塑造新的eNodeB发射器架构：技术演进

模拟集成在应对LTE-Advanced无线电工程师面临的新挑战方面发挥着重要作用。第三代合作伙伴计划（3GPP）正在开发LTE-Advanced标准的第3版（Rel-12）。12GPP Rel-3 包括对 12G 无线接入技术的许多增强功能，包括宽带载波聚合、多层空间复用和高级天线配置。Rel-4增强功能将挑战无线电设计人员集成更多的RF发射器通道，从而实现更小，更低功耗和更高性能的eNodeB基站。射频模拟集成和颠覆性无线电架构的进步可以帮助工程师成功克服集成挑战。

介绍

本应用笔记系列分为两部分，回顾了第四代长期演进（4G-LTE）蜂窝标准的新发展。本应用笔记系列探讨了LTE-Advanced （LTE-A） Release-12 （Rel-12）的特性以及对eNodeB射频（RF）发射器的影响。应用笔记揭示了模拟集成如何克服最新4G开发带来的设计挑战。每个应用笔记的末尾都附有技术术语表。

本应用笔记第1部分探讨了推动全球采用LTE标准的市场力量以及4G无线接入技术的趋势。读者将了解第三代合作伙伴计划 （3GPP） Rel-3 规范中概述的工作项。主题包括载波聚合 （CA）、空间多路复用和有源天线系统 （AAS）。

本系列的第 2 部分将探讨 4G 基站中的模拟集成挑战。Rel-12 特性，如宽带下行链路载波聚合、下行链路多输入多输出 （MIMO） 空间复用和带嵌入式射频的 AAS，为下一代 eNodeB 无线电带来了新的设计挑战。引入了一种颠覆性的比特到RF解决方案，可以帮助工程师塑造替代无线电发射器架构。讨论的重点是新型RF数模转换器（RF-DAC）技术，该技术可产生单芯片宽带RF发射器解决方案。读者将了解RF-DAC的系统级应用及其为eNodeB无线电设计带来的集成优势。

概述

长期演进（LTE）被公认为发展最快的移动宽带技术，并成为全球采用最广泛的蜂窝标准。无线服务提供商采用LTE的全球速度已超过之前的第二代（2G）和第三代（3G）部署。LTE的普及主要是由于其高频谱效率和高峰值数据速率，基于IP的低延迟网络和演进路线图。对于消费者来说，这意味着可靠的高速移动接入和随时随地的连接。对于无线服务提供商而言，LTE 可提供高效的频谱利用率、网络容量增益和总拥有成本 （TCO） 的显著改善。但LTE不是“真正的4G”服务，从技术上讲仍被认为是3.9G。

真正的第四代（4G）无线电通信标准，即国际移动通信-高级（IMT-Advanced），必须满足国际电信联盟无线电部门（ITU-R）规定的要求。IMT-Advanced将4G定义为一种服务，可为高移动性用户提供100Mbps峰值数据速率，为低移动性客户端提供1Gbps峰值数据速率。为了符合IMT-Advanced的愿景，自3年发布最初的LTE Rel-8标准以来，2008GPP已经开发了许多增强功能。

在Rel-10中，3GPP将LTE-Advanced作为“真正的4G”服务引入，以满足或超过IMT-Advanced的要求。LTE-A Rel-10是移动宽带演进的下一步，并进一步扩展了LTE的基本功能集。目前，Rel-12已接近推出，计划于2015年12月进行功能冻结。Rel-1将包括跨无线接入技术的进化增强。图10显示了LTE开发时间表，可以看出理论上的峰值下行链路（DL）和上行链路（UL）数据速率分别提高了约20倍和300倍，从Rel-75中的DL = 8Mbps / UL = 3Mbps增加到Rel-1中的DL = 5Gbps / UL = 10.10Gbps。峰值数据速率的显着提高部分归功于宽带CA，并辅以Rel-12中引入的多层空间复用，现在是Rel-<>增强功能的重要组成部分。

图1.LTE发布时间表显示了无线接入技术的演进进步。

LTE-A rel-12及其对eNodeB无线电的影响

Rel-12增强功能将显著影响演进的NodeB（eNodeB）无线电的设计方式。一些重要的 Rel-12 项目包括载波聚合的新组合、下行链路 MIMO 的空间多路复用增强以及 AAS 所需的射频要求。图 2 总结了 Rel-12 的一些项目及其各自的功能和优点。

