CN117560754B - 一种降低基站射频单元低负载功耗的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降低基站射频单元低负载功耗的系统，设置射频单元下行链路中，包括增益控制模块与开关电路；所述增益控制模块获取传输的信号功率以此确定通道状态，并实现信号进行增益和延迟控制，同时产生开关控制信号并提供至开关电路；开关电路，设置在驱动放大器与功率放大器之间，并分别与环形器和负载连接，用于接收开关控制信号，在中高负载通道状态时控制驱动放大器与功率放大器连通、负载和环形器连通；在低负载通道状态时控制驱动放大器和环形器直接连通，同时关闭功率放大器。本发明在低负载情况下改变下行链路的增益分配，关闭末级功率放大器，在不影响输出功率的情况下节省了末级功率放大器的全部静态功耗。

Description

一种降低基站射频单元低负载功耗的系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种降低基站射频单元低负载功耗的系统。

背景技术

随着绿色节能越来越受到重视，在无线通信基站领域，随着5G的有序展开，基站功耗的问题越来越受关注，绿色基站的趋势也越来越明显。对于设备厂家来说，基站中功耗最大的来源是射频单元。如何有效地降低基站射频单元功耗，成为运营商的核心关注点之一。

当我们考察射频单元在实际网络的运行时，由于业务量的动态变化，其功耗也随之发生变化。电信标准化组织规范约定的每日功耗典型计算模型如下：8小时忙时负载50%，10小时中等负载33% 以及6小时低负载5%；而在实际运营商的网络中，由于需要优先覆盖，实际低负载（<10%）运行大于10小时的射频单元数量甚至达到60%。可见在实际网络中不仅仅需要考虑较高负载的功耗，也需要考虑降低负载时的功耗。

在射频单元特别是广泛采用的主流宏基站设备中，50%以上的整机功耗来自于功率放大器，因此如何降低功率放大器的功耗存在持续广泛的研究。射频单元广泛采用Doherty架构的功放，近年也出现out-phasing等相关技术，围绕提高功率放大器本身的满载效率展开以降低射频单元功耗。同时在射频单元的功能角度，各个主流设备商提出了关闭部分通道以及深度睡眠等方式来降低射频单元的功耗。但是对于低负载运行下的功耗，相关的研究较少。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提供了一种降低基站射频单元低负载功耗的系统，通过监测通道的状态控改变下行链路的增益分配，在低负载通道状态时，改前级驱动放大器为末级输出放大器，在不影响输出功率的情况下节省了末级功率放大器的全部静态功耗。

本发明采用的技术方案如下：一种降低基站射频单元低负载功耗的系统，包括依次连接的前传连接及处理模块、数字上变频模块、峰值对消及预失真模块、数模转换模块、放大器、驱动放大器、功率放大器、环形器以及滤波器，所述功率放大器输出端还通过耦合器、模数转换模块连接至峰值对消及预失真模块，还包括：

增益控制模块，设置在数字上变频模块与峰值对消及预失真模块之间；所述增益控制模块获取前传连接及处理模块处理的符号功率，以此确定通道状态，并对数字上变频模块输出的信号进行增益和延迟控制，以及根据通道状态产生开关控制信号并提供至开关电路；其中，通道状态包括中高负载通道状态和低负载通道状态；

开关电路，设置在驱动放大器与功率放大器之间，并分别与环形器和负载连接，用于接收开关控制信号，在中高负载通道状态时控制驱动放大器与功率放大器连通、负载和环形器连通；在低负载通道状态时控制驱动放大器和环形器直接连通，同时关闭功率放大器。

进一步的，所述开关电路包括第一SPDT开关、第二SPDT开关；其中，

所述第一SPDT开关的输入端与驱动放大器输出端连接，第一SPDT开关的第一输出端与功率放大器的输入端连接，第一SPDT开关的第二输出端与第二SPDT开关的第一输入端连接，所述第二SPDT开关的第二输入端与负载连接，所述第二SPDT的输出端与环形器连接；所述第一SPDT开关和第二SPDT开关同时接收开关控制信号，并根据开关控制信号切换通路。

