Femto基站及其射頻方案

要：本篇應(yīng)用筆記討論3G femto基站的開(kāi)發(fā)和部署。同時(shí)還討論最后一英里接入技術(shù)的市場(chǎng)定位及技術(shù)挑戰(zhàn)，3G femto基站在其中被認(rèn)為是最好的解決方案。最后介紹了Maxim兼容3GPP TS25.104的射頻方案。

關(guān)于部署3G femto基站

3GPP定義第三代移動(dòng)通信的目的是要為客戶提供全方位的移動(dòng)多媒體體驗(yàn)。但很多條件下，這一目的并未實(shí)現(xiàn)，尤其是在邊遠(yuǎn)地區(qū)或居民聚集區(qū)。

一個(gè)可行的解決方案是在家庭范圍內(nèi)部署無(wú)需宏node-B基站即可提供最大移動(dòng)數(shù)據(jù)速率的家用基站，根據(jù)功率它們被稱為“毫微微蜂窩(femto)”基站。

• +45dBm：能夠覆蓋室外大約5km的宏基站
• +30dBm：能夠覆蓋大約0.5km的微蜂窩基站
• +15dBm：能夠覆蓋室內(nèi)大約50米范圍的femto基站

Femto家用基站通過(guò)公共交換電話網(wǎng)與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)相連，這通?？衫萌霊舻腄SL。手機(jī)僅同家中的femto基站通訊，從而可將該用戶與宏蜂窩完全斷開(kāi)。

在后面的段落里，我們將回顧部署femto家用基站的依據(jù)，并介紹Maxim射頻解決方案的諸多關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

提高蜂窩覆蓋范圍的一般性考慮

移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須在手機(jī)電池工作時(shí)間、手機(jī)計(jì)算能力、基站用戶負(fù)載之間作一定的權(quán)衡。另外，移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)也在隨移動(dòng)終端DSP計(jì)算性能持續(xù)進(jìn)步而發(fā)生變化，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商緊跟這一趨勢(shì)，不斷提供更多更好的多媒體服務(wù)，以期帶來(lái)更多的用戶并增加收入。而用戶最終也將獲得“無(wú)處不在”的移動(dòng)接入能力。例如，在每年新增1億手機(jī)客戶的利益驅(qū)動(dòng)下建立的新型供應(yīng)鏈具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，并有助于保持極高的性價(jià)比。

寬帶無(wú)線與蜂窩移動(dòng)通信

與蜂窩移動(dòng)通信同時(shí)發(fā)展的還有寬帶無(wú)線網(wǎng)，開(kāi)始是一些咖啡屋為在附近停車(chē)或停留的客戶提供802.11互聯(lián)網(wǎng)接入的Wi-Fi服務(wù)，后來(lái)，一些城市建立了實(shí)驗(yàn)性的城域Wi-Fi網(wǎng)為城市核心區(qū)提供寬帶無(wú)線接入。這一模式的成功導(dǎo)致2004年出現(xiàn)了另一個(gè)更好的寬帶無(wú)線系統(tǒng)，即802.16 WiMAX (韓國(guó)叫作WiBro)，希望提供“城域?qū)拵o(wú)線接入”服務(wù)。

由于采用OFDM代替單載波，這些寬帶系統(tǒng)能夠克服城市中的多徑干擾，但卻需要4倍的發(fā)射功率。這是由于采用了OFDM的802.16d的峰均值比(pk-avg)為大約11dB，而WCDMA 3GPP的pk-avg僅為5dB。Intel®支持將WiMAX作為超便攜PC (UMPC)的無(wú)線連接方式，超便攜PC的外形尺寸大概相當(dāng)于6個(gè)手機(jī)，所以可以使用WiMAX服務(wù)，但對(duì)于超薄/翻蓋手機(jī)來(lái)說(shuō)，WiMAX需要的電池太大了。

發(fā)射塔的建設(shè)

