3G emto基站的開(kāi)發(fā)和部署

本篇應用筆記討論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，3G femto基站在其中被認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(hù)提供全方位的移動(dòng)多媒體體驗。但很多條件下，這一目的并未實(shí)現，尤其是在邊遠地區或居民*區。

一個(gè)可行的解決方案是在家庭范圍內部署無(wú)需宏node-B基站即可提供最大移動(dòng)數據速率的家用基站，根據功率它們被稱(chēng)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：能夠覆蓋室內大約50米范圍的femto基站

Femto家用基站通過(guò)公共交換電話(huà)網(wǎng)與整個(gè)網(wǎng)絡(luò )相連，這通?？衫萌霊?hù)的DSL。手機僅同家中的femto基站通訊，從而可將該用戶(hù)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，并介紹Maxim射頻解決方案的諸多關(guān)鍵優(yōu)勢。

提高蜂窩覆蓋范圍的一般性考慮

移動(dòng)通信系統設計必須在手機電池工作時(shí)間、手機計算能力、基站用戶(hù)負載之間作一定的權衡。另外，移動(dòng)通信標準也在隨移動(dòng)終端DSP計算性能持續進(jìn)步而發(fā)生變化，移動(dòng)運營(yíng)商緊跟這一趨勢，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(hù)并增加收入。而用戶(hù)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1億手機客戶(hù)的利益驅動(dòng)下建立的新型供應鏈具有極強的競爭力，并有助于保持極高的性?xún)r(jià)比。

寬帶無(wú)線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)，開(kāi)始是一些咖啡屋為在附近停車(chē)或停留的客戶(hù)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)驗性的城域Wi-Fi網(wǎng)為城市核心區提供寬帶無(wú)線(xiàn)接入。這一模式的成功導致2004年出現了另一個(gè)更好的寬帶無(wú)線(xiàn)系統，即802.16 WiMAX(韓國叫作WiBro?)，希望提供“城域寬帶無(wú)線(xiàn)接入”服務(wù)。

由于采用OFDM代替單載波，這些寬帶系統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(xiàn)連接方式，超便攜PC的外形尺寸大概相當于6個(gè)手機，所以可以使用WiMAX服務(wù)，但對于超薄/翻蓋手機來(lái)說(shuō)，WiMAX需要的電池太大了。

發(fā)射塔的建設

對于蜂窩移動(dòng)通信系統和WiMAX來(lái)說(shuō)，發(fā)射塔的建設和占地都是一個(gè)問(wèn)題。*費用和市政規劃對“丑陋”基站的限制意味著(zhù)建設新發(fā)射塔的速度對兩種系統都是一樣的。但是，蜂窩移動(dòng)通信的運營(yíng)商在WiMAX出現前20年就已開(kāi)始建設發(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(xiàn)接入

寬帶有線(xiàn)接入服務(wù)與固定接入的WiMAX直接競爭，寬帶有線(xiàn)接入通常包括光纖到戶(hù)(PON)，電話(huà)線(xiàn)DSL，以及有線(xiàn)電視互聯(lián)網(wǎng)接入系統。在“第一世界”國家，這些服務(wù)可從以前建立的復雜的基礎設施中受益，PON是一個(gè)新技術(shù)，但由于區域性電信運營(yíng)商(LEC)已經(jīng)投入了大量資金進(jìn)行基礎設施建設，只有在舊的銅纜系統需要更換時(shí)才考慮使用光纖系統。

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

Femto基站的實(shí)現

圖1. 傳統node-B宏蜂窩移動(dòng)接入與femto基站連接

圖1左側是傳統從手機到基站的直連方式。在這里我們用一個(gè)木屋進(jìn)行示意，其對射頻信號損耗相對較低，同時(shí)假設其離宏基站的距離相對較近。

圖1右側是混凝土高層公寓，公寓中安裝有femto基站。Femto基站通過(guò)有線(xiàn)DSL接入網(wǎng)絡(luò )。如圖中所示，宏基站到高層公寓的信號很弱，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)是現在許多基帶DSP供應商都可提供成熟方案，使femto基站能夠克服宏基站和其它femto基站信號的干擾，這一點(diǎn)對femto基站來(lái)說(shuō)很重要。

Femto基站可以克服蜂窩移動(dòng)通信系統的許多缺點(diǎn)

容量限制

傳統的宏蜂窩基站在很多用戶(hù)都試圖打電話(huà)的時(shí)通常是容量受限的，系統按統計學(xué)原理設計，采用了流量排隊算法來(lái)處理既定時(shí)間內的既定呼叫數。因此，長(cháng)時(shí)間的通話(huà)將會(huì )降低繁忙通話(huà)時(shí)間的呼叫總數。

