Femto基站及其射频方案

Femto基站及其射频方案

要：本篇应用笔记讨论3G femto基站的开发和部署。同时还讨论最后一英里接入技术的市场定位及技术挑战，3G femto基站在其中被认为是最好的解决方案。最后介绍了Maxim兼容3GPP TS25.104的射频方案。

关于部署3G femto基站

3GPP定义第三代移动通信的目的是要为客户提供全方位的移动多媒体体验。但很多条件下，这一目的并未实现，尤其是在边远地区或居民聚集区。

一个可行的解决方案是在家庭范围内部署无需宏node-B基站即可提供最大移动数据速率的家用基站，根据功率它们被称为“毫微微蜂窝(femto)”基站。

• +45dBm：能够覆盖室外大约5km的宏基站
• +30dBm：能够覆盖大约0.5km的微蜂窝基站
• +15dBm：能够覆盖室内大约50米范围的femto基站

Femto家用基站通过公共交换电话网与整个网络相连，这通常可利用入户的DSL。手机仅同家中的femto基站通讯，从而可将该用户与宏蜂窝完全断开。

在后面的段落里，我们将回顾部署femto家用基站的依据，并介绍Maxim射频解决方案的诸多关键优势。

提高蜂窝覆盖范围的一般性考虑

移动通信系统设计必须在手机电池工作时间、手机计算能力、基站用户负载之间作一定的权衡。另外，移动通信标准也在随移动终端DSP计算性能持续进步而发生变化，移动运营商紧跟这一趋势，不断提供更多更好的多媒体服务，以期带来更多的用户并增加收入。而用户最终也将获得“无处不在”的移动接入能力。例如，在每年新增1亿手机客户的利益驱动下建立的新型供应链具有极强的竞争力，并有助于保持极高的性价比。

宽带无线与蜂窝移动通信

与蜂窝移动通信同时发展的还有宽带无线网，开始是一些咖啡屋为在附近停车或停留的客户提供802.11互联网接入的Wi-Fi服务，后来，一些城市建立了实验性的城域Wi-Fi网为城市核心区提供宽带无线接入。这一模式的成功导致2004年出现了另一个更好的宽带无线系统，即802.16 WiMAX (韩国叫作WiBro)，希望提供“城域宽带无线接入”服务。

由于采用OFDM代替单载波，这些宽带系统能够克服城市中的多径干扰，但却需要4倍的发射功率。这是由于采用了OFDM的802.16d的峰均值比(pk-avg)为大约11dB，而WCDMA 3GPP的pk-avg仅为5dB。Intel®支持将WiMAX作为超便携PC (UMPC)的无线连接方式，超便携PC的外形尺寸大概相当于6个手机，所以可以使用WiMAX服务，但对于超薄/翻盖手机来说，WiMAX需要的电池太大了。

发射塔的建设

对于蜂窝移动通信系统和WiMAX来说，发射塔的建设和占地都是一个问题。征地费用和市政规划对“丑陋”基站的限制意味着建设新发射塔的速度对两种系统都是一样的。但是，蜂窝移动通信的运营商在WiMAX出现前20年就已开始建设发射塔了，所以在发射塔覆盖和新建发射塔方面拔得头筹。

那里适合宽带有线接入

宽带有线接入服务与固定接入的WiMAX直接竞争，宽带有线接入通常包括光纤到户(PON)，电话线DSL，以及有线电视互联网接入系统。在“第一世界”国家，这些服务可从以前建立的复杂的基础设施中受益，PON是一个新技术，但由于区域性电信运营商(LEC)已经投入了大量资金进行基础设施建设，只有在旧的铜缆系统需要更换时才考虑使用光纤系统。

对于femto基站的部署来说，这些接入服务是必需的，但却可以免费获得，关于这一点，我们将在下面的章节中作更多的讨论。

Femto基站的实现

图1将通过node-B宏基站接入的传统蜂窝移动通信系统与femto基站进行了对比。


图1. 传统node-B宏蜂窝移动接入与femto基站连接

图1左侧是传统从手机到基站的直连方式。在这里我们用一个木屋进行示意，其对射频信号损耗相对较低，同时假设其离宏基站的距离相对较近。

图1右侧是混凝土高层公寓，公寓中安装有femto基站。Femto基站通过有线DSL接入网络。如图中所示，宏基站到高层公寓的信号很弱，femto基站作为“私有、专用基站”，不与宏基站进行通信。

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基站可以克服蜂窝移动通信系统的许多缺点

容量限制

传统的宏蜂窝基站在很多用户都试图打电话的时通常是容量受限的，系统按统计学原理设计，采用了流量排队算法来处理既定时间内的既定呼叫数。因此，长时间的通话将会降低繁忙通话时间的呼叫总数。