對(duì)于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)和WiMAX來(lái)說(shuō)，發(fā)射塔的建設(shè)和占地都是一個(gè)問(wèn)題。征地費(fèi)用和市政規(guī)劃對(duì)“丑陋”基站的限制意味著建設(shè)新發(fā)射塔的速度對(duì)兩種系統(tǒng)都是一樣的。但是，蜂窩移動(dòng)通信的運(yùn)營(yíng)商在WiMAX出現(xiàn)前20年就已開(kāi)始建設(shè)發(fā)射塔了，所以在發(fā)射塔覆蓋和新建發(fā)射塔方面拔得頭籌。

那里適合寬帶有線接入

寬帶有線接入服務(wù)與固定接入的WiMAX直接競(jìng)爭(zhēng)，寬帶有線接入通常包括光纖到戶(PON)，電話線DSL，以及有線電視互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)。在“第一世界”國(guó)家，這些服務(wù)可從以前建立的復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施中受益，PON是一個(gè)新技術(shù)，但由于區(qū)域性電信運(yùn)營(yíng)商(LEC)已經(jīng)投入了大量資金進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，只有在舊的銅纜系統(tǒng)需要更換時(shí)才考慮使用光纖系統(tǒng)。

對(duì)于femto基站的部署來(lái)說(shuō)，這些接入服務(wù)是必需的，但卻可以免費(fèi)獲得，關(guān)于這一點(diǎn)，我們將在下面的章節(jié)中作更多的討論。

Femto基站的實(shí)現(xiàn)

圖1將通過(guò)node-B宏基站接入的傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)與femto基站進(jìn)行了對(duì)比。


圖1. 傳統(tǒng)node-B宏蜂窩移動(dòng)接入與femto基站連接

圖1左側(cè)是傳統(tǒng)從手機(jī)到基站的直連方式。在這里我們用一個(gè)木屋進(jìn)行示意，其對(duì)射頻信號(hào)損耗相對(duì)較低，同時(shí)假設(shè)其離宏基站的距離相對(duì)較近。

圖1右側(cè)是混凝土高層公寓，公寓中安裝有femto基站。Femto基站通過(guò)有線DSL接入網(wǎng)絡(luò)。如圖中所示，宏基站到高層公寓的信號(hào)很弱，femto基站作為“私有、專(zhuān)用基站”，不與宏基站進(jìn)行通信。

需要指出的一點(diǎn)是現(xiàn)在許多基帶DSP供應(yīng)商都可提供成熟方案，使femto基站能夠克服宏基站和其它femto基站信號(hào)的干擾，這一點(diǎn)對(duì)femto基站來(lái)說(shuō)很重要。

Femto基站可以克服蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的許多缺點(diǎn)

容量限制

傳統(tǒng)的宏蜂窩基站在很多用戶都試圖打電話的時(shí)通常是容量受限的，系統(tǒng)按統(tǒng)計(jì)學(xué)原理設(shè)計(jì)，采用了流量排隊(duì)算法來(lái)處理既定時(shí)間內(nèi)的既定呼叫數(shù)。因此，長(zhǎng)時(shí)間的通話將會(huì)降低繁忙通話時(shí)間的呼叫總數(shù)。

另外，當(dāng)基站為位于邊界附近的手機(jī)提供服務(wù)時(shí)，宏基站將不得不增加發(fā)射功率, 這會(huì)影響為其他客戶服務(wù)的動(dòng)態(tài)范圍。所以，邊界附近的手機(jī)呼叫也會(huì)降低總呼叫容量因?yàn)樗麄儠?huì)壓縮基站發(fā)射的動(dòng)態(tài)范圍(見(jiàn)圖2)。


圖2. 呼叫距離對(duì)宏基站發(fā)射功率的影響

這兩個(gè)因素限制了宏基站的用戶容量，因此，也會(huì)影響運(yùn)營(yíng)商的收入，并最終導(dǎo)致新用戶的減少。

基于DSL的家用基站

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有一半的手機(jī)呼叫來(lái)自于室內(nèi)，很多用戶都抱怨在混凝土結(jié)構(gòu)的公寓中接收信號(hào)不理想。

