Femto基站及其射頻方案

要：本篇應用筆記討論3G femto基站的開發和部署。同時還討論最后一英里接入技術的市場定位及技術挑戰，3G femto基站在其中被認為是最好的解決方案。最后介紹了Maxim兼容3GPP TS25.104的射頻方案。

關于部署3G femto基站

3GPP定義第三代移動通信的目的是要為客戶提供全方位的移動多媒體體驗。但很多條件下，這一目的并未實現，尤其是在邊遠地區或居民聚集區。

一個可行的解決方案是在家庭范圍內部署無需宏node-B基站即可提供最大移動數據速率的家用基站，根據功率它們被稱為“毫微微蜂窩(femto)”基站。

• +45dBm：能夠覆蓋室外大約5km的宏基站
• +30dBm：能夠覆蓋大約0.5km的微蜂窩基站
• +15dBm：能夠覆蓋室內大約50米范圍的femto基站

Femto家用基站通過公共交換電話網與整個網絡相連，這通常可利用入戶的DSL。手機僅同家中的femto基站通訊，從而可將該用戶與宏蜂窩完全斷開。

在后面的段落里，我們將回顧部署femto家用基站的依據，并介紹Maxim射頻解決方案的諸多關鍵優勢。

提高蜂窩覆蓋范圍的一般性考慮

移動通信系統設計必須在手機電池工作時間、手機計算能力、基站用戶負載之間作一定的權衡。另外，移動通信標準也在隨移動終端DSP計算性能持續進步而發生變化，移動運營商緊跟這一趨勢，不斷提供更多更好的多媒體服務，以期帶來更多的用戶并增加收入。而用戶最終也將獲得“無處不在”的移動接入能力。例如，在每年新增1億手機客戶的利益驅動下建立的新型供應鏈具有極強的競爭力，并有助于保持極高的性價比。

寬帶無線與蜂窩移動通信

與蜂窩移動通信同時發展的還有寬帶無線網，開始是一些咖啡屋為在附近停車或停留的客戶提供802.11互聯網接入的Wi-Fi服務，后來，一些城市建立了實驗性的城域Wi-Fi網為城市核心區提供寬帶無線接入。這一模式的成功導致2004年出現了另一個更好的寬帶無線系統，即802.16 WiMAX (韓國叫作WiBro)，希望提供“城域寬帶無線接入”服務。

由于采用OFDM代替單載波，這些寬帶系統能夠克服城市中的多徑干擾，但卻需要4倍的發射功率。這是由于采用了OFDM的802.16d的峰均值比(pk-avg)為大約11dB，而WCDMA 3GPP的pk-avg僅為5dB。Intel®支持將WiMAX作為超便攜PC (UMPC)的無線連接方式，超便攜PC的外形尺寸大概相當于6個手機，所以可以使用WiMAX服務，但對于超薄/翻蓋手機來說，WiMAX需要的電池太大了。

發射塔的建設

對于蜂窩移動通信系統和WiMAX來說，發射塔的建設和占地都是一個問題。征地費用和市政規劃對“丑陋”基站的限制意味著建設新發射塔的速度對兩種系統都是一樣的。但是，蜂窩移動通信的運營商在WiMAX出現前20年就已開始建設發射塔了，所以在發射塔覆蓋和新建發射塔方面拔得頭籌。

那里適合寬帶有線接入

寬帶有線接入服務與固定接入的WiMAX直接競爭，寬帶有線接入通常包括光纖到戶(PON)，電話線DSL，以及有線電視互聯網接入系統。在“第一世界”國家，這些服務可從以前建立的復雜的基礎設施中受益，PON是一個新技術，但由于區域性電信運營商(LEC)已經投入了大量資金進行基礎設施建設，只有在舊的銅纜系統需要更換時才考慮使用光纖系統。

對于femto基站的部署來說，這些接入服務是必需的，但卻可以免費獲得，關于這一點，我們將在下面的章節中作更多的討論。

Femto基站的實現

圖1將通過node-B宏基站接入的傳統蜂窩移動通信系統與femto基站進行了對比。


圖1. 傳統node-B宏蜂窩移動接入與femto基站連接

圖1左側是傳統從手機到基站的直連方式。在這里我們用一個木屋進行示意，其對射頻信號損耗相對較低，同時假設其離宏基站的距離相對較近。

圖1右側是混凝土高層公寓，公寓中安裝有femto基站。Femto基站通過有線DSL接入網絡。如圖中所示，宏基站到高層公寓的信號很弱，femto基站作為“私有、專用基站”，不與宏基站進行通信。

