為什么使用Femto基站？

基于3GPP的第三代蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于支持全移動(dòng)多媒體體驗(yàn)，很多情況下，該系統(tǒng)的普及受限于其接收效果，尤其是住宅和偏遠(yuǎn)地區(qū)。在住宅密集的市區(qū)，尤其是高層建筑物中，急待解決系統(tǒng)擴(kuò)容、改善服務(wù)質(zhì)量(QoS)等問題。

面對(duì)這樣的要求，“Femto”蜂窩基站應(yīng)該是合乎邏輯的選擇，基站一般分為以下幾類：
• +45dBm：宏蜂窩基站，覆蓋室外大約5km的區(qū)域
• +30dBm：微蜂窩基站，覆蓋大約0.5km的區(qū)域
• +15dBm：Femto基站，覆蓋大約50m的室內(nèi)住宅或建筑區(qū)域

對(duì)于住宅內(nèi)部署，F(xiàn)emto基站可通過公共交換電話網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)，通常可以采用住宅的DSL線路。手機(jī)僅與家里的Femto基站通信，從而使用戶擺脫對(duì)宏蜂窩基站的依賴。在高層建筑中，F(xiàn)emto基站可連接到大廈的有線以太網(wǎng)系統(tǒng)，這也減輕了宏蜂窩基站的負(fù)荷。下面，我們簡(jiǎn)單介紹Femto基站部署的基礎(chǔ)，了解Maxim射頻方案如何為這一技術(shù)提供關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

提高蜂窩覆蓋

蜂窩系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要在手機(jī)電池壽命、手機(jī)計(jì)算功耗、基站用戶負(fù)荷之間達(dá)到最佳平衡。此外，隨著蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，可以充分發(fā)揮先進(jìn)的移動(dòng)DSP的性能優(yōu)勢(shì)。蜂窩系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商緊跟這一趨勢(shì)，努力提供更多、更好的多媒體內(nèi)容，從而提高收入并吸引更多的新用戶。用戶則享受到了“無(wú)處不在”的移動(dòng)互聯(lián)。由于蜂窩手機(jī)用戶以每年1億的速率增長(zhǎng)，在這一利益的驅(qū)使下，形成了一個(gè)高效、極具競(jìng)爭(zhēng)的供應(yīng)鏈，以保證低價(jià)格、高性能。

寬帶無(wú)線通信與蜂窩RF業(yè)務(wù)的比較

寬帶無(wú)線系統(tǒng)的開發(fā)和部署與蜂窩系統(tǒng)的開發(fā)計(jì)劃如影隨形，以滿足市場(chǎng)/用戶的發(fā)展需求。最初，所謂的“咖啡廳”Wi-Fi®為用戶提供802.11互聯(lián)網(wǎng)接入，當(dāng)用戶在附近停留或在飯店用餐時(shí)可以使用網(wǎng)絡(luò)。隨后，有些城市開始著手建設(shè)Metro-Wi-Fi接入點(diǎn)，為商業(yè)區(qū)提供服務(wù)。這種模式非常成功，2004年發(fā)布了更好的無(wú)線接入系統(tǒng)，即802.16 WiMAX® (以及韓國(guó)的WiBro®)，目的是提供“城域?qū)拵o(wú)線接入”服務(wù)。

采用正交頻分復(fù)用(OFDM)代替單載波調(diào)制，能夠允許這些寬帶無(wú)線系統(tǒng)克服城市的多徑效應(yīng)，但發(fā)射功率需要提高4倍。這是因?yàn)镺FDM 802.16d的峰均比(pk-avg)接近11dB，而WCDMA 3GPP pk-avg為5dB。Intel®已經(jīng)率先將WiMAX作為超級(jí)移動(dòng)PC (UMPC)的RF連接標(biāo)準(zhǔn)，超級(jí)移動(dòng)PC的大小定義為普通蜂窩電話的大約6倍。因此，UMPC促進(jìn)了WiMAX服務(wù)，但由于WiMAX需要更大容量的電池，所以很難將其集成到超薄/翻蓋手機(jī)中。