进一步的，所述增益控制模块包括功率统计及控制模块、第三SPDT开关、第四SPDT开关、中高负载通道增益模块、低负载通道增益模块；其中，

所述功率统计控制模块用于统计前传连接及处理模块处理缓存的数据，并统计符号功率，以此确定通道状态，并根据不同的通道状态产生对应增益控制信号和开关控制信号，其中，增益控制信号送至第三SPDT开关、第四SPDT开关，开关控制信号送至开关电路；

所述第三SPDT开关的输入端连接数字上变频模块输出端，第三SPDT开关的第一输出端依次经中高负载通道增益模块与第四SPDT开关的第一输入端连接，第三SPDT开关的第二输出端依次经低负载通道增益模块与第四SPDT开关的第二输入端连接，第四SPDT开关的输出端与峰值对消及预失真模块的输入端连接。

进一步的，所述增益控制模块还包括第一延迟模块和第二延迟模块，所述第一延迟模块设置在中高负载通道增益模块与第四SPDT开关的第一输入端之间，所述第二延迟模块设置在低负载通道增益模块与第四SPDT开关的第二输入端之间；所述第一延迟模块与第二延迟模块用于在通道状态切换时提供延迟，在通道状态未切换时提供延迟为0。

进一步的，所述增益控制模块中，在确定通道状态为中高负载时，产生增益控制信号控制第三SPDT开关的输入端与第一输出端连通、第四SPDT开关的第一输入端与输出端连通，产生中高负载通道状态开关控制信号至开关电路；在确定通道状态为低负载通道状态时，产生增益控制信号控制第三SPDT开关的输入端与第二输出端连通、第四SPDT开关的第二输入端与输出端连通，产生低负载通道状态开关控制信号至开关电路。

进一步的，所述开关电路接收到中高负载通道状态开关控制信号时，控制第一SPDT开关的输入端与第一输出端连通、第二SPDT开关的第二输入端与输出端连通；接收到低负载通道状态开关控制信号时，控制第一SPDT开关的输入端与第二输出端连通、第二SPDT开关的第一输入端与输出端连通。

进一步的，在中高负载通道状态时，从第一SPDT开关的输入端到第二SPDT开关的隔离至少比功率放大器增益大10dB以上。

进一步的，所述增益控制模块通过状态机实现通道状态的确认及切换，具体包括：

中高负载通道状态：系统启动时进入该状态；在基带信号功率大于等于TH1或每分钟切换次数大于等于N时，保持该状态；在基带信号功率小于TH1且每分钟切换次数小于N时，进入低负载通道状态；

低负载通道状态：在基带信号功率小于TH2且每分钟切换次数小于N时，保持该状态；在基带信号大于等于TH2或每分钟切换次数大于等于N时，进入中高负载通道状态；

其中，每分钟切换次数指第三SPDT开关或第四SPDT开关每分钟的切换次数， TH2大于TH1。

进一步的，该系统还包括匹配电路，设置在功率放大器与环形器之间，用于在处于低负载通道状态关闭功率放大器时提升驱动放大器到滤波器的功率，且不影响功率放大器满负载时的工作状态。

进一步的，所述匹配电路采用四分之一波长的50欧姆阻抗线实现。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明在低负载情况下改变下行链路的增益分配，关闭末级功率放大器，而改为前级驱动放大器作为末级输出放大器，在不影响输出功率的情况下节省了末级功率放大器的全部静态功耗。