图2.版本 12 工作项的功能和优点。

仔细观察Rel-12的功能，可以揭示LTE移动宽带网络如何发展，以实现容量，频谱利用率，峰值数据速率和覆盖范围的改进。载波聚合使运营商能够提供更高的峰值数据速率（比特/秒），并更好地管理跨越700MHz至3.5GHz的碎片化无线电频谱。采用具有 8x8 MIMO 的空间复用可提高频谱效率（比特/秒/赫兹），为用户提供更高的峰值数据速率，同时最大限度地利用有限且宝贵的频谱资源。迁移到AAS使宏蜂窝基站能够实施波束成形技术，从而提高小区边缘和扇区容量，同时降低功耗。Rel-12 功能增强为 LTE 生态系统带来了许多好处，同时也带来了新的无线电设计和无线电架构挑战。

下行载波聚合（DL-CA）意味着基站无线电发射机必须支持具有载波频率捷变的超宽带宽，而8x8 MIMO需要更多的射频发射机信道。带有嵌入式射频的 AAS 为每个天线元件专用一个无线电收发器，最多 16 个天线元件。这显著增加了无线电信道密度。在宏蜂窝基站应用中，DL-CA、MIMO 和 AAS 特性推动了对紧凑、低功耗、高动态性能无线电解决方案的需求。受外形尺寸、功耗和系统成本三者约束的约束，Rel-12 增强的效果是深远的。RF 工程师面临着新的 eNodeB 设计挑战：在更小的占位面积中集成更多无线电信道，以更低的功耗和更好的动态性能运行，所有这些都不会增加系统成本。为了帮助工程师克服这些挑战，射频模拟集成和颠覆性无线电架构提供了一种可以重塑eNodeB发射器设计的解决方案。

在讨论 Rel-12 功能的细节之前，了解市场驱动因素以及起草 LTE-A Rel-12 的原因非常重要。简而言之，市场是否有更大的容量、更好的覆盖范围和更高的体验质量的需求？是否有商业案例证明部署LTE-Advanced的资本支出（CAPEX）投资是合理的？

推动LTE-A的市场力量

移动流量正在从语音过渡到“以数据为中心”，因为移动用户在智能手机、平板电脑和移动 PC 上采用视频流、Web 浏览和社交网络。未来五年，移动行业预测移动数据流量和移动宽带用户将呈指数级增长，数据流量增长60%，用户增长27%。预计结果将是16年每月2018艾字节的流量和<>亿的全球用户。[1] [2]行业专家承认，为了维持移动宽带需求的激增，并确保具有无处不在连接的高质量体验服务，无线服务提供商必须改善网络覆盖范围，增加容量并最大限度地提高频谱利用率。要实现这些目标，服务提供商需要投资网络现代化，升级基础设施，从3G过渡到4G无线接入技术和核心网络设备。

从3G升级到4G需要新的网络设备。因此，LTE网络的部署成本更高，并且需要更高的初始资本支出投资。这使得资本支出投资成为重要的市场驱动力。因此，证明4G无线基础设施设备的资本支出投资的合理性需要一个令人信服的商业案例，以证明盈利能力和足够的投资回报率（ROI）。4G-LTE网络平均比4G快3倍左右，3允许服务提供商利用不断增长的移动数据需求。此外，扁平全IP LTE网络的运营成本低于3G，使4G成为降低每比特服务成本和提高盈利能力的理想选择。

LTE-A在为移动网络提供差异化服务方面发挥着关键作用，并充当移动数据增长货币化的渠道。投资韩国、日本和美国等世界上最先进的移动市场LTE基础设施的早期LTE采用者已经看到了成功的收入增长和每用户平均收入（ARPU）的增长。此外，由于LTE提供更低的每比特服务成本，早期采用者更好地控制了运营费用，这反过来又有助于改善TCO。早期采用者很快意识到“首先进入市场”和“最好进入市场”的重要性，或者换句话说，“建立它，他们就会来。