發(fā)射塔建設(shè)

蜂窩和WiMAX部署的一個(gè)共同障礙是發(fā)射塔建設(shè)和道路占用問題。道路占用權(quán)的租賃費(fèi)用以及市政部門對(duì)城市規(guī)劃的條例，都會(huì)大大制約這兩套系統(tǒng)的建設(shè)空間和區(qū)域。蜂窩運(yùn)營(yíng)商早在WiMAX之前大約20年就開始系統(tǒng)的部署與建設(shè)，在基站覆蓋和新建系統(tǒng)上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

有線固定住宅業(yè)務(wù)

有線住宅接入系統(tǒng)是對(duì)住宅WiMAX的有力補(bǔ)充。住宅業(yè)務(wù)一般包括光纖到戶(PON)、電話線DSL和有線電視互聯(lián)接入。在發(fā)達(dá)國(guó)家，這些業(yè)務(wù)得益于網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的長(zhǎng)期發(fā)展。PON是比較新的接入方案，但網(wǎng)絡(luò)的本地交換運(yùn)營(yíng)商(LEC)已經(jīng)擁有道路使用權(quán)，只需要用新光纖替換老舊的銅纜即可。

這些業(yè)務(wù)為Femto基站部署提供了現(xiàn)成的設(shè)計(jì)平臺(tái)，我們將在下文詳細(xì)討論。

基本的Femto基站部署

圖1所示對(duì)傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)B宏峰窩基站連接與Femto基站連接進(jìn)行了比較。

圖1. 傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)B宏蜂窩基站連接與Femto基站連接比較

圖1中，左側(cè)部分為蜂窩手機(jī)與蜂窩發(fā)射塔的直接連接方式，圖中房屋為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，穿過墻壁的損耗相對(duì)較低，在一定程度上等效于靠近宏蜂窩基站。

右側(cè)部分則為混凝土高層建筑，室內(nèi)或公共辦公樓安裝了Femto基站。通過住宅DSL線路或商用有線以太網(wǎng)連接Femto基站。這種情況下，大廈內(nèi)的信號(hào)可以很微弱，F(xiàn)emto基站扮演了一個(gè)“個(gè)人、專用基站”的角色，不與宏蜂窩基站通信。

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)說很重要。

Femto基站克服了蜂窩系統(tǒng)的關(guān)鍵問題

容量限制

傳統(tǒng)的宏蜂窩基站在高峰時(shí)段的呼叫容量受到一定限制。系統(tǒng)按照統(tǒng)計(jì)學(xué)原理設(shè)計(jì)，采用了流量排隊(duì)理論處理既定時(shí)間的呼叫數(shù)量。所以，長(zhǎng)時(shí)間的通話會(huì)降低高峰時(shí)段的呼叫容量。

另外，當(dāng)基站為位于邊界附近的手機(jī)提供服務(wù)時(shí)，宏蜂窩基站將不得不增大發(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(見圖2)。

圖2. 呼叫距離對(duì)宏蜂窩基站發(fā)射功率的影響

這兩種因素限制了宏基站的容量，進(jìn)而影響運(yùn)營(yíng)商的收益，并將新用戶拒之門外。

Maxim的單芯片F(xiàn)emto基站RF收發(fā)器

Maxim的RD2550 Femto基站參考設(shè)計(jì)能夠滿足WCDMA波段1的TS25.104要求，我們還提供WCDMA波段2、4和5的參考設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)的核心是單片收發(fā)器，帶有Δ-∑比特流數(shù)字接口，可直接連接基帶DSP/調(diào)制解調(diào)器。收發(fā)器采用低電平LVDS接口，在基帶DSP/調(diào)制解調(diào)器完成信道濾波，可通過軟件重新配置無(wú)線工作狀態(tài)。