圖3所示為兩類(lèi)建筑的路徑損耗，由于許多3G手機(jī)需要高于-110dBm的接收功率才能實(shí)現(xiàn)可靠的IP數(shù)據(jù)服務(wù)，可以看出，在混凝土建筑中，接收靈敏度已經(jīng)低至無(wú)法為客戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)的程度。


圖3. 兩類(lèi)建筑的路徑損耗

與此同時(shí)，大家可以看到DSL在歐洲已經(jīng)被采納，在美國(guó)已經(jīng)非常成熟了，在包括中國(guó)的亞太地區(qū)也被廣泛的應(yīng)用，新型的DSL調(diào)制解調(diào)器能夠與此服務(wù)配套。

許多美國(guó)和歐洲的手機(jī)用戶家中都有無(wú)繩電話(POTS或IP電話), DSL或cable modem計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)接入, TV, Wi-Fi等。3G手機(jī)運(yùn)營(yíng)商希望推出最有競(jìng)爭(zhēng)力的多媒體服務(wù)與這些服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)。

圖4所示為femto基站與家庭Wi-Fi共存，取代無(wú)繩電話的情景。


圖4. Femto基站與家庭Wi-Fi接入共存

Maxim的femto基站射頻收發(fā)芯片組

Maxim的femto基站參考設(shè)計(jì)V8.0可以滿足TS25.104對(duì)WCDMA band class 1的要求，該RF芯片組包括兩片帶Σ-Δ位流數(shù)字接口的RF收發(fā)器，可直接與基帶DSP/調(diào)制解調(diào)器互聯(lián)。收發(fā)器使用降低幅度的LVDS接口，濾波器在基帶DSP/調(diào)制解調(diào)器中實(shí)現(xiàn)，射頻部分可通過(guò)軟件配置。

這是一個(gè)射頻收發(fā)器部分的完整參考設(shè)計(jì)，接收芯片內(nèi)集成的LNA支持發(fā)送監(jiān)視模式，圖5是參考設(shè)計(jì)電路板照片。


圖5. Maxim femto基站參考設(shè)計(jì)

可以滿足UTRA Band 1 femto基站標(biāo)準(zhǔn)(3GPP TS25.104)

Femto基站的主要要求如表1所示，對(duì)WCDMA femto基站來(lái)說(shuō)，同時(shí)滿足TS25.104對(duì)發(fā)送和接收動(dòng)態(tài)范圍的要求比滿足TS25.101對(duì)手機(jī)的要求困難的多，差距至少有10dB。但是，由于預(yù)計(jì)的產(chǎn)量很大，所以對(duì)集成度和BOM成本的要求又要做到和手機(jī)類(lèi)似。因此，理想的系統(tǒng)最好采用低成本高集成度的手機(jī)芯片組設(shè)計(jì)，但在收/發(fā)與手機(jī)相反的頻帶內(nèi)保持高性能(基站應(yīng)用)。

表1. TS25.104主要要求

Uplink Requirements
Description	Specification	Condition
Frequency band	1920MHz to 1980MHz	Band 1
Rx sensitivity	-107dBm	12.2kbps data rate, BER shall not exceed 0.001%
Adjacent channel selectivity (ACS)	-101dBm	-38dBm, 5MHz offset WCDMA modulated interfering signal
Blocking (1900MHz to 2000MHz)	-101dBm	-30dBm (min), 10MHz offset WCDMA modulated interfering signal
Blocking (1MHz to 12,750MHz, except 1900MHz to 2000MHz)	-101dBm	-15dBm CW carrier
Intermodulation	-101dBm	-38dBm, 10Mhz offset CW signal and -38dBm, 20Mhz offset WCDMA signal
Downlink Requirements
Description	Specification	Condition
Frequency band	2110MHz to 2170MHz	Band 1
Maximum output power	Less than +24dBm	—
Adjacent channel leakage ratio (ACLR)	-45dB/-50dB	Offset frequency 5MHz/10MHz
Error vector magnitude	17.5%/12.5%	QPSK/16QAM, RMS