Verizon Wireless，4SK电讯，5NTT DoCoMo是主要无线服务提供商早期投资迁移到LTE的好例子。每个公司都报告了ARPU增长的数据，盈利能力稳定。相反，在欧洲，无线提供商推迟了LTE，并试图收回昂贵的3G投资，这些提供商的ARPU正在急剧下降。图36说明了美国与欧洲的每次连接平均收入（ARPC）和ARPU之间的对比，这两个市场的消费者都看到了降低每次连接成本的好处。然而，由于美国消费者与更多的数据密集型设备连接，每次订阅的收入正在增加。ARPU-ARPC差距与美国的LTE网络部署和移动生态系统扩展相吻合。事实上，2013年美国最大的两家运营商在资本支出上花费了21亿美元，超过了服务于五个最大的欧盟国家的所有20家运营商。因此，为了实现早期LTE采用者市场的收入增长和盈利能力，今天全球对4G基础设施的投资是服务提供商CAPEX将在250年达到2017亿美元的主要原因。

图3.当移动用户与更多数据密集型设备连接时，如美国LTE市场，每次连接收入的下降是温和的，运营商会产生更高的ARPU。图片来源为GSMA无线智能。www.gsma.com/。

提高盈利能力和生成更高的数据 ARPU 是当今全球移动基础设施投资新一轮的催化剂。如图 4 所示，7从4年到7年，资本支出预计将以2013.2020%的复合年增长率（CAGR）增长。一般来说，设备与资本支出的比率约为33%。35年约2017%的基础设施设备投资针对LTE，预计16-2012年的复合年增长率为2017%。8

图4.为了维持数据增长，预计从1年到7年，运营商在移动网络方面的资本支出投资将超过2012.2020万亿美元。图片来源为GSMA无线智能。

图5总结了推动4G LTE-A演进和新eNodeB设备部署的主要市场力量。移动数据流量和移动宽带用户数量呈指数级增长。移动网络性能必须不断发展，以维持对带宽密集型应用日益增长的需求，而这反过来又需要服务提供商在网络现代化方面进行资本支出投资。这些力量的汇合推动了LTE-A的发展和采用。

图5.四大主要市场力量正在推动无线接入技术的进化改进。

Rel-12 宏蜂窝基站发射机的趋势

包括服务提供商资本支出在内的市场驱动因素是LTE无线基础设施投资将持续到2020年及以后的良好指标。大部分投资将集中在建设新的LTE宏蜂窝网络和将3G宏蜂窝过渡到4G接入。宏蜂窝基站提供出色的广域覆盖范围，通常超过10公里（数十英里），并为跨越700MHz至2.6GHz的多个RF频段提供服务。在需要时，它们为其他基站提供回程。因此，宏蜂窝在蜂窝网络中发挥着关键作用，并将在未来继续发挥其重要作用。Rel-12 增强功能解决了帮助服务提供商增加更多宏蜂窝容量和提高蜂窝边缘性能，同时降低总体拥有成本的方法。载波聚合（DL 和 UL）、AAS 和空间多路复用是增强宏蜂窝基站性能的三个 Rel-12 功能。

下行载波聚合

DL-CA将各个分量载波（CC）组合在一起，以有效增加移动用户可用的传输带宽。分量载波可以位于LTE频段的频谱中。DL-CA允许服务提供商更好地利用700MHz至2.6GHz的碎片频谱，同时提供更高的用户峰值数据速率并增加整体网络容量。Rel-10指定每个用户的最大聚合带宽为100MHz，包括多达五个20MHz分量载波。初始LTE部署仅限于高达40MHz的聚合带宽，以更好地服务于网络运营商频谱资产和分配场景。典型应用将 5MHz、10MHz 或 20MHz 分量载波聚合在不同频段。

DL-CA有三种类型：（1）带内连续，（2）带内不连续和（3）带间不连续。9载波聚合可用于FDD或TDD模式，支持1.4、3、5、10、15和20MHz带宽。 图 6 总结了 DL-CA 的类型、不同的 CA 类别和传输带宽配置。在 Rel-10、Rel-11 和 Rel-12 中为上行链路和下行链路调用了不同的 CA 组合。在Rel-12中，引入了一种新的DL组合，该组合聚合了三个带间分量载波（3DL-CC）。例如，华为和LG Uplus在1MHz（CC = 5MHz）、7MHz（CC = 800MHz）和10MHz（CC = 2100MHz）下演示了LTE频段10-2600-20的聚合，以实现300Mbps的峰值吞吐量。10

图6.图示总结了不同类型的载波聚合、不同的 CA 类别和传输带宽配置。

LTE生态系统支持载波聚合，包括高通和Sequans的移动芯片组，三星S5和HTC One（M8）智能手机中的移动设备，以及爱立信、华为和诺基亚网络等公司的基站设备。与无线服务提供商联合演示的一些示例可实现高达450Mbps的峰值数据速率，包括华为和LG Uplus，® ®10爱立信和特莱斯特拉，11诺基亚和SKT。12目前，DL-CA即将在全球范围内的实时网络中增加，因此移动LTE用户很快就会享受到更高峰值数据速率的好处。