附图说明

图1为射频单元典型下行链路示意图。

图2为典型Doherty功率放大器效率与输出功率的关系。

图3为本发明提出的降低基站射频单元低负载功耗的系统。

图4为本发明一实施例中的开关电路示意图。

图5为本发明一实施例中的增益控制模块示意图。

图6为本发明一实施例中的通道状态切换示意图。

图7为本发明一实施例中的低负载时信号走向示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

在介绍本发明实施例提出的一种降低基站射频单元低负载功耗的系统之前，先介绍射频单元典型下行链路组成，请参考图1，该下行链路包括依次连接的前传连接及处理模块、数字上变频模块、峰值对消及预失真模块、数模转换模块、放大器、驱动放大器、功率放大器、环形器以及滤波器，所述功率放大器输出端还通过耦合器、模数转换模块连接至峰值对消及预失真模块。其中，基带信号经过一系列数字信号处理，预失真模块和数模转换之后，分别经过放大器，驱动放大器和功率放大器的功率放大，达到预期的输出功率。应当注意，每级放大器可以根据实际情况设立不同数量的器件级联完 成。在功率放大器之后的环形器是为了确保功率放大器的工作状态稳定，包括第一端1、第二端2、第三端3，第一端接至功率放大器输出端，第二端接至滤波器，第三段接至负载。在功率放大器之后有一个耦合器，耦合发射信号经过模数转换后进入预失真模块，完成闭环的预失真算法。

通常为了实现旁路链路上某个器件，会在器件的前后增加开关电路。比如图1中期望旁路末级功率放大器，那么就需要在功率放大器输入端和输出端加上SPDT（Single PoleDouble Throw，单刀双掷）开关。但是对于功率放大器而言，在其后端增加一个开关会带来额外至少0.5dB的损耗，明显增加链路功耗；同时对于大于等于40W输出功率的射频单元来说，也很难找到低成本的能够长时间工作在如此大的功率条件下的通用开关器件。

对于功率放大器来说，由于其静态功耗的存在，其效率会随着输出功率的降低而明显下降，一个典型的Doherty功率放大器的效率与输出功率之间的关系如图2所示，因此，在低负载情况下，如10%负载，也就是相当于回退10dB功率时，前级驱动放大器通常已经能够承担相应的输出功率时，此时可以关闭功率放大器并改变下行链路的增益分配来节省。基于此，本发明实施例提出了一种降低基站射频单元低负载功耗的系统，请参考图3，在已有的下行链路中实现，主要包括增益控制模块和开关电路两部分，具体的：

增益控制模块，设置在数字上变频模块与峰值对消及预失真模块之间；所述增益控制模块获取前传连接及处理模块处理的符号功率，以此确定通道状态，并对数字上变频模块输出的信号进行增益和延迟控制，以及根据通道状态产生开关控制信号并提供至开关电路；其中，通道状态包括中高负载通道状态和低负载通道状态；

开关电路，设置在驱动放大器与功率放大器之间，并分别与环形器和负载连接，用于接收开关控制信号，在中高负载通道状态时控制驱动放大器与功率放大器连通、负载和环形器连通；在低负载通道状态时控制驱动放大器和环形器直接连通，同时关闭功率放大器。

请参考图4，本发明实施例提出一种开关电路的具体实现方式。

该开关电路包括第一SPDT（Single Pole Double Throw，单刀双掷，下同）开关、第二SPDT开关。所述第一SPDT开关的输入端3与驱动放大器输出端连接，第一SPDT开关的第一输出端1与功率放大器的输入端连接，第一SPDT开关的第二输出端2与第二SPDT开关的第一输入端1连接，所述第二SPDT开关的第二输入端2与负载连接，所述第二SPDT的输出端3与环形器连接；所述第一SPDT开关和第二SPDT开关同时接收开关控制信号，并根据增益控制模块提供的开关控制信号切换通路。