另外，當基站為位于邊界附近的手機提供服務(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(hù)服務(wù)的動(dòng)態(tài)范圍。所以，邊界附近的手機呼叫也會(huì )降低總呼叫容量因為他們會(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(hù)容量，因此，也會(huì )影響運營(yíng)商的收入，并最終導致新用戶(hù)的減少。

基于DSL的家用基站

根據統計，大約有一半的手機呼叫來(lái)自于室內，很多用戶(hù)都抱怨在混凝土結構的公寓中接收信號不理想。

圖3所示為兩類(lèi)建筑的路徑損耗，由于許多3G手機需要高于-110dBm的接收功率才能實(shí)現可靠的IP數據服務(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(hù)提供數據服務(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，在美國已經(jīng)非常成熟了，在包括中國的亞太地區也被廣泛的應用，新型的DSL調制解調器能夠與此服務(wù)配套。

許多美國和歐洲的手機用戶(hù)家中都有無(wú)繩電話(huà)(POTS或IP電話(huà)), DSL或cable modem計算機互聯(lián)網(wǎng)接入, TV, Wi-Fi等。3G手機運營(yíng)商希望推出最有競爭力的多媒體服務(wù)與這些服務(wù)競爭。

Maxim的femto基站射頻收發(fā)芯片組

Maxim的femto基站參考設計V8.0可以滿(mǎn)足TS25.104對WCDMA band class 1的要求，該RF芯片組包括兩片帶Σ-Δ位流數字接口的RF收發(fā)器，可直接與基帶DSP/調制解調器互聯(lián)。收發(fā)器使用降低幅度的LVDS接口，濾波器在基帶DSP/調制解調器中實(shí)現，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計，接收芯片內集成的LNA支持發(fā)送監視模式，圖4是參考設計電路板照片。

圖4. Maxim femto基站參考設計

可以滿(mǎn)足UTRA Band 1 femto基站標準(3GPP TS25.104)

Femto基站的主要要求如表1所示，對WCDMA femto基站來(lái)說(shuō)，同時(shí)滿(mǎn)足TS25.104對發(fā)送和接收動(dòng)態(tài)范圍的要求比滿(mǎn)足TS25.101對手機的要求困難的多，差距至少有10dB。但是，由于預計的產(chǎn)量很大，所以對集成度和BOM成本的要求又要做到和手機類(lèi)似。因此，理想的系統最好采用低成本高集成度的手機芯片組設計，但在收/發(fā)與手機相反的頻帶內保持高性能(基站應用)。

表1. TS25.104主要要求

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

對femto基站發(fā)射機線(xiàn)性的要求也比對手機要求苛刻，對于WCDMA手機來(lái)說(shuō)，ACPR金要求-33dBm，但是TS25.104 femto基站要-45dBm。

系統性能測試和分析

接收靈敏度是一個(gè)重要的系統指標，受RF通道的信號質(zhì)量和基帶調制解調器DSP處理能力的影響較大，在最小輸入信號條件下，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NF計算。在靈敏度計算中，(基帶解調器) BER為0.001%的QPSK信號要求Eb/No為7.5dB，靈敏度可根據下式計算：

參考靈敏度 = KTB + NF + (Eb / No) - PG

其中：

BW = 3.84MHz碼率

KTB = -174dBm/Hz + 10 log(3.84MHz) = -108.13dBm

PG = 相對于擴展頻帶的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算，在指定干涉條件下測量系統NF。這里的靈敏度差一些是因為干涉增加了噪聲。

Tx性能用TS25.141 Test Model 1 (TM1)指定的信號進(jìn)行測試。TM1信號模擬真實(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帶寬內測試，ACLR在5MHz偏移處測得。本參考設計發(fā)送ACLR的性能取決于外部PA。

Femto基站參考設計V8.0 UTRA Band 1性能測試結果

表2. V8.0參考設計性能

圖5. 輸出功率為+17dBm的TM1 64DPCH信號ACLR

圖6. 輸出功率為+17dBm的TM1 64DPCH信號EVM

結論

Femto基站將為在家中的手機用戶(hù)帶來(lái)更好的數據網(wǎng)絡(luò )體驗。為在接近手機成本的前提下滿(mǎn)足基站苛刻的性能要求，femto基站的電路設計將會(huì )更困難。而Maxim的femto基站芯片組既能滿(mǎn)足3GPP TS25.104關(guān)鍵指標性能的要求，又可滿(mǎn)足對BOM成本的要求。