的上行受限問題，有效擴大上行業務覆蓋半徑，顯著改善邊緣用戶的業務體驗；同時，還有助于改善VoLTE使用感知，優化單bit終端功耗。若以高功率終端進行網絡規劃，可為運營商節約15%～30%的建網成本。相比于4G，5G面臨著更高的頻段、更大的穿透損耗和更具挑戰性的網絡覆蓋能力。因此，如何能夠讓高功率終端在5G時代發揮更大的作用、創造更大的價值，已成為5G終端3GPP標準化的重要工作內容之一。

本文將分別從5G高功率終端產業需求及5G NR 6 GHz以下高功率終端射頻解決方案的角度進行分析，由理論到實踐，論證5G NR 6 GHz以下采用高功率終端的可行性，力求為5G NR 6 GHz以下高功率終端的研發和產業發展提供一定的技術參考。

2 5G高功率終端產業需求分析

2.1 提升上行業務覆蓋能力

5G NR 6 GHz以下鏈路預算的仿真結果如表1及表2所示：

表1 3.5 GHz 5G NR控制信道的PRACH及PDCCH的最大路徑損耗

上述數據結果是在假定終端最大發射功率為+26 dBm且上行雙發的情況下進行仿真得到的。該結果表明：即使在終端最大發射功率為+26 dBm且上行雙發的情況下，5G的控制信道和業務信道仍舊上行覆蓋受限。若5G不使用高功率終端，則上下行之間覆蓋能力上的差距將進一步加大。可見，5G引入高功率終端是非常必要的。但是鑒于目前終端產業鏈的技術發展水平，最大發射功率為+26 dBm的5G終端設備采用功率等級2較為適合，現階段還不適宜在5G終端設備中引入更高的功率等級。

表2 3.5 GHz 5G NR業務信道的上行及下行最大路徑損耗

如《17th GTI Terminal WG Report》中所述，GTI高功率終端聯合工作組于2016年在現網對Band41高功率終端進行了外場測試。其中，高功率終端的上行業務覆蓋半徑實際測試結果如圖1所示：

由圖1可知，相比于普通終端（最大發射功率為+23 d B m），高功率終端（最大發射功率為+26 dBm）可將上行業務覆蓋半徑提升2 dB。由此推測：相比于3.5 GHz頻段的5G普通終端（最大發射功率為+23 dBm），5G高功率終端（最大發射功率為+26 dBm）同樣可以有效提升上行業務覆蓋半徑。

2.2 改善小區邊緣用戶業務體驗

如《17th GTI Terminal WG Report》所述，GTI高功率終端聯合工作組于2016年在現網對Band41高功率終端進行了外場測試。其中，上行業務速率均值提升實際測試結果如圖2所示。

由圖2可知，相比于普通終端（最大發射功率為+23 dBm），高功率終端（最大發射功率為+26 dBm）可顯著提升室內弱覆蓋場景（RSRP＜-110 dBm）的上行數據速率：RSRP=-120 dBm時，上行速率從127.5 kbit/s提升至369.3 kbit/s，提升幅度為189.6%；RSRP=-125 dBm時，上行速率從39.6 kbit/s提升至99.1 kbit/s，提升幅度為150.3%。

由此推測：相比于3.5 GHz頻段的5G普通終端（最大發射功率為+23 dBm），5G高功率終端（最大發射功率為+26 dBm）同樣可以顯著提升弱覆蓋區域的上行速率，從而有助于改善小區邊緣用戶的業務體驗。

2.3 節約網絡部署成本

如圖3所示，相比于普通終端，高功率終端可顯著提升小區的上行覆蓋半徑，有效緩解小區上行受限的現狀。

以Band41進行覆蓋規劃為例，根據美國Sprint公司估算，終端發射功率提升3 dB可降低15%～30%的建網成本。

由此推測：相比于3.5 GHz頻段的5G普通終端（最大發射功率為+23 dBm），5G高功率終端（最大發射功率為+26 dBm）或同樣可以顯著節約運營商的建網成本。

2.4 優化終端功耗性能

圖3 高功率終端提升小區上行覆蓋半徑示意圖

圖4 是某款高功率終端設備與同款普通終端設備的單比特耗電量的比值示意圖。根據外場測試數據，歸納出實驗室測試的配置表，包括傳輸速率、上下行MCS、PRB、上行發射功率等。在實驗室綜測儀上，通過設置不同的RSRP，得到上行速率和電流值，從而對某款高功率終端設備和同款普通終端設備進行測試。在上傳同樣大小數據量的情況下，獲得了高功率終端以及普通終端的單比特耗電量，進而得到高功率終端與普通終端單比特耗電量的比值。當該比值小于1時，說明高功率終端擁有更低的單比特耗電量。