例如在接收通道，用于測(cè)量ADC的5MHz帶內(nèi)偏移干擾要求做到-38dBm，比對(duì)手機(jī)-52dBm的要求苛刻的多。同樣，用來(lái)測(cè)試通道選擇性的10MHz帶內(nèi)偏移干擾要求做到-30dBm，而手機(jī)僅要求-56dBm。因此，接收器必須具有更高的IIP2和IIP3性能。

對(duì)femto基站發(fā)射機(jī)線性的要求也比對(duì)手機(jī)要求苛刻，對(duì)于WCDMA手機(jī)來(lái)說(shuō)，ACPR金要求-33dBm，但是TS25.104 femto基站要-45dBm。

系統(tǒng)性能測(cè)試和分析

接收靈敏度是一個(gè)重要的系統(tǒng)指標(biāo)，受RF通道的信號(hào)質(zhì)量和基帶調(diào)制解調(diào)器DSP處理能力的影響較大，在最小輸入信號(hào)條件下，RF通道質(zhì)量受接收器噪聲(即NF)的影響。

接收靈敏度可通過(guò)系統(tǒng)NF計(jì)算。在靈敏度計(jì)算中，(基帶解調(diào)器) BER為0.001%的QPSK信號(hào)要求E_b/N_o為7.5dB，靈敏度可根據(jù)下式計(jì)算：

參考靈敏度 = KTB + NF + (E_b / N_o) - PG

其中：
BW = 3.84MHz碼率
KTB = -174dBm/Hz + 10 log(3.84MHz) = -108.13dBm
PG = 相對(duì)于擴(kuò)展頻帶的12.2kbps比特率 = 10log(3.84MHz/12.2kbps) = 25dB

如果NF為10.5dB，靈敏度為：
-108.13dBm + 10.5dB + 7.5dB - 25dB = -115.13dBm

ACS和阻塞性能可以用同樣的方法計(jì)算，在指定干涉條件下測(cè)量系統(tǒng)NF。這里的靈敏度差一些是因?yàn)楦缮嬖黾恿嗽肼暋?br>
Tx性能用TS25.141 Test Model 1 (TM1)指定的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。TM1信號(hào)模擬真實(shí)通信場(chǎng)景，可能峰均比會(huì)稍高些。

最大功率在3.84MHz的WCDMA帶寬內(nèi)測(cè)試，ACLR在5MHz偏移處測(cè)得。本參考設(shè)計(jì)發(fā)送ACLR的性能取決于外部PA。

Femto基站參考設(shè)計(jì)V8.0 UTRA Band 1性能測(cè)試結(jié)果

表2. V8.0參考設(shè)計(jì)性能

Uplink Requirements
Description	Specification	Maxim's Radio Performance
Frequency band	1920MHz to 1980MHz	Band 1
Rx sensitivity	-107dBm	Exceeds
ACS	-101dBm	Exceeds
Blocking (1900MHz to 2000MHz)	-101dBm	Passes
Blocking (1MHz to 12,750MHz, except 1900MHz to 2000MHz)	-101dBm	Passes
Intermodulation	-101dBm	Passes
Downlink Requirements
Description	Specification	Measured Performance
Frequency band	2110MHz to 2170MHz	Band 1
Maximum output power	Less than +24dBm	Passes
ACLR	-45dB/-50dB	Exceeds
Error vector magnitude	17.5%/12.5%	Exceeds

圖6. 輸出功率為+17dBm的TM1 64DPCH信號(hào)ACLR


圖7. 輸出功率為+17dBm的TM1 64DPCH信號(hào)EVM

結(jié)論

Femto基站將為在家中的手機(jī)用戶帶來(lái)更好的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。為在接近手機(jī)成本的前提下滿足基站苛刻的性能要求，電路設(shè)計(jì)將會(huì)更困難。而Maxim的femto基站芯片組既能滿足3GPP TS25.104關(guān)鍵指標(biāo)性能的要求，又可滿足對(duì)BOM成本的要求。

Intel是Intel Corporation的注冊(cè)商標(biāo)。