一文讀懂RPU，給Wi-Fi加上“渦輪增壓”

“空調(diào)、Wi-Fi、西瓜”被戲稱為夏日續(xù)命三件套，可見(jiàn)Wi-Fi的普及度有多廣。

根據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟的預(yù)測(cè)，2024年全球?qū)⒂袛?shù)十億人和180億臺(tái)設(shè)備依賴Wi-Fi連接入網(wǎng)，Wi-Fi設(shè)備出貨量將增至每年約40億臺(tái)。

另根據(jù)ABI Research的數(shù)據(jù)顯示，2022年Wi-Fi上傳流量激增80%，Wi-Fi數(shù)據(jù)流量已超過(guò)蜂窩流量，且成為流量增量貢獻(xiàn)最大的接入方式。

然而所有的Wi-Fi路由器在出廠時(shí)都不會(huì)標(biāo)注在多遠(yuǎn)的距離之上有多大的帶寬，這也是為什么當(dāng)我們“關(guān)門(mén)吃西瓜就可能出現(xiàn)手機(jī)發(fā)熱，甚至視頻卡頓” 的原因所在。

事實(shí)上，Wi-Fi的穿墻問(wèn)題一直普遍存在，那么到底是什么原因?qū)е铝诉@項(xiàng)性能桎梏呢？

拒絕“死角和卡頓”，關(guān)鍵在射頻系統(tǒng)

在通信設(shè)備中，基帶芯片和射頻芯片是兩個(gè)核心組件。

基帶芯片作為設(shè)備的數(shù)字中樞，承擔(dān)著數(shù)據(jù)處理和通信協(xié)議的管理工作，確保信息的準(zhǔn)確編碼和解碼，以及高效的協(xié)議執(zhí)行。而射頻芯片則扮演著無(wú)線通信的引擎角色，負(fù)責(zé)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為無(wú)線信號(hào)，通過(guò)精細(xì)的放大和頻率控制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定傳輸和接收。兩者的緊密協(xié)作，使得通信設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸和無(wú)縫的通信連接。

換言之，基帶芯片主要影響通訊設(shè)備的最大吞吐，例如網(wǎng)速最高能跑到多少。射頻芯片則決定的是用戶距離這個(gè)設(shè)備多遠(yuǎn)之后，還能剩下多少的網(wǎng)速。

受到通信技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)快速發(fā)展的影響，基帶芯片迭代迅速，其吞吐量在5年內(nèi)翻了50倍不止。然而，與其形成鮮明對(duì)比的是射頻系統(tǒng)的發(fā)展，幾乎可以用“停滯不前”來(lái)形容。

圖 | 得翼通信創(chuàng)始人&CEO王子明，來(lái)源：得翼通信

得翼通信創(chuàng)始人&CEO王子明告訴筆者：“二十幾年前的2G諾基亞手機(jī)中的射頻器件用的是GaAs材料，今天包括蘋(píng)果等手機(jī)大廠在內(nèi)的企業(yè)用的射頻器件依舊使用的是GaAs材料。由于材料沒(méi)變，所以只能依賴于工藝慢慢提高性能，這與摩爾定律下的數(shù)字芯片迭代速度是完全不匹配的。”

“此外，射頻器件不像數(shù)字芯片，CMOS工藝突破后良率是比較穩(wěn)定的，對(duì)于射頻器件來(lái)講，良率極度依賴于供應(yīng)鏈，在量產(chǎn)過(guò)程中依舊會(huì)受材料、生產(chǎn)環(huán)境等因素影響，不太可控?！?王子明補(bǔ)充道。

事實(shí)上，射頻技術(shù)的發(fā)展和通信需求之間至少差了10倍的性能差距。與數(shù)字系統(tǒng)追求極致性能相比，射頻系統(tǒng)一直在追求平衡，這是因?yàn)樯漕l系統(tǒng)會(huì)同時(shí)面臨著發(fā)射功率、信號(hào)的線性度和系統(tǒng)效率三者之間兩兩互斥的矛盾。

圖 | 射頻性能落后于通信發(fā)展需求，來(lái)源：得翼通信

具體來(lái)講，當(dāng)增大發(fā)射功率就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，網(wǎng)速急劇下降；而追求信號(hào)線性不失真又會(huì)降低系統(tǒng)效率，增加散熱負(fù)擔(dān)。幾十年來(lái)，射頻工程師們一直在元器件和系統(tǒng)中不斷研發(fā)，尋求以上三要素的最佳平衡。