圖4 高功率終端與普通終端的單比特耗電量現網實測結果比對

由圖4可見，在小區邊緣，高功率終端有更高的傳輸速率，傳輸相同數據量，高功率終端的傳輸時間更短。雖然高功率終端的平均電流更高，但綜合考慮到

圖2 Band41高功率終端上行速率提升現網實測結果

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

Band n78可同時滿足中國、歐洲及韓國現階段的5G NR 6 GHz以下頻段需求，而（3.6 GHz—4.2 GHz）可滿足日本現階段的5G NR 6 GHz以下頻段需求。在該方案中，Band n78和（3.6 GHz—4.2 GHz）必須同時支持，但無需共享同一套射頻指標：如Band n78可支持功率等級2的高功率指標，而Band n77可支持功率等級3的普通功率指標。因此，該方案可降低高功率終端實現的地域性政策阻力以及基站實現難度。Option 1要求Band n78和（3.6 GHz—4.2 GHz）必須同時支持，這對5G全球頻譜統一化及共享產業規模效益方面是大有裨益的。

（2）Option 2：Band n77

日本3.4 GHz—3.6 GHz頻段目前被用于4G LTE，但是不排除將來被重耕為5G頻段的可能。因此，該方案可最大程度地滿足日本5G NR 6 GHz以下頻段的當前及未來潛在需求。Option 2采用單一頻段Band n77來實現對3.3 GHz—4.2 GHz的覆蓋，對5G全球頻譜統一化及共享產業規模效益方面也是有益的。

（3）Option 3：Band n78+Band n77

該方案中，Band n78與Band n77可不同時支持，且無需共享同一套射頻指標。因此，該方案可降低高功率終端實現的地域性政策阻力以及基站實現難度。相比于Option 1和Option 2，Option 3的方案具有更大的靈活性，但由于該方案中可以不同時支持Band n78與Band n77，有可能會在一定程度上造成產業鏈的分化，不利于提升產業的規模效應。

綜上，無論采用上述哪種帶寬劃分方案，都可以滿足我國3.3 GHz—3.6 GHz的頻段使用需求。

（1）Option 1的高功率終端解決方案

如圖8所示，Option 1是由Band n78和（3.6 GHz—4.2 GHz）組合而成的，且Band n78和（3.6 GHz—4.2 GHz）需要同時支持，但Band n78和（3.6 GHz—4.2 GHz）可各自分別遵循不同的射頻指標方案。因此，可支持Option 1的高功率放大器模組內部架構方案一示意圖如圖9所示。其中，Band n78由PA1、LNA1和filter1組成的射頻前端通路實現，而（3.6 GHz—4.2 GHz）由PA2、LNA2和filter2組成的射頻前端通路實現。由于Option 1中每個頻段的相對帶寬都能控制在15%左右，相比于Option 2和Option 3，實現難度相對較低。

圖9 可支持Option 1的高功率放大器模組內部架構方案一示意圖

此外，在部分地域，4.2 GHz—4.4 GHz頻段會有與航空高度計的互干擾問題存在。但是，按照Option 1的方案，Band n78（3.3 GHz—3.8 GHz）與4.2 GHz—4.4 GHz之間擁有充足的頻帶保護間隔，因此，Band n78（3.3 GHz—3.8 GHz）與4.2 GHz—4.4 GHz之間基本不會有共存干擾的問題，有效解決了與航空高度計的共存問題。

另外，由于Option 1的Band n78和（3.6 GHz—4.2 GHz）可以分別實現不同的終端功率等級，因此，高功率終端實現受限于某些地域性政策的問題得以解決。為了滿足不同運營商的需求，可在Band n78（3.3 GHz—3.8 GHz）上實現功率等級2的高功率終端要求，同時在（3.6 GHz—4.2 GHz）上實現功率等級3的普通終端要求。圖10為可支持Option 1的高功率放大器模組內部架構方案二示意圖，展示了一種可能的實現方案：其中，功率等級2的高功率終端要求可通過由PC2_PA、PC2_LNA和PC2_filter組成的射頻通路來實現，而功率等級3的普通終端要求可通過由PC3_PA、PC3_LNA和PC3_filter組成的射頻通路來實現。

