应用笔记 5331

Femto基站单芯片收发器

By: Jerry Wei

摘要 : 本文讨论3G蜂窝Femto基站的开发和部署,特别是在密集市区连接住宅的最后一公里部署、系统扩容中所面临的技术难题。文章介绍了Maxim的3GPP TS25.104兼容收发器方案和完备的射频参考设计,例如RD2550。

为什么使用Femto基站?

基于3GPP的第三代蜂窝系统设计用于支持全移动多媒体体验,很多情况下,该系统的普及受限于其接收效果,尤其是住宅和偏远地区。在住宅密集的市区,尤其是高层建筑物中,急待解决系统扩容、改善服务质量(QoS)等问题。
面对这样的要求,“Femto”蜂窝基站应该是合乎逻辑的选择,基站一般分为以下几类:
  • +45dBm:宏蜂窝基站,覆盖室外大约5km的区域
  • +30dBm:微蜂窝基站,覆盖大约0.5km的区域
  • +15dBm:Femto基站,覆盖大约50m的室内住宅或建筑区域
对于住宅内部署,Femto基站可通过公共交换电话网接入网络,通常可以采用住宅的DSL线路。手机仅与家里的Femto基站通信,从而使用户摆脱对宏蜂窝基站的依赖。在高层建筑中,Femto基站可连接到大厦的有线以太网系统,这也减轻了宏蜂窝基站的负荷。下面,我们简单介绍Femto基站部署的基础,了解Maxim射频方案如何为这一技术提供关键优势。

提高蜂窝覆盖

蜂窝系统的设计需要在手机电池寿命、手机计算功耗、基站用户负荷之间达到最佳平衡。此外,随着蜂窝标准的不断完善,可以充分发挥先进的移动DSP的性能优势。蜂窝系统运营商紧跟这一趋势,努力提供更多、更好的多媒体内容,从而提高收入并吸引更多的新用户。用户则享受到了“无处不在”的移动互联。由于蜂窝手机用户以每年1亿的速率增长,在这一利益的驱使下,形成了一个高效、极具竞争的供应链,以保证低价格、高性能。

宽带无线通信与蜂窝RF业务的比较

宽带无线系统的开发和部署与蜂窝系统的开发计划如影随形,以满足市场/用户的发展需求。最初,所谓的“咖啡厅”Wi-Fi®为用户提供802.11互联网接入,当用户在附近停留或在饭店用餐时可以使用网络。随后,有些城市开始着手建设Metro-Wi-Fi接入点,为商业区提供服务。这种模式非常成功,2004年发布了更好的无线接入系统,即802.16 WiMAX® (以及韩国的WiBro®),目的是提供“城域宽带无线接入”服务。
采用正交频分复用(OFDM)代替单载波调制,能够允许这些宽带无线系统克服城市的多径效应,但发射功率需要提高4倍。这是因为OFDM 802.16d的峰均比(pk-avg)接近11dB,而WCDMA 3GPP pk-avg为5dB。Intel®已经率先将WiMAX作为超级移动PC (UMPC)的RF连接标准,超级移动PC的大小定义为普通蜂窝电话的大约6倍。因此,UMPC促进了WiMAX服务,但由于WiMAX需要更大容量的电池,所以很难将其集成到超薄/翻盖手机中。

发射塔建设

蜂窝和WiMAX部署的一个共同障碍是发射塔建设和道路占用问题。道路占用权的租赁费用以及市政部门对城市规划的条例,都会大大制约这两套系统的建设空间和区域。蜂窝运营商早在WiMAX之前大约20年就开始系统的部署与建设,在基站覆盖和新建系统上具有明显优势。

有线固定住宅业务

有线住宅接入系统是对住宅WiMAX的有力补充。住宅业务一般包括光纤到户(PON)、电话线DSL和有线电视互联接入。在发达国家,这些业务得益于网络终端设备的长期发展。PON是比较新的接入方案,但网络的本地交换运营商(LEC)已经拥有道路使用权,只需要用新光纤替换老旧的铜缆即可。
这些业务为Femto基站部署提供了现成的设计平台,我们将在下文详细讨论。

基本的Femto基站部署

图1所示对传统的节点B宏峰窝基站连接与Femto基站连接进行了比较。
图1. 传统的节点B宏蜂窝基站连接与Femto基站连接比较
图1. 传统的节点B宏蜂窝基站连接与Femto基站连接比较
图1中,左侧部分为蜂窝手机与蜂窝发射塔的直接连接方式,图中房屋为木质结构,穿过墙壁的损耗相对较低,在一定程度上等效于靠近宏蜂窝基站。
右侧部分则为混凝土高层建筑,室内或公共办公楼安装了Femto基站。通过住宅DSL线路或商用有线以太网连接Femto基站。这种情况下,大厦内的信号可以很微弱,Femto基站扮演了一个“个人、专用基站”的角色,不与宏蜂窝基站通信。
需要指出的一点是现在许多基带DSP供应商都可提供成熟方案,使Femto基站能够克服宏基站和其它Femto基站信号的干扰,这一点对Femto基站来说很重要。