有源天线系统

AAS是eNodeB演进的下一步。蜂窝基站已经从传统的基站收发器（BTS）发展到远程无线电单元（RRU），再到集成天线无线电（IAR），现在又发展到AAS。图7显示了第二代无线电单元从塔底部的室内外壳移动到天线下方的塔顶的演进路径。RRU 用光纤电缆互连取代同轴馈线电缆。第三代将无线电单元（通常为2T4R）和天线罩内集成在一起，其中无线电与交叉极化天线阵列接口。第四代在天线内部集成了多个无线电收发器，其中每个无线电都与专用天线元件接口以形成阵列。一个例子是阿尔卡特朗讯的“立方体光收音机”的推出。13

图7.基站从第一代 BTS 到当代第四代的演变。

每一代基站都在一个或多个关键领域进行了改进：更好的无线电性能、更低的工作功率、更小的尺寸或更快的安装时间。例如，从 BTS 过渡到 RRU 时，功耗降低了 50%，下行链路损耗降低了 3dB。从 RRU 到 IAR 的过渡使尺寸减小了 40%，功耗降低了 8%，下行链路损耗降低了 1dB。14第四代 AAS 实现了全新的、更高水平的性能。

AAS是一项进化性发展，将使宏蜂窝能够将LTE容量精确地集中在特定的用户组。它将提高小区边缘性能，同时降低基站的工作功耗。AAS基站的潜力在于电子波束形成和空间处理技术，可以产生动态可调的辐射图。图 8 说明了 AAS 结构。射频收发器和天线元件阵列允许对相位和幅度进行电子基带控制，以塑造和引导辐射波束。此控制支持单天线蜂窝扇区细分。波束模式的水平（方位角）和垂直（仰角）控制实现了几个重要的应用：（1）垂直扇区化，（2）独立的TX-RX倾斜，（3）RAT倾斜，（4）接收器分集和（5）全维MIMO。

图8.具有嵌入式射频的有源天线系统 （AAS） 的结构（左）和宏蜂窝基站中的 AAS 波束成形功能（右）。

图9显示了无线服务提供商可在宏蜂窝基站中利用的AAS应用示例。通过波束成形和波束控制，AAS宏小区可以更好地利用无线电资源，适应不断变化的流量模式，并改善移动用户体验。例如，RX 和 TX 光束的独立 TX-RX 电子倾斜可用于优化单个 UL 和 DL 路径;因此，当 RX-TX 链路预算不同时，可以延长移动设备的电池寿命。当UL路径得到优化时，移动设备发射器的功率放大器可以设置为最佳工作功率水平，而不会浪费电池能量。

AAS可以为LTE生态系统带来许多好处。然而，AAS基站的射频特性与传统天线系统不同，必须对此进行详细研究。

图9.宏蜂窝基站可实现多种 AAS 波束成形和波束控制应用。

在Rel-12中，一个工作组正在研究AAS。3GPP 有源天线工作项的主要目标是确定 AAS 基站的射频要求和一致性测试。其中一些主题包括相邻信道泄漏比 （ACLR）、带内/带外发射、接收机灵敏度、接收机阻塞器性能和 3D 信道建模。15AAS被广泛认可的好处是3GPP研究背后的主要原因：通过采用具有光束整形和转向的柔性细胞分裂来增加容量;消除电缆衰减和功率损耗;安装在塔顶上的组件更少;以及通过收发器冗余实现更好的网络可用性。AAS 第四代基站的出现有望为宏蜂窝提供更高水平的性能，并有效提供新的 4G 服务，如 LTE 语音和 LTE 广播。

使用下行链路 MIMO 进行空间多路复用

在 100MHz 载波聚合频带受限系统中传输每秒千兆位的下行链路峰值数据速率需要超越高阶调制的频谱效率技术。随着无线通信链路接近香农容量定理的极限，必须利用空间维度，因此必须采用具有多个天线配置的空间复用。LTE Rel-8包含具有2层传输的2X4和4X4 MIMO。Rel-10将其扩展到8X8下行链路MIMO，也称为传输模式9（TM9）。Rel-12探索了优化8X8 DL MIMO的方法，并包括对全维MIMO（FD-MIMO）的研究，并得到了AAS的补充。