另外，当基站为位于边界附近的手机提供服务时，宏基站将不得不增加发射功率, 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. 呼叫距离对宏基站发射功率的影响

这两个因素限制了宏基站的用户容量，因此，也会影响运营商的收入，并最终导致新用户的减少。

基于DSL的家用基站

根据统计，大约有一半的手机呼叫来自于室内，很多用户都抱怨在混凝土结构的公寓中接收信号不理想。

图3所示为两类建筑的路径损耗，由于许多3G手机需要高于-110dBm的接收功率才能实现可靠的IP数据服务，可以看出，在混凝土建筑中，接收灵敏度已经低至无法为客户提供数据服务的程度。


图3. 两类建筑的路径损耗

与此同时，大家可以看到DSL在欧洲已经被采纳，在美国已经非常成熟了，在包括中国的亚太地区也被广泛的应用，新型的DSL调制解调器能够与此服务配套。

许多美国和欧洲的手机用户家中都有无绳电话(POTS或IP电话), DSL或cable modem计算机互联网接入, TV, Wi-Fi等。3G手机运营商希望推出最有竞争力的多媒体服务与这些服务竞争。

图4所示为femto基站与家庭Wi-Fi共存，取代无绳电话的情景。


图4. Femto基站与家庭Wi-Fi接入共存

Maxim的femto基站射频收发芯片组

Maxim的femto基站参考设计V8.0可以满足TS25.104对WCDMA band class 1的要求，该RF芯片组包括两片带Σ-Δ位流数字接口的RF收发器，可直接与基带DSP/调制解调器互联。收发器使用降低幅度的LVDS接口，滤波器在基带DSP/调制解调器中实现，射频部分可通过软件配置。

这是一个射频收发器部分的完整参考设计，接收芯片内集成的LNA支持发送监视模式，图5是参考设计电路板照片。


图5. Maxim femto基站参考设计

可以满足UTRA Band 1 femto基站标准(3GPP TS25.104)

Femto基站的主要要求如表1所示，对WCDMA femto基站来说，同时满足TS25.104对发送和接收动态范围的要求比满足TS25.101对手机的要求困难的多，差距至少有10dB。但是，由于预计的产量很大，所以对集成度和BOM成本的要求又要做到和手机类似。因此，理想的系统最好采用低成本高集成度的手机芯片组设计，但在收/发与手机相反的频带内保持高性能(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 0.001%
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ADC的5MHz带内偏移干扰要求做到-38dBm，比对手机-52dBm的要求苛刻的多。同样，用来测试通道选择性的10MHz带内偏移干扰要求做到-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。

对femto基站发射机线性的要求也比对手机要求苛刻，对于WCDMA手机来说，ACPR金要求-33dBm，但是TS25.104 femto基站要-45dBm。

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E_b/N_o为7.5dB，灵敏度可根据下式计算：

参考灵敏度 = KTB + NF + (E_b / N_o) - PG

其中：
BW = 3.84MHz码率
KTB = -174dBm/Hz + 10 log(3.84MHz) = -108.13dBm
PG = 相对于扩展频带的12.2kbps比特率 = 10log(3.84MHz/12.2kbps) = 25dB

如果NF为10.5dB，灵敏度为：
-108.13dBm + 10.5dB + 7.5dB - 25dB = -115.13dBm

ACS和阻塞性能可以用同样的方法计算，在指定干涉条件下测量系统NF。这里的灵敏度差一些是因为干涉增加了噪声。

Tx性能用TS25.141 Test Model 1 (TM1)指定的信号进行测试。TM1信号模拟真实通信场景，可能峰均比会稍高些。

最大功率在3.84MHz的WCDMA带宽内测试，ACLR在5MHz偏移处测得。本参考设计发送ACLR的性能取决于外部PA。

Femto基站参考设计V8.0 UTRA Band 1性能测试结果

表2. V8.0参考设计性能

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	Passes
Blocking (1MHz to 12,750MHz, except 1900MHz to 2000MHz)	-101dBm	Passes
Intermodulation	-101dBm	Passes
Downlink Requirements
Description	Specification	Measured Performance
Frequency band	2110MHz to 2170MHz	Band 1
Maximum output power	Less than +24dBm	Passes
ACLR	-45dB/-50dB	Exceeds
Error vector magnitude	17.5%/12.5%	Exceeds

图6. 输出功率为+17dBm的TM1 64DPCH信号ACLR


图7. 输出功率为+17dBm的TM1 64DPCH信号EVM

结论

Femto基站将为在家中的手机用户带来更好的数据网络体验。为在接近手机成本的前提下满足基站苛刻的性能要求，电路设计将会更困难。而Maxim的femto基站芯片组既能满足3GPP TS25.104关键指标性能的要求，又可满足对BOM成本的要求。

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