用行內(nèi)一句話總結(jié)就是，射頻系統(tǒng)追求的目標(biāo)是在保證高 EVM/ACR 的同時(shí)，輸出盡可能高的信號(hào)發(fā)射功率和盡可能高的系統(tǒng)發(fā)射效率，它直接影響著性能和成本。

回到Wi-Fi“死角和卡頓”的問(wèn)題，一方面是由于以上提到的射頻器件發(fā)展跟不上基帶芯片發(fā)展步伐導(dǎo)致的；另一方面是由于路由器長(zhǎng)期插電運(yùn)行，在高溫環(huán)境下的運(yùn)行很容易導(dǎo)致器件老化，造成射頻阻抗的不匹配，并由此造成性能下降；此外在多設(shè)備組網(wǎng)的復(fù)雜場(chǎng)景中，設(shè)備之間協(xié)同要求高，相互干擾大。不僅要求單機(jī)性能提升，信號(hào)發(fā)射具備高的信噪比，同時(shí)還需要多機(jī)協(xié)同，大幅度降低帶外干擾，提高多機(jī)共存的可靠性，才能提高網(wǎng)絡(luò)的容量和整體運(yùn)行效果。

這些問(wèn)題都對(duì)射頻器件提出了更高的要求，然而當(dāng)前還沒(méi)有很好的辦法來(lái)改善射頻器件的這些問(wèn)題。即便是蘋(píng)果或谷歌這樣的科技巨頭，面對(duì)消費(fèi)電子的射頻性能提升今天也依然面臨著諸多約束。

直擊行業(yè)痛點(diǎn)，RPU給Wi-Fi加上“渦輪增壓”

面對(duì)以上射頻問(wèn)題，如果采用現(xiàn)有技術(shù)路徑開(kāi)展元器件的產(chǎn)品升級(jí)演進(jìn)的思路，隨著射頻器件技術(shù)難度的提升，生產(chǎn)和產(chǎn)品良率會(huì)更加依賴于供應(yīng)鏈，而不僅僅是設(shè)計(jì)。要滿足高端射頻對(duì)于工藝和材料的苛刻需求來(lái)保證良率，企業(yè)只能選擇重資產(chǎn)發(fā)展的路線。

這意味著，行業(yè)必須另辟蹊徑來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

在剛剛過(guò)去的2024 MWC上海上，筆者在得翼通信展臺(tái)看到了一種新的方案，即通過(guò)在復(fù)雜的信號(hào)鏈中引入 RPU（Radio Processing Unit）數(shù)字射頻增強(qiáng)處理器，將復(fù)雜的數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)小型化、輕量化來(lái)適應(yīng)消費(fèi)電子的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)功放線性化，滿足消費(fèi)電子射頻器件對(duì)大帶寬、高效率、高功率三要素的要求，同時(shí)基于閉環(huán)的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)功能可以從整系統(tǒng)的角度提高抗老化、器件良率和一致性的挑戰(zhàn)。

那么，RPU是一個(gè)全新的概念和架構(gòu)嗎？非也。

王子明提到了一個(gè)“用數(shù)字造射頻”的概念。事實(shí)上，在宏基站中早就有類(lèi)似的架構(gòu)，前面提到發(fā)射功率大了信號(hào)就容易失真，這是因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1469040.html">功率放大器本身原因決定的，而在宏基站中卻沒(méi)有所謂的帶寬和功率限制，其中原因是宏基站中的射頻器件只管發(fā)射功率，然后通過(guò)在射頻器件的前一級(jí)加上數(shù)字預(yù)失真芯片，相當(dāng)于一個(gè)射頻補(bǔ)償器，把失真的信號(hào)補(bǔ)償回來(lái)，從而輸出既干凈又高功率的信號(hào)。因此，我們作為用戶只要在宏基站的覆蓋范圍內(nèi)，并不會(huì)因?yàn)榫嚯x基站的遠(yuǎn)近而對(duì)帶寬產(chǎn)生強(qiáng)烈的感受。

圖 | RPU的核心是預(yù)失真補(bǔ)償技術(shù)，來(lái)源：得翼通信

值得一提的是，當(dāng)前宏基站中的射頻器件是市場(chǎng)流通的，但其數(shù)字前端芯片DFE都是通信大廠純自研的，屬于每一家主設(shè)備商在基站里面最核心的技術(shù)——數(shù)字預(yù)失真技術(shù)。

