第四代無(wú)線(xiàn)基礎架構的離散式 SerDes 解決方案

高端智能型手機與其供應生態(tài)系統顯現出一個(gè)事實(shí)：消費者需要的移動(dòng)寬帶及應用必須能協(xié)助他們緊密地鏈接信息、家人與好友。因此，移動(dòng)寬帶已成為現今電信產(chǎn)業(yè)成長(cháng)最顯著(zhù)的部分。即使經(jīng)濟成長(cháng)趨緩，電信業(yè)者近年來(lái)在無(wú)線(xiàn)數據方面的營(yíng)收仍大幅增加。Netbook及HSDPA-USB接口連接裝置的迅速成長(cháng)也顯示出消費者在任何地方都需要寬帶，而不只限于住家及辦公室內。

消費者使用移動(dòng)裝置存取數據時(shí)，仍會(huì )因為下載速度過(guò)慢及圖形顯示效果不佳而感到不便。視頻博客及在線(xiàn)游戲等應用需要較快的連接速度及較短的延遲。更快速穩定的聯(lián)機有助于云端運算相關(guān)應用的開(kāi)發(fā)，而且移動(dòng)辦公室應用將不會(huì )因為硬件處理能力而受到限制。

在43億的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)中，大約有80%是單純使用語(yǔ)音的GSM用戶(hù)。因此行動(dòng)系統供貨商十分看好未來(lái)510年吸引30億的使用者申辦移動(dòng)寬帶的成長(cháng)商機。IPTV及數字相機等具有移動(dòng)寬帶連接功能且可實(shí)現新型服務(wù)的裝置也可能帶來(lái)如此的成長(cháng)，進(jìn)而提高移動(dòng)通信商的收益。

為應對愈來(lái)愈多的需求并且提供更快更穩的聯(lián)機及更短的延遲時(shí)間，全球網(wǎng)絡(luò )業(yè)者希望能夠建立4G網(wǎng)絡(luò )，而LTE是全球這方面的首例。

● LTE規格可提供超過(guò)100Mbps的最高下行鏈路(下傳)速率與超過(guò)50Mbps的上行鏈路(反傳)，以及往返延遲低于10ms的無(wú)線(xiàn)電存取網(wǎng)絡(luò )(RAN)。

● LTE也運用波束形成(beam forming)等進(jìn)階天線(xiàn)技術(shù)概念來(lái)擴大涵蓋范圍。透過(guò)多層天線(xiàn)解決方案可達到高尖峰數據速率，例如，2×2或4×4多重輸入與多重輸出(MIMO)。

雖然出現了具備所有絕佳功能的新標準，無(wú)線(xiàn)及行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )業(yè)者也必須持續面對投資成本及網(wǎng)絡(luò )建置的挑戰，以符合未來(lái)對于帶寬的激增需求。網(wǎng)絡(luò )業(yè)者必須針對4G選擇最符合成本效益的網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)。若要部署LTE等4G標準的網(wǎng)絡(luò )，所需的網(wǎng)絡(luò )升級不僅必須平衡新范圍有限的可使用性，也必須運用于現有范圍。為有效管理日益復雜的標準，分布式開(kāi)放基站架構(Distributed open base station architecture)概念便隨著(zhù)這些標準應運而生，以提供低成本、彈性的模塊化環(huán)境來(lái)管理無(wú)線(xiàn)電存取演進(jìn)。

圖1a顯示的傳統基站部署需要將無(wú)線(xiàn)電設備控制器(REC)及無(wú)線(xiàn)電設備(RE)連同天線(xiàn)塔放入單一機殼中。如此的做法會(huì )使網(wǎng)絡(luò )業(yè)者在實(shí)際設置上面臨體積尺寸增大、功耗提高及成本增加等不利因素。這類(lèi)架構也會(huì )使連接天線(xiàn)與RE的電纜出現信號耗損的狀況。

圖1a 傳統基站

圖1b至1c顯示的分布式基站架構(DBSA)使得基站的其他部分完全不需要RF收發(fā)器。此架構能夠使RE的位置更接近個(gè)別的天線(xiàn)，以便將圖1b中介于RE與天線(xiàn)之間的電力損失減至最低，進(jìn)而降低放大RF功率的成本。DBSA也允許各種不同的RE網(wǎng)絡(luò )拓撲，例如，圖1c所示的鏈狀、環(huán)狀或樹(shù)狀。如此的做法可確實(shí)縮小網(wǎng)絡(luò )設置的規模，因為無(wú)線(xiàn)電設備可彼此連接，并不需各RE對單一REC進(jìn)行通信。