（2）Option 2的高功率終端解決方案

與Option 1相比，Option 2有著更大的相對帶寬，因此，也更容易導致更大的PA效率損失以及有更大的功放與濾波器的實現難度。可支持Option 2的一種高功率放大器模組內部架構如圖11所示。

圖10 可支持Option 1的高功率放大器模組內部架構方案二示意圖

圖11 可支持Option 2的高功率放大器模組內部架構方案一示意圖

相比于Option 1，圖11這種高功率放大器模組內部架構更為簡單，但是由于需要支持的帶寬非常大，可能會引入更高的PA效率損失以及更差的帶內增益平坦度。

因此，有必要考慮針對Option 2的另一種可能的高功率放大器模組架構，如圖12所示，由兩顆不同的PA芯片集成起來共同實現支持Band n77（3.3 GHz—4.2 GHz）。相比于圖11所示的單顆PA芯片的解決方案，圖12所示的雙顆PA芯片的解決方案有利于實現更好的指標性能。與Option 1的實現方案不同，Option 2實現方案中的兩顆不同的PA芯片需要遵循同樣的射頻指標要求，互相協同工作，從而共同實現對Band n77的支持。

綜上，無論是如圖11所示通過一顆PA芯片來實現對Band n77的支持，還是如圖12所示通過兩顆不同的PA芯片來實現對Band n77的支持，都需要遵循同樣的射頻指標要求。而且，由于單顆PA芯片的實現方案難度較大，因此，在3GPP的標準討論定義中，這套射頻指標要求需要基于單顆PA芯片的實現方案來考慮制定。

在終端功率等級的制定方面，為了滿足不同運營商的不同需求，Band n77需要在Rel-15中同時定義功率等級2和功率等級3。

（3）Option 3的高功率終端解決方案

相比于Option 1的高功率終端解決方案，Option 3中的Band n78和Band n77不必同時支持，且無需共享同一套射頻指標。因此，與Option 1的解決方案類似，Option 3方案同樣可以降低高功率終端實現的地域性政策阻力以及基站實現的難度。并且Option 3方案靈活性更大：可以同時支持Band n78和Band n77，也可以只支持Band n78，或只支持Band n77。但也正是由于這種方案的“靈活性”，有可能會在一定程度上造成5G終端產業鏈的分化，不利于共享5G終端產業的規模效益。

圖12 可支持Option 2的高功率放大器模組內部架構方案二示意圖

3.2 射頻收發芯片

目前對于5G NR終端設備，射頻收發芯片的單通路工作帶寬（或調制帶寬）要求不小于100 MHz。而對于傳統的4G終端設備，射頻收發芯片的單通路工作帶寬（或調制帶寬）一般僅為20 MHz—40 MHz。這種工作帶寬上的顯著提升，對射頻收發芯片中的模數轉換器（ADC）及基帶濾波器的設計提出了較高的挑戰。

（1）模數轉換器：由于工作帶寬的增加，導致所需的采樣率需要進一步大幅提升，進而導致ADC的功耗增加。同時，工作帶寬的增大還會導致積分噪聲的惡化，從而導致信噪比下降，進而使ADC的精度降低。

（2）基帶濾波器：射頻收發芯片中的基帶濾波器一般為有源濾波器，內含運算放大器；較大的工作帶寬將導致運算放大器需要實現較大的增益帶寬積，則如何實現較大的增益帶寬積成為運算放大器乃至基帶濾波器的設計難點。

3.3 功率放大器

相比于功率等級3普通終端中使用的功率放大器，功率等級2的高功率放大器需要能夠增加一倍的輸出功率（3 dB）。

從公式(1)可知，峰值輸出功率提升一倍，意味著工作電壓U和輸出電流I的乘積需要提升一倍。為了提升功率放大器的峰值輸出功率，一般較為常見的兩種解決方案如圖13和圖14所示，分別為提升工作電壓擺幅和降低等效輸出阻抗的阻值RO。

如圖13所示，提升工作電壓擺幅可以直接有效地提高電源電壓峰值。在等效輸出阻抗RO不變的情況下，使輸出電流的峰值提高，從而增大峰值輸出功率。但是晶體管所能耐受的電壓有限，因此，在電源和地之間需要多串聯一組晶體管進行分壓。此外，較高的工作電壓往往需要額外增加一個升壓模塊（DCDC booster），這給終端設計造成了一定的復雜度，同時提升了成本。