我們已經(jīng)完成完整的RF收發(fā)器參考設(shè)計(jì)。利用收發(fā)器集成的LNA，支持宏蜂窩基站監(jiān)測(cè)模式。圖3所示為參考設(shè)計(jì)電路板，詳細(xì)信息請(qǐng)見參考設(shè)計(jì)5364：利用MAX2550–MAX2553收發(fā)器構(gòu)建的Femtocell射頻參考設(shè)計(jì)。

圖3. Maxim Femto基站參考設(shè)計(jì)

滿足UTRA波段1 Femto基站標(biāo)準(zhǔn)(3GPP TS25.104)

Femto基站的主要指標(biāo)如表1所示，對(duì)于WCDMA Femto基站，滿足接收機(jī)和發(fā)射機(jī)TS25.104的動(dòng)態(tài)范圍要求比TS25.101手機(jī)規(guī)格的要求更嚴(yán)格，相差至少10dB。但是，由于預(yù)計(jì)的產(chǎn)量很大，集成度和BOM成本還必須做到手機(jī)的同等水平。因此，理想情況下最好采用低成本、高集成度的手機(jī)芯片組設(shè)計(jì)，而在與手機(jī)相反的收/發(fā)頻帶內(nèi)也要保持高性能(基站應(yīng)用)。

表1. TS25.104主要要求

例如在接收通道，用于測(cè)量ACS的5MHz頻偏內(nèi)阻塞要做到-38dBm，比-52dBm的手機(jī)要求苛刻得多。同樣，用來(lái)測(cè)試通道選擇性的10MHz頻偏內(nèi)，阻塞要做到-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。

相對(duì)于手機(jī)，F(xiàn)emto基站發(fā)射機(jī)線性度的指標(biāo)同樣要求非常高。對(duì)于WCDMA手機(jī)，ACPR規(guī)定為-33dBm，而TS25.104 Femto基站則為-45dBm左右。

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Eb/No為7.5dB，靈敏度可根據(jù)下式計(jì)算：

參考靈敏度 = KTB + NF + Eb/No - PG
式中：
BW = 3.84MHz碼片速率
KTB = -174dBm/Hz + 10 log (3.84MHz) = -108.13dBm
PG = 12.2kbps碼率，相對(duì)于擴(kuò)頻帶寬 = 10log (3.84MHz/12.2kbps) = 25dB
如果NF為10.5dB，靈敏度計(jì)算如下：
-108.13dBm + 10.5dB + 7.5dB - 25dB = -115.13dBm

ACS及阻塞性能可采用類似方法計(jì)算，按規(guī)定的干涉條件測(cè)量系統(tǒng)NF。這里，由于干涉效應(yīng)產(chǎn)生的附加噪聲，使得NF比靈敏度測(cè)量結(jié)果要差一些。

按照TS25.141規(guī)定的測(cè)試模型1 (TM1)測(cè)量Tx性能，TM1信號(hào)模擬實(shí)際的流量情況，pk-avg可能較高。

在3.84MHz WCDMA帶寬測(cè)量最大功率，在5MHz頻偏位置測(cè)量ACLR。這種情況下，發(fā)射ACLR性能主要取決于外部PA。

RD2550 UMTS波段1 Femto基站參考設(shè)計(jì)的性能測(cè)試

表2. RD2550參考設(shè)計(jì)性能測(cè)試

圖4. TM1 16DPCH信號(hào)ACLR，+20dBm輸出功率

圖5. TM1 16DPCH信號(hào)EVM，+20dBm輸出功率

結(jié)論

Femto基站將為住宅內(nèi)的手機(jī)通信帶來(lái)更好的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。由于必須滿足嚴(yán)格的基站性能指標(biāo)，而成本卻要保持在手機(jī)成本的同等水平，F(xiàn)emto基站設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)。Maxim的Femto基站收發(fā)器完全滿足3GPP TS25.104規(guī)范要求，并使用最少的BOM數(shù)量。Maxim的RD2550 UMTS波段1無(wú)線電參考設(shè)計(jì)基于MAX2550 Femto射頻收發(fā)器，達(dá)到了目前市場(chǎng)的最高性價(jià)比水平。

作者：Jerry Wei，ADI半導(dǎo)體