需要指出的一點是現在許多基帶DSP供應商都可提供成熟方案，使femto基站能夠克服宏基站和其它femto基站信號的干擾，這一點對femto基站來說很重要。

Femto基站可以克服蜂窩移動通信系統的許多缺點

容量限制

傳統的宏蜂窩基站在很多用戶都試圖打電話的時通常是容量受限的，系統按統計學原理設計，采用了流量排隊算法來處理既定時間內的既定呼叫數。因此，長時間的通話將會降低繁忙通話時間的呼叫總數。

另外，當基站為位于邊界附近的手機提供服務時，宏基站將不得不增加發射功率, 這會影響為其他客戶服務的動態范圍。所以，邊界附近的手機呼叫也會降低總呼叫容量因為他們會壓縮基站發射的動態范圍(見圖2)。


圖2. 呼叫距離對宏基站發射功率的影響

這兩個因素限制了宏基站的用戶容量，因此，也會影響運營商的收入，并最終導致新用戶的減少。

基于DSL的家用基站

根據統計，大約有一半的手機呼叫來自于室內，很多用戶都抱怨在混凝土結構的公寓中接收信號不理想。

圖3所示為兩類建筑的路徑損耗，由于許多3G手機需要高于-110dBm的接收功率才能實現可靠的IP數據服務，可以看出，在混凝土建筑中，接收靈敏度已經低至無法為客戶提供數據服務的程度。


圖3. 兩類建筑的路徑損耗

與此同時，大家可以看到DSL在歐洲已經被采納，在美國已經非常成熟了，在包括中國的亞太地區也被廣泛的應用，新型的DSL調制解調器能夠與此服務配套。

許多美國和歐洲的手機用戶家中都有無繩電話(POTS或IP電話), DSL或cable modem計算機互聯網接入, TV, Wi-Fi等。3G手機運營商希望推出最有競爭力的多媒體服務與這些服務競爭。

圖4所示為femto基站與家庭Wi-Fi共存，取代無繩電話的情景。


圖4. Femto基站與家庭Wi-Fi接入共存

Maxim的femto基站射頻收發芯片組

Maxim的femto基站參考設計V8.0可以滿足TS25.104對WCDMA band class 1的要求，該RF芯片組包括兩片帶Σ-Δ位流數字接口的RF收發器，可直接與基帶DSP/調制解調器互聯。收發器使用降低幅度的LVDS接口，濾波器在基帶DSP/調制解調器中實現，射頻部分可通過軟件配置。

這是一個射頻收發器部分的完整參考設計，接收芯片內集成的LNA支持發送監視模式，圖5是參考設計電路板照片。


圖5. Maxim femto基站參考設計

可以滿足UTRA Band 1 femto基站標準(3GPP TS25.104)

Femto基站的主要要求如表1所示，對WCDMA femto基站來說，同時滿足TS25.104對發送和接收動態范圍的要求比滿足TS25.101對手機的要求困難的多，差距至少有10dB。但是，由于預計的產量很大，所以對集成度和BOM成本的要求又要做到和手機類似。因此，理想的系統最好采用低成本高集成度的手機芯片組設計，但在收/發與手機相反的頻帶內保持高性能(基站應用)。

表1. TS25.104主要要求

系統性能測試和分析

接收靈敏度是一個重要的系統指標，受RF通道的信號質量和基帶調制解調器DSP處理能力的影響較大，在最小輸入信號條件下，RF通道質量受接收器噪聲(即NF)的影響。

接收靈敏度可通過系統NF計算。在靈敏度計算中，(基帶解調器) BER為0.001%的QPSK信號要求E_b/N_o為7.5dB，靈敏度可根據下式計算：

參考靈敏度 = KTB + NF + (E_b / N_o) - PG

其中：
BW = 3.84MHz碼率
KTB = -174dBm/Hz + 10 log(3.84MHz) = -108.13dBm
PG = 相對于擴展頻帶的12.2kbps比特率 = 10log(3.84MHz/12.2kbps) = 25dB

如果NF為10.5dB，靈敏度為：
-108.13dBm + 10.5dB + 7.5dB - 25dB = -115.13dBm

ACS和阻塞性能可以用同樣的方法計算，在指定干涉條件下測量系統NF。這里的靈敏度差一些是因為干涉增加了噪聲。

Tx性能用TS25.141 Test Model 1 (TM1)指定的信號進行測試。TM1信號模擬真實通信場景，可能峰均比會稍高些。

最大功率在3.84MHz的WCDMA帶寬內測試，ACLR在5MHz偏移處測得。本參考設計發送ACLR的性能取決于外部PA。

Femto基站參考設計V8.0 UTRA Band 1性能測試結果

表2. V8.0參考設計性能

結論

Femto基站將為在家中的手機用戶帶來更好的數據網絡體驗。為在接近手機成本的前提下滿足基站苛刻的性能要求，電路設計將會更困難。而Maxim的femto基站芯片組既能滿足3GPP TS25.104關鍵指標性能的要求，又可滿足對BOM成本的要求。

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