圖13 通過提升電壓擺幅來提升輸出功率的原理框圖

圖14 通過降低阻抗阻值來提升輸出功率的原理框圖

如圖14所示，在工作電壓不變的情況下，如果仍舊需要通過提升輸出電流峰值的方式來提升輸出功率，就意味著需要降低等效輸出阻抗RO。例如：將原等效輸出阻抗R降低為，則可以將峰值輸出功率提O升為原來的2倍。在外部負載阻抗均需匹配到50 Ω的情況下，功率放大器等效輸出阻抗的降低會增加匹配的難度，進而提升功率放大器的設計難度。

無論是圖13還是圖14所示的方式，都需要將峰值輸出電流提升一倍或大幅提升。從功率放大器的集成電路設計角度來看，更大的輸出電流需要更大面積的有源區來提供，而更大面積的有源區往往會帶來寄生電容的增加和輸出阻抗的降低，進而導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，可能會使得功率放大器由原來較為常見的2級放大增加為3級放大，從而引入更為復雜的設計，設計難度提升。

但在實際應用中，很多終端廠商考慮到盡量降低終端整體設計復雜度及成本，可能會選擇圖14所示的輸出功率峰值提升方式。

針對圖8所述的帶寬劃分方案的功率放大器設計架構方案如表3所示。其中：

表3 5G NR 6 GHz以下的帶寬劃分方案的功率放大器設計架構

一般地，當相對帶寬＞15%時，功率放大器的效率會顯著降低。因此，設計功率放大器時，一般會盡量避免相對帶寬＞15%的情況。可見，單純從功率放大器的設計角度出發，Option 1的設計實現難度相對較小。

3.4 濾波器

基于射頻前端器件當前的技術發展水平，當相對帶寬不高于12%時，5G NR終端設備可以采用一般的聲學濾波器，例如：SAW、BAW、FBAR等；當相對帶寬高于12%時，5G NR終端設備可以考慮采用陶瓷濾波器。

相比于聲學濾波器，陶瓷濾波器盡管滾降系數不高，外形尺寸也較難以小型化，但是在插損和大帶寬方面卻有明顯優勢。目前能夠支持3.3 GHz—4.2 GHz的高功率陶瓷濾波器已有工程樣片可供5G NR終端設備的研發使用。

4 結束語

本文從5G NR 6 GHz以下高功率終端的產業需求出發，分析了5G NR 6 GHz以下采用高功率終端的必要性。相比于3.5 GHz頻段的5G普通終端（最大發射功率為+23 dBm），5G高功率終端（最大發射功率為+26 dBm）可以有效提升上行業務覆蓋半徑；可以顯著提高弱覆蓋區域的上行速率，從而有助于改善小區邊緣用戶的業務體驗；可節約運營商的建網成本；還可在單比特耗電方面具有顯著優勢；有助于提升室內弱覆蓋場景的VoLTE語音質量。

同時，還分析了5G NR 6 GHz以下采用高功率終端的可行性。從射頻前端通信鏈路的整體實現以及射頻收發芯片、功率放大器和濾波器等幾個關鍵的射頻前端器件的設計角度出發，基于目前正在3GPP標準化組織中討論的5G NR 6 GHz以下的三種帶寬劃分方案，剖析了5G NR 6 GHz以下高功率終端在射頻前端實現方面可能面臨的技術難點及一些潛在的解決方案，為5G NR 6 GHz以下高功率終端的研發和產業發展提供了技術儲備，同時也為5G NR 6 GHz以下的部署發展策略提供了參考依據。

[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

A

1006-1010(2017)21-0088-09

宋丹,邢金強,邵哲,等. 5G高功率終端產業需求及射頻解決方案研究[J]. 移動通信, 2017,41(21): 88-96.

2017-07-04

文竹 liuwenzhu@mbcom.cn

宋丹：高級工程師，博士畢業于北京航空航天大學，現任中國移動通信集團公司研究院項目經理，研究方向為4G、5G、蜂窩物聯網終端的射頻關鍵技術，主要從事終端硬件及射頻關鍵技術研究，蜂窩物聯網終端射頻前端架構及長續航安全供電解決方案研究，高功率終端、終端標準化及國際化產業推動等工作。

邢金強：碩士畢業于北京郵電大學，現任中國移動通信集團公司研究院項目經理，研究方向包括4G、5G技術標準及終端射頻、天線技術，發表學術論文近10篇，專利19項，3GPP標準化文稿320篇。

邵哲：碩士畢業于電子科技大學，現任中國移動通信集團公司研究院項目經理，主要負責基站和UE方面的射頻標準化工作，中國移動RAN4代表。