在一个实施例中，SPDT开关可以采用低成本的普通射频开关，能够承受最大约5W输出功率的射频开关是比较常用的器件。当射频单元处于中高负载通道状态时，第一SPDT开关的输入端3切换到第一输出端1，第二SPDT开关的输出端3切换到第二输出端2，确保了实现如图2所示的链路状态。需要指出的是在中高负载通道状态时，从第一SPDT开关的输入端3到第二SPDT开关的隔离需要至少比末级功率放大器增益大10dB以上以避免出现自激现象；当射频单元处于低负载通道状态时，第一SPDT开关的输入端3切换到第二输入端2，第二SPDT开关的输出端3切换到第一输入端1，信号经过两个SPDT开关之后进入环形器，最后输出到滤波器。此时，环形器不接负载，这是由于来的负载作用是保护具备高输出功率的功率放大器，驱动级的放大器对负载状态并不敏感。在一个实施例中，也可以额外增加环形器+负载来保护驱动放大器，但是这样会增加成本。第一SPDT开关和第二SPDT开关的切换速度和功率放大器的关闭速度类似，可以达到50ns以内的级别，以实现快速的动态切换。

请参考图5，本发明实施例还提出了一种增益控制模块的实现方式。

增益控制模块主要是基于从数字信号处理部分获取的功率信息，进行相应的增益调整并进行相应的时延调整，确保动态切换时信号的时延保持在可接受的变化范围内。该增益控制模块包括功率统计及控制模块、第三SPDT开关、第四SPDT开关、中高负载通道增益模块、低负载通道增益模块；其中，

功率统计控制模块用于统计前传连接及处理模块处理缓存的数据，并统计符号功率，以此确定通道状态，并根据不同的通道状态产生对应增益控制信号和开关控制信号，其中，增益控制信号送至第三SPDT开关、第四SPDT开关，开关控制信号送至开关电路；

第三SPDT开关的输入端连接数字上变频模块输出端，第三SPDT开关的第一输出端依次经中高负载通道增益模块与第四SPDT开关的第一输入端连接，第三SPDT开关的第二输出端依次经低负载通道增益模块与第四SPDT开关的第二输入端连接，第四SPDT开关的输出端与峰值对消及预失真模块的输入端连接。

由于前传连接部分在数据处理时会一段时间的数据，如两个符号长度，典型时间约140us的长度，因此，在缓存时可以通过增益控制模块的功率统计模块统计每个符号的功率，提前预知将会发射的符号功率，进行判决确定通道状态，考虑到实际减少功耗的收益主要来自于关闭末级功率放大器，本实施例中仅包括中高负载通道状态和低负载通道状态两种通道状态，功率统计控制模块根据两种通道状态产生不同的控制信号，在中高负载通道状态时，产生中高负载通道状态增益控制信号与中高负载通道状态开关控制信号；在低负载通道状态时，产生低负载通道状态增益控制信号与低负载通道状态开关控制信号。

对于第三SPDT开关、第四SPDT开关，在接收到中高负载通道状态增益控制信号时，控制第三SPDT开关的输入端与第一输出端连通、第四SPDT开关的第一输入端与输出端连通。在接收到低负载通道状态增益控制信号时，控制第三SPDT开关的输入端与第二输出端连通、第四SPDT开关的第二输入端与输出端连通。

而对于开关电路，在接收到中高负载通道状态开关控制信号时，控制第一SPDT开关的输入端3切换到第一输出端1，第二SPDT开关的输出端3切换到第二输出端2。在接收低负载通道状态开关控制信号第一SPDT开关的输入端切换到第二输入端2，第二SPDT开关的输出端3切换到第一输入端1。

应当注意，本实施例中，中高负载通道增益模块、低负载通道增益模块所提供的增益是根据实际的电路校准得到的值，每一台设备在生产校准时会获得不同的增益补偿值。

请继续参考图5，在一个实施例中，增益控制模块还包括第一延迟模块和第二延迟模块，其中，第一延迟模块设置在中高负载通道增益模块与第四SPDT开关的第一输入端之间，第二延迟模块设置在低负载通道增益模块与第四SPDT开关的第二输入端之间。