圖1b 分布式基站

圖1c 分布式基站拓撲

開(kāi)放式基站架構創(chuàng )始聯(lián)盟(OBSAI)及通用公共射頻接口(CPRI)標準適用于無(wú)線(xiàn)電設備控制器及無(wú)線(xiàn)電設備之間的基頻數據通信，以及DBSA中的無(wú)線(xiàn)電設備網(wǎng)絡(luò )。將REC與RE之間的接口標準化之后，不同廠(chǎng)商的REC及RE設備即可交互使用。同時(shí)，2G/3G/4G的REC 能夠與不同的RE進(jìn)行通信，因此可實(shí)現多種標準的結合與同時(shí)運作，并減少設備升級的需求。

CPRI及OBSAI均載明其無(wú)線(xiàn)電設備控制器及無(wú)線(xiàn)電設備之間的高速串行接口，以達到基頻數據傳輸(I/Q數據)，并且在相同接口進(jìn)行指令/控制與同步(用于RE網(wǎng)絡(luò ))信息的溝通。

圖2顯示DBSA中的信號流向。對于上傳(foward link)的RE，OBSAI/CPRI資料是由序列器/解除序列器(SerDes)所還原，其中會(huì )將高速序列數據轉換為平行數據，然后將此數據傳輸至FPGA。FPGA會(huì )處理OBSAI/CPRI邏輯，然后將I/Q基頻取樣傳輸至數字升壓轉換器(專(zhuān)用邏輯)，進(jìn)而將I/Q基頻取樣調節至數位IF載波。經(jīng)過(guò)向上轉換的數據會(huì )接著(zhù)經(jīng)過(guò)數據處理引擎的處理，以減少波峰系數(專(zhuān)用邏輯)，并且以數字方式將信號預失真(專(zhuān)用邏輯)，以補償功率放大器中產(chǎn)生的旁瓣(side lobe)，并確保功率放大器能夠在線(xiàn)性區域中運作。

圖2 分布式基站架構信號流向

在上行鏈路中，無(wú)線(xiàn)射頻模塊包含所有的模擬功能，能夠將RF頻帶向下轉換為中頻，然后以數字方式將個(gè)別載波向下轉換為取樣的基頻同相及正交(I/Q)組。經(jīng)過(guò)多任務(wù)處理的基頻取樣(I/Q)以及下傳與反傳中的控制及管理數據會(huì )被串行化，然后透過(guò)SerDes裝置(例如，德州儀器的TLK3134)以光纖纜線(xiàn)進(jìn)行傳送。

若想借由分析4G演進(jìn)方面的DBS以及所需突波來(lái)達到更快更穩定的數據聯(lián)機，則會(huì )引起另一個(gè)重要問(wèn)題。由于下行鏈路及上行鏈路的數據速率提升，而且愈來(lái)愈多的網(wǎng)絡(luò )申辦用戶(hù)轉而使用隨選電視等高帶寬應用，因此，REC與R之間的序列數據速率也隨之增加。使用公式（1）可算出REC及RE之間的序列數據速率(SDR)：
SDR=MAcSN2(I/Q)C (1)

其中，SDR是REC與RE之間的序列數據速率；M為天線(xiàn)數目；Ac為載波/天線(xiàn)數目；S為采樣率(各載波每秒取樣次數)；N為取樣寬度，位/取樣；C為REC與RE之間串行傳輸期間的8b10b數據(10/8=1.25)；2(I/Q)=2倍的同相及正交相位資料的倍增系數。

透過(guò)等式1及表1，對于4個(gè)W-CDMA載波、雙天線(xiàn)系統，采樣率為各載波每秒7.68百萬(wàn)次取樣，I-Q取樣寬度為 4b/sample的20MHz無(wú)線(xiàn)射頻而言，其原始序列速率如式2所示：
SDR=2×4×7.68×4×2×1.25= 614.4Mbps (2)

同樣地，透過(guò)式1及表1，對于四天線(xiàn)系統、單一載波/天線(xiàn)，LTE 載波采樣率為各載波每秒30.72百萬(wàn)次取樣，I-Q 數據取樣寬度為16b/sample的20MHz無(wú)線(xiàn)射頻而言，其原始序列速率如式3所示：
SDR=4×1×30.72×16×2×1.25=4.915Gbps (3)