為什么使用 Femto 基站？

基于 3GPP 的第三代蜂窩系統(tǒng)設計用于支持全移動多媒體體驗，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)擴容、改善服務質(zhì)量（QoS）等問題。

面對這樣的要求，“Femto”蜂窩基站應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，通常可以采用住宅的 DSL 線路。手機僅與家里的Femto 基站通信，從而使用戶擺脫對宏蜂窩基站的依賴。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荷。下面，我們簡單介紹 Femto 基站部署的基礎，了解 Maxim 射頻方案如何為這一技術提供關鍵優(yōu)勢。

提高蜂窩覆蓋

蜂窩系統(tǒng)的設計需要在手機電池壽命、手機計算功耗、基站用戶負荷之間達到最佳平衡。此外，隨著蜂窩標準的不斷完善，可以充分發(fā)揮先進的移動 DSP 的性能優(yōu)勢。蜂窩系統(tǒng)運營商緊跟這一趨勢，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“無處不在”的移動互聯(lián)。由于蜂窩手機用戶以每年 1 億的速率增長，在這一利益的驅(qū)使下，形成了一個高效、極具競爭的供應鏈，以保證低價格、高性能。

寬帶無線通信與蜂窩 RF 業(yè)務的比較

寬帶無線系統(tǒng)的開發(fā)和部署與蜂窩系統(tǒng)的開發(fā)計劃如影隨形，以滿足市場 / 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，當用戶在附近停留或在飯店用餐時可以使用網(wǎng)絡。隨后，有些城市開始著手建設 Metro-Wi-Fi 接入點，為商業(yè)區(qū)提供服務。這種模式非常成功，2004 年發(fā)布了更好的無線接入系統(tǒng)，即 802.16 WiMAX? （以及韓國的 WiBro?），目的是提供“城域?qū)拵o線接入”服務。

采用正交頻分復用（OFDM）代替單載波調(diào)制，能夠允許這些寬帶無線系統(tǒng)克服城市的多徑效應，但發(fā)射功率需要提高 4 倍。這是因為 OFDM 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 作為超級移動 PC （UMPC）的 RF 連接標準，超級移動 PC 的大小定義為普通蜂窩電話的大約 6 倍。因此，UMPC 促進了 WiMAX 服務，但由于 WiMAX 需要更大容量的電池，所以很難將其集成到超薄 / 翻蓋手機中。

發(fā)射塔建設

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

有線固定住宅業(yè)務

有線住宅接入系統(tǒng)是對住宅 WiMAX 的有力補充。住宅業(yè)務一般包括光纖到戶（PON）、電話線 DSL 和有線電視互聯(lián)接入。在發(fā)達國家，這些業(yè)務得益于網(wǎng)絡終端設備的長期發(fā)展。PON 是比較新的接入方案，但網(wǎng)絡的本地交換運營商（LEC）已經(jīng)擁有道路使用權，只需要用新光纖替換老舊的銅纜即可。

這些業(yè)務為 Femto 基站部署提供了現(xiàn)成的設計平臺，我們將在下文詳細討論。

基本的 Femto 基站部署

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

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

圖 1 中，左側(cè)部分為蜂窩手機與蜂窩發(fā)射塔的直接連接方式，圖中房屋為木質(zhì)結構，穿過墻壁的損耗相對較低，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)的信號可以很微弱，F(xiàn)emto 基站扮演了一個“個人、專用基站”的角色，不與宏蜂窩基站通信。

需要指出的一點是現(xiàn)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 基站克服了蜂窩系統(tǒng)的關鍵問題

容量限制

傳統(tǒng)的宏蜂窩基站在高峰時段的呼叫容量受到一定限制。系統(tǒng)按照統(tǒng)計學原理設計，采用了流量排隊理論處理既定時間的呼叫數(shù)量。所以，長時間的通話會降低高峰時段的呼叫容量。

另外，當基站為位于邊界附近的手機提供服務時，宏蜂窩基站將不得不增大發(fā)射功率，這會影響為其他客戶服務的動態(tài)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(fā)射的動態(tài)范圍（見圖 2）。

圖 2. 呼叫距離對宏蜂窩基站發(fā)射功率的影響

這兩種因素限制了宏基站的容量，進而影響運營商的收益，并將新用戶拒之門外。

Maxim 的單芯片 Femto 基站 RF 收發(fā)器

Maxim 的 RD2550 Femto 基站參考設計能夠滿足 WCDMA 波段 1 的 TS25.104 要求，我們還提供 WCDMA 波段 2、4 和 5 的參考設計。該參考設計的核心是單片收發(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線工作狀態(tài)。

我們已經(jīng)完成完整的 RF 收發(fā)器參考設計。利用收發(fā)器集成的 LNA，支持宏蜂窩基站監(jiān)測模式。圖 3 所示為參考設計電路板，詳細信息請見參考設計 5364：利用 MAX2550–MAX2553 收發(fā)器構建的 Femtocell 射頻參考設計。

Maxim Femto 基站參考設計

滿足 UTRA 波段 1 Femto 基站標準（3GPP TS25.104）

Femto 基站的主要指標如表 1 所示，對于 WCDMA Femto 基站，滿足接收機和發(fā)射機 TS25.104 的動態(tài)范圍要求比 TS25.101 手機規(guī)格的要求更嚴格，相差至少 10dB。但是，由于預計的產(chǎn)量很大，集成度和 BOM 成本還必須做到手機的同等水平。因此，理想情況下最好采用低成本、高集成度的手機芯片組設計，而在與手機相反的收 / 發(fā)頻帶內(nèi)也要保持高性能（基站應用）。

TS25.104 主要要求

例如在接收通道，用于測量 ACS 的 5MHz 頻偏內(nèi)阻塞要做到 -38dBm，比 -52dBm 的手機要求苛刻得多。同樣，用來測試通道選擇性的 10MHz 頻偏內(nèi)，阻塞要做到 -30dBm，而手機僅要求 -56dBm。因此，接收器必須具有更高的 IIP2 和 IIP3 性能。

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

系統(tǒng)性能測試和分析

接收靈敏度是一個重要的系統(tǒng)指標，受 RF 通道的信號質(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 計算，在靈敏度計算中，基帶解調(diào)器 BER 為 0.001%的 QPSK 信號要求 Eb/No 為 7.5dB，靈敏度可根據(jù)下式計算：

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，相對于擴頻帶寬 = 10log （3.84MHz/12.2kbps） = 25dB

如果 NF 為 10.5dB，靈敏度計算如下：

-108.13dBm + 10.5dB + 7.5dB - 25dB = -115.13dBm

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

按照 TS25.141 規(guī)定的測試模型 1 （TM1）測量 Tx 性能，TM1