采用具有 8X8 下行链路 MIMO 的空间复用可以将吞吐量提高 8 倍，而无需使用更多频谱带宽。在通信链路可靠性很重要或信号条件较差的情况下，可以采用下行链路空间分集（发射分集）来获得分集增益并提高信干加噪声比（SINR）。通过 MIMO 空间复用或 MIMO 空间分集，可以实现重要的网络性能提升。然而，这些先进技术需要在eNodeB和移动用户设备（UE）上安装多个天线。部署 8x8 MIMO 需要在 eNodeB 和 UE 上安装八根天线，如图 10 所示。由于需要天线空间分离，因此很难在智能手机等小型移动设备中集成八根天线。然而，4X4 MIMO是实用的，天线开发的新进展就像SkyCross看到的那样。16其中已证明 580Mbps 峰值数据速率。大尺寸设备，如数据饥渴的平板电脑和笔记本电脑，将更容易集成八个天线。由于在大屏幕设备上观看高清 （HD） 视频内容更加实用和愉快，平板电脑和移动 PC 可以充分利用具有高吞吐量 8X8 MIMO 的移动高清视频。此外，由于移动视频是数据流量增长的主要驱动力，并被视为无线服务提供商的增值功能，因此宏蜂窝eNodeB有一个重要趋势，即支持具有四层和八层传输的多个天线。

图 10.使用 8X8 MIMO 进行空间复用需要在 eNodeB 和移动用户设备上安装八根天线。

下行链路MIMO的大部分基础是在Rel-8到Rel-11会话中完成的。这包括开发传输模式 1 到 9、码本结构、信道状态信息 （CSI） 反馈、解调参考信号 （DM RS）、下行链路控制信息 （DCI） 格式以及 SU-MIMO 和 MU-MIMO 之间的动态切换。为了提高频谱效率，Rel-12 侧重于两项 CSI 增强功能：（1） 4TX 预编码矩阵索引反馈，以及 （2） 非周期性反馈物理上行链路共享信道模式3-2。Rel-12也开始了FD-MIMO的初步研究。

FD-MIMO 将 AAS、3D 波束成形和空间复用相结合，在提高网络容量的同时提供高效的频谱利用率。FD-MIMO的可能性如图11所示，其中天线波束可以精确且独立地聚焦在不同方位角和仰角平面上的许多移动用户。在 Rel-10 和 Rel-11 中，MIMO 功能专门解决了方位角中的 eNodeB 天线方向性。Rel-12探索了充分利用空间域的方法。

图 11.全维MIMO （FD-MIMO）与3D波束成形的应用。

为了实现FD-MIMO愿景，需要在3D信道建模、码本设计、反馈增强和AAS无线电要求的定义方面做进一步的工作。然而，第一步，将多个宽带无线电发射机通道集成到空间受限的天线系统中，可以通过创新的比特到RF解决方案来解决。本应用笔记第2部分介绍了如何将直接变频RF-DAC技术嵌入AAS，以降低发射器工作功耗、最小化散热并缩小电路板面积。

结论

本应用笔记是本系列文章的两部分，第1部分探讨了推动全球采用LTE-Advanced的市场力量，并讨论了4G蜂窝基站设备的演进。应用说明回顾了 3GPP Rel-12 工作项目以及 eNodeB 下行链路发射器应用的相关技术趋势。它解释了Rel-12在宽带载波聚合，多层空间复用和AAS中的增强功能如何为4G网络提供许多好处，即覆盖范围，容量，网络利用率和峰值数据速率的改善。然而，在设计宏蜂窝eNodeB发射器时，Rel-12功能带来了新的模拟集成挑战。确切地说，设计人员需要提高发射机通道密度，并提供具有全载波频率捷变的超宽带性能，同时受到小尺寸、低功耗和系统成本降低的限制。

本应用笔记系列的第2部分介绍了一种颠覆性的无线电解决方案，可帮助工程师塑造新的RF发射器架构并克服Rel-12模拟集成挑战。第2部分重点介绍产生单芯片无线电发射器解决方案的新型RF DAC技术。读者将了解RF DAC技术如何为无线电工程师提供一种将尺寸缩小60%、减少75%元件数量以及将每通道工作功耗降低1000mW的方法。

审核编辑：郭婷