當(dāng)前，得翼通信做的就是把基站芯片做到消費(fèi)電子領(lǐng)域去，將宏基站性能級(jí)別的算法引入小功率基站、路由器等設(shè)備，通過(guò)降本、小型化和降低功耗，實(shí)現(xiàn)5G、Wi-Fi等無(wú)線通信領(lǐng)域的“渦輪增壓”。

當(dāng)然，這并不好做，因?yàn)閃i-Fi單根天線的吞吐量是大于基站單根天線吞吐量的，據(jù)說(shuō)得翼通信團(tuán)隊(duì)也是經(jīng)過(guò)了五年的潛心研發(fā)才有了今天的試樣產(chǎn)品，今年年底或可量產(chǎn)，而他們的CTO還是具有30年基站芯片研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的前諾基亞首席科學(xué)家。

RPU是如何工作的？有何特性？

以得翼通信的RPU功能測(cè)試板為例，從下圖中我們看到該測(cè)試板上排布著一系列的SMA接頭，這表明該射頻增強(qiáng)處理器是支持模擬射頻入，模擬射頻出的芯片。

圖 | RPU功能測(cè)試板（局部）, 圖片中央為RPU射頻增強(qiáng)處理器，來(lái)源：得翼通信

雖然它是模擬的接口，但是在RPU內(nèi)部其實(shí)運(yùn)行著大量的復(fù)雜的數(shù)字補(bǔ)償算法，包括削峰，鏡像校正和數(shù)字預(yù)失真等，使得跟它相連接的各種各樣的功率放大器可以得到一個(gè)很大的性能提升，包括百瓦級(jí)、 瓦級(jí)、毫瓦級(jí)等不同功率，LDMOS、GaN、GaAs等不同材料的功率放大器。

對(duì)此，王子明表示：“采用完全重構(gòu)的AI算法，再將其硬件化、芯片化，在實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算的同時(shí)，還能系統(tǒng)性降低能耗，解決計(jì)算復(fù)雜度與能耗成本之間的矛盾?！?/p>

據(jù)悉，傳統(tǒng)方案下，要將射頻性能提升10倍，成本可能要增加百倍以上，是指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)關(guān)系。但如果采用RPU，則系統(tǒng)成本只是稍有增加，還能長(zhǎng)時(shí)間降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，所以整體成本是不會(huì)增加的。

圖 | “Wi-Fi路由器+RPU”與傳統(tǒng)組網(wǎng)方案的效果對(duì)比，來(lái)源：得翼通信

此外，大家是否對(duì)RPU的放置位置有一些疑惑？事實(shí)上，它是和一系列的射頻器件串聯(lián)使用的。即信號(hào)先經(jīng)過(guò)RPU，進(jìn)行一系列的補(bǔ)償和校準(zhǔn)之后，再發(fā)送到射頻器件，經(jīng)由天線發(fā)射出信號(hào)。

其中，RPU會(huì)實(shí)時(shí)采集射頻器件的信號(hào)輸出，進(jìn)行不斷的閉環(huán)迭代，使得射頻器件無(wú)論在任何溫度、狀態(tài)和發(fā)射功率下，RPU都能進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，以保證射頻器件一直保持在最理想的工作性能狀態(tài)。

寫(xiě)在最后

事實(shí)上，現(xiàn)在很多基帶芯片廠商開(kāi)始推出帶DPD（數(shù)字預(yù)失真）功能的產(chǎn)品，來(lái)增強(qiáng)sub-6 GHz頻段范圍內(nèi)的Wi-Fi信號(hào)，這和RPU即是競(jìng)對(duì)關(guān)系，又能在產(chǎn)業(yè)推廣初期起到市場(chǎng)教育的作用。

而如果要將DPD和RPU進(jìn)行比較，那么對(duì)應(yīng)起來(lái)，就像是電腦中的集成顯卡和獨(dú)立顯卡之間的區(qū)別。

此外，根據(jù)得翼通信方面的消息，即將量產(chǎn)的RPU不僅可以用在Wi-Fi 路由器這樣的小功率但高調(diào)制 1024/4096QAM 的場(chǎng)景，也適用于 100W、400M 帶寬的宏基站場(chǎng)景。當(dāng)然，具體市場(chǎng)開(kāi)拓，還需要在市場(chǎng)磨合中不斷探索、進(jìn)步。