第一延迟模块与第二延迟模块主要用于确保当发生状态切换时，控制数据的输出时间，避免造成切换的过冲，损坏器件。因此，本实施例中第一延迟模块与第二延迟模块只会在通道状态切换时（或者说SPDT开关通路切换时）提供延迟T1和T2。在未切换时所提供的延迟T1=T2=0。实际应用是，根据模拟开关稳定的时间以及尽量减少对系统时延影响角度，设置T1和T2为一个适当的值。

请参考图6，本实施例中，增益控制模块通过状态机实现通道状态的确认及切换，具体的：

中高负载通道状态：系统启动时进入该状态；在基带信号功率大于等于TH1或每分钟切换次数大于等于N时，保持该状态；在基带信号功率小于TH1且每分钟切换次数小于N时，进入低负载通道状态；

低负载通道状态：在基带信号功率小于TH2且每分钟切换次数小于N时，保持该状态；在基带信号大于等于TH2或每分钟切换次数大于等于N时，进入中高负载通道状态；

其中，每分钟切换次数是指正常工作后，每分钟因为负载变化导致切换的累计次数，可以通过获取第三或第四SPDT开关的切换次数进行获取，每切换一次计数一次，TH2大于TH1。

以基带信号功率为基准进行通道状态的切换控制，同时为了避免过于频繁的切换带来的潜在网络性能影响，设定每分钟的切换次数N不超过一定的次数。

以一个具体的40W输出典型射频单元为例，参数设定如表1所示：

表1 参数设定

在一个实施例中，该降低基站射频单元低负载功耗的系统还包括一个可选的匹配电路，其主要时为了低负载通道状态关闭功率放大器时，提升驱动放大器输出到滤波器的功率，该匹配电路设置在功率放大器与环形器之间。

请参考图7，在低负载通道状态下，驱动放大器输出的信号直接送至环形器的第三端3，经环形器后，信号从功率放大器的输出口反射回到环形器的第一端1，最后从环形器的第二端2输出到滤波器。由于此时功率放大器处于关闭状态，通常其接近于射频开路，如果实际电路没有达到预期时，可以通过匹配电路进行调整，此匹配电路不影响满负载时功率放大器的工作状态，另外需要指出的是，此时耦合电路仍然可以使用满负载时的电路，以保证预失真算法的一致性。

在一个优选实施例中，匹配电路采用四分之一波长的50欧姆阻抗线实现。

基于业界普遍的40W输出单通道射频单元为例，在基带功率为低负载情况时，对于采用本发明提出的系统进行控制和不采用该系统时的功耗进行对比，具体如表2所示：

表2典型单通道功耗比较

可以看到，采用本发明的功耗得到明显降低。需要指出的是，在实际射频单元设计中，如果我们可以根据实际的器件选型，配置不同的参数，可能支持0-20%左右的不同负载区间，在不额外增加满载功耗的前提下支持更大的适用负载区间。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种降低基站射频单元低负载功耗的系统，包括依次连接的前传连接及处理模块、数字上变频模块、峰值对消及预失真模块、数模转换模块、放大器、驱动放大器、功率放大器、环形器以及滤波器，所述功率放大器输出端还通过耦合器、模数转换模块连接至峰值对消及预失真模块，其特征在于，还包括：

增益控制模块，设置在数字上变频模块与峰值对消及预失真模块之间；所述增益控制模块获取前传连接及处理模块处理的符号功率，以此确定通道状态，并对数字上变频模块输出的信号进行增益和延迟控制，以及根据通道状态产生开关控制信号并提供至开关电路；其中，通道状态包括中高负载通道状态和低负载通道状态；

开关电路，设置在驱动放大器与功率放大器之间，并分别与环形器和负载连接，用于接收开关控制信号，在中高负载通道状态时控制驱动放大器与功率放大器连通、负载和环形器连通；在低负载通道状态时控制驱动放大器和环形器直接连通，同时关闭功率放大器；

