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Wi-Fi的普及度有多廣。

根據(jù)Wi-Fi聯(lián)盟的預(yù)測，2024年全球?qū)⒂袛?shù)十億人和180億臺設(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。

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)流量已超過蜂窩流量，且成為流量增量貢獻最大的接入方式。

然而所有的Wi-Fi路由器在出廠時都不會標注在多遠的距離之上有多大的帶寬，這也是為什么當我們“關(guān)門吃西瓜就可能出現(xiàn)手機發(fā)熱，甚至視頻卡頓” 的原因所在。

事實上，Wi-Fi的穿墻問題一直普遍存在，那么到底是什么原因?qū)е铝诉@項性能桎梏呢？

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核心組件。

基帶芯片作為設(shè)備的數(shù)字中樞，承擔著數(shù)據(jù)處理和通信協(xié)議的管理工作，確保信息的準確編碼和解碼，以及高效的協(xié)議執(zhí)行。而射頻芯片則扮演著無線通信的引擎角色，負責將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為無線信號，通過精細的放大和頻率控制，實現(xiàn)信號的穩(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設(shè)備多遠之后，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，與其形成鮮明對比的是射頻系統(tǒng)的發(fā)展，幾乎可以用“停滯不前”來形容。

圖 | 得翼通信創(chuàng)始人&CEO王子明，來源：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諾基亞手機中的射頻器件用的是GaAs材料，今天包括蘋果等手機大廠在內(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?！?/p>

“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，對于射頻器件來講，良率極度依賴于供應(yīng)鏈，在量產(chǎn)過程中依舊會受材料、生產(chǎn)環(huán)境等因素影響，不太可控。” 王子明補充道。

事實上，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，這是因為射頻系統(tǒng)會同時面臨著發(fā)射功率、信號的線性度和系統(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，來源：得翼通信

具體來講，當增大發(fā)射功率就會導(dǎo)致信號失真，網(wǎng)速急劇下降；而追求信號線性不失真又會降低系統(tǒng)效率，增加散熱負擔。幾十年來，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)追求的目標是在保證高 EVM/ACR 的同時，輸出盡可能高的信號發(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期插電運行，在高溫環(huán)境下的運行很容易導(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)雜場景中，設(shè)備之間協(xié)同要求高，相互干擾大。不僅要求單機性能提升，信號發(fā)射具備高的信噪比，同時還需要多機協(xié)同，大幅度降低帶外干擾，提高多機共存的可靠性，才能提高網(wǎng)絡(luò)的容量和整體運行效果。

這些問題都對射頻器件提出了更高的要求，然而當前還沒有很好的辦法來改善射頻器件的這些問題。即便是蘋果或谷歌這樣的科技巨頭，面對消費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，RPU給Wi-Fi加上“渦輪增壓”

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

這意味著，行業(yè)必須另辟蹊徑來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

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

那么，RPU是一個全新的概念和架構(gòu)嗎？非也。

王子明提到了一個“用數(shù)字造射頻”的概念。事實上，在宏基站中早就有類似的架構(gòu)，前面提到發(fā)射功率大了信號就容易失真，這是因為功率放大器本身原因決定的，而在宏基站中卻沒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，然后通過在射頻器件的前一級加上數(shù)字預(yù)失真芯片，相當于一個射頻補償器，把失真的信號補償回來，從而輸出既干凈又高功率的信號。因此，我們作為用戶只要在宏基站的覆蓋范圍內(nèi)，并不會因為距離基站的遠近而對帶寬產(chǎn)生強烈的感受。

圖 | RPU的核心是預(yù)失真補償技術(shù)，來源：得翼通信

值得一提的是，當前宏基站中的射頻器件是市場流通的，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)。

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

當然，這并不好做，因為Wi-Fi單根天線的吞吐量是大于基站單根天線吞吐量的，據(jù)說得翼通信團隊也是經(jīng)過了五年的潛心研發(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)驗的前諾基亞首席科學家。

RPU是如何工作的？有何特性？

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

圖 | RPU功能測試板（局部）, 圖片中央為RPU射頻增強處理器，來源：得翼通信

雖然它是模擬的接口，但是在RPU內(nèi)部其實運行著大量的復(fù)雜的數(shù)字補償算法，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很大的性能提升，包括百瓦級、 瓦級、毫瓦級等不同功率，LDMOS、GaN、GaAs等不同材料的功率放大器。

對此，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，在實現(xiàn)高速計算的同時，還能系統(tǒng)性降低能耗，解決計算復(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)級的增長關(guān)系。但如果采用RPU，則系統(tǒng)成本只是稍有增加，還能長時間降低系統(tǒng)運行功耗，延長設(shè)備的使用壽命，所以整體成本是不會增加的。

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

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

其中，RPU會實時采集射頻器件的信號輸出，進行不斷的閉環(huán)迭代，使得射頻器件無論在任何溫度、狀態(tài)和發(fā)射功率下，RPU都能進行實時校準，以保證射頻器件一直保持在最理想的工作性能狀態(tài)。

寫在最后

事實上，現(xiàn)在很多基帶芯片廠商開始推出帶DPD（數(shù)字預(yù)失真）功能的產(chǎn)品，來增強sub-6 GHz頻段范圍內(nèi)的Wi-Fi信號，這和RPU即是競對關(guān)系，又能在產(chǎn)業(yè)推廣初期起到市場教育的作用。

而如果要將DPD和RPU進行比較，那么對應(yīng)起來，就像是電腦中的集成顯卡和獨立顯卡之間的區(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 的場景，也適用于 100W、400M 帶寬的宏基站場景。當然，具體市場開拓，還需要在市場磨合中不斷探索、進步。