3G蜂窝Femto基站单芯片收发器方案和射频参考设计

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。

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  
Inter modulation   -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。