所述开关电路包括第一SPDT开关、第二SPDT开关；其中，

所述第一SPDT开关的输入端与驱动放大器输出端连接，第一SPDT开关的第一输出端与功率放大器的输入端连接，第一SPDT开关的第二输出端与第二SPDT开关的第一输入端连接，所述第二SPDT开关的第二输入端与负载连接，所述第二SPDT的输出端与环形器连接；所述第一SPDT开关和第二SPDT开关同时接收开关控制信号，并根据开关控制信号切换通路；

所述增益控制模块包括功率统计及控制模块、第三SPDT开关、第四SPDT开关、中高负载通道增益模块、低负载通道增益模块；其中，

所述功率统计控制模块用于统计前传连接及处理模块处理缓存的数据，并统计符号功率，以此确定通道状态，并根据不同的通道状态产生对应增益控制信号和开关控制信号，其中，增益控制信号送至第三SPDT开关、第四SPDT开关，开关控制信号送至开关电路；

所述第三SPDT开关的输入端连接数字上变频模块输出端，第三SPDT开关的第一输出端依次经中高负载通道增益模块与第四SPDT开关的第一输入端连接，第三SPDT开关的第二输出端依次经低负载通道增益模块与第四SPDT开关的第二输入端连接，第四SPDT开关的输出端与峰值对消及预失真模块的输入端连接；

所述增益控制模块中，在确定通道状态为中高负载时，产生增益控制信号控制第三SPDT开关的输入端与第一输出端连通、第四SPDT开关的第一输入端与输出端连通，产生中高负载通道状态开关控制信号至开关电路；在确定通道状态为低负载通道状态时，产生增益控制信号控制第三SPDT开关的输入端与第二输出端连通、第四SPDT开关的第二输入端与输出端连通，产生低负载通道状态开关控制信号至开关电路；

所述开关电路接收到中高负载通道状态开关控制信号时，控制第一SPDT开关的输入端与第一输出端连通、第二SPDT开关的第二输入端与输出端连通；接收到低负载通道状态开关控制信号时，控制第一SPDT开关的输入端与第二输出端连通、第二SPDT开关的第一输入端与输出端连通。

2.根据权利要求1所述的降低基站射频单元低负载功耗的系统，其特征在于，所述增益控制模块还包括第一延迟模块和第二延迟模块，所述第一延迟模块设置在中高负载通道增益模块与第四SPDT开关的第一输入端之间，所述第二延迟模块设置在低负载通道增益模块与第四SPDT开关的第二输入端之间；所述第一延迟模块与第二延迟模块用于在通道状态切换时提供延迟，在通道状态未切换时提供延迟为0。

3.根据权利要求1所述的降低基站射频单元低负载功耗的系统，其特征在于，在处于中高负载通道状态时，从第一SPDT开关的输入端到第二SPDT开关的隔离至少比功率放大器增益大10dB以上。

4.根据权利要求1所述的降低基站射频单元低负载功耗的系统，其特征在于，所述增益控制模块通过状态机实现通道状态的确认及切换，具体包括：

中高负载通道状态：系统启动时进入该状态；在基带信号功率大于等于TH1或每分钟切换次数大于等于N时，保持该状态；在基带信号功率小于TH1且每分钟切换次数小于N时，进入低负载通道状态；

低负载通道状态：在基带信号功率小于TH2且每分钟切换次数小于N时，保持该状态；在基带信号大于等于TH2或每分钟切换次数大于等于N时，进入中高负载通道状态；

其中，每分钟切换次数指第三SPDT开关或第四SPDT开关每分钟的切换次数，TH2大于TH1。

5.根据权利要求1所述的降低基站射频单元低负载功耗的系统，其特征在于，还包括匹配电路，设置在功率放大器与环形器之间，用于在处于低负载通道状态关闭功率放大器时提升驱动放大器到滤波器的功率，且不影响功率放大器满负载时的工作状态。

6.根据权利要求5所述的降低基站射频单元低负载功耗的系统，其特征在于，所述匹配电路采用四分之一波长的50欧姆阻抗线实现。