Femto基站克服了蜂窝系统的关键问题

容量限制

传统的宏蜂窝基站在高峰时段的呼叫容量受到一定限制。系统按照统计学原理设计,采用了流量排队理论处理既定时间的呼叫数量。所以,长时间的通话会降低高峰时段的呼叫容量。
另外,当基站为位于边界附近的手机提供服务时,宏蜂窝基站将不得不增大发射功率,这会影响为其他客户服务的动态范围。所以,边界附近的手机呼叫也会降低总呼叫容量因为他们会压缩基站发射的动态范围(见图2)。
图2. 呼叫距离对宏蜂窝基站发射功率的影响
图2. 呼叫距离对宏蜂窝基站发射功率的影响
这两种因素限制了宏基站的容量,进而影响运营商的收益,并将新用户拒之门外。

Maxim的单芯片Femto基站RF收发器

Maxim的RD2550 Femto基站参考设计能够满足WCDMA波段1的TS25.104要求,我们还提供WCDMA波段2、4和5的参考设计。该参考设计的核心是单片收发器,带有Δ-∑比特流数字接口,可直接连接基带DSP/调制解调器。收发器采用低电平LVDS接口,在基带DSP/调制解调器完成信道滤波,可通过软件重新配置无线工作状态。
我们已经完成完整的RF收发器参考设计。利用收发器集成的LNA,支持宏蜂窝基站监测模式。图3所示为参考设计电路板,详细信息请见参考设计5364:利用MAX2550–MAX2553收发器构建的Femtocell射频参考设计。
图3. Maxim Femto基站参考设计
详细图片
(PDF, 1MB)
图3. Maxim Femto基站参考设计

满足UTRA波段1 Femto基站标准(3GPP TS25.104)

Femto基站的主要指标如表1所示,对于WCDMA Femto基站,满足接收机和发射机TS25.104的动态范围要求比TS25.101手机规格的要求更严格,相差至少10dB。但是,由于预计的产量很大,集成度和BOM成本还必须做到手机的同等水平。因此,理想情况下最好采用低成本、高集成度的手机芯片组设计,而在与手机相反的收/发频带内也要保持高性能(基站应用)。
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 0.1%
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,用于测量ACS的5MHz频偏内阻塞要做到-38dBm,比-52dBm的手机要求苛刻得多。同样,用来测试通道选择性的10MHz频偏内,阻塞要做到-30dBm,而手机仅要求-56dBm。因此,接收器必须具有更高的IIP2和IIP3性能。
相对于手机,Femto基站发射机线性度的指标同样要求非常高。对于WCDMA手机,ACPR规定为-33dBm,而TS25.104 Femto基站则为-45dBm左右。

系统性能测试和分析

接收灵敏度是一个重要的系统指标,受RF通道的信号质量和基带调制解调器DSP处理能力的影响较大,在最小输入信号条件下,RF通道质量受接收器噪声(即NF)的影响。接收灵敏度可通过系统NF计算,在灵敏度计算中,基带解调器BER为0.001%的QPSK信号要求Eb/No为7.5dB,灵敏度可根据下式计算:
参考灵敏度 = KTB + NF + Eb/No - PG
式中:
BW = 3.84MHz码片速率
KTB = -174dBm/Hz + 10 log (3.84MHz) = -108.13dBm
PG = 12.2kbps码率,相对于扩频带宽 = 10log (3.84MHz/12.2kbps) = 25dB
如果NF为10.5dB,灵敏度计算如下:
-108.13dBm + 10.5dB + 7.5dB - 25dB = -115.13dBm
ACS及阻塞性能可采用类似方法计算,按规定的干涉条件测量系统NF。这里,由于干涉效应产生的附加噪声,使得NF比灵敏度测量结果要差一些。
按照TS25.141规定的测试模型1 (TM1)测量Tx性能,TM1信号模拟实际的流量情况,pk-avg可能较高。
在3.84MHz WCDMA带宽测量最大功率,在5MHz频偏位置测量ACLR。这种情况下,发射ACLR性能主要取决于外部PA。

RD2550 UMTS波段1 Femto基站参考设计的性能测试

表2. RD2550参考设计性能测试
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 Exceeds
Blocking (1MHz to 12,750MHz, except 1900MHz to 2000MHz) -101dBm Exceeds
Intermodulation -101dBm Exceeds
Downlink Requirements
Description Specification Measured Performance
Frequency band 2110MHz to 2170MHz Band 1
Maximum output power Less than +24dBm With external PA
ACLR -45dB/-50dB Exceeds
Error vector magnitude 17.5%/12.5% Exceeds
图4. TM1 16DPCH信号ACLR,+20dBm输出功率
图4. TM1 16DPCH信号ACLR,+20dBm输出功率
图5. TM1 16DPCH信号EVM,+20dBm输出功率
图5. TM1 16DPCH信号EVM,+20dBm输出功率.

结论

Femto基站将为住宅内的手机通信带来更好的数据网络体验。由于必须满足严格的基站性能指标,而成本却要保持在手机成本的同等水平,Femto基站设计面临巨大挑战。Maxim的Femto基站收发器完全满足3GPP TS25.104规范要求,并使用最少的BOM数量。Maxim的RD2550 UMTS波段1无线电参考设计基于MAX2550 Femto射频收发器,达到了目前市场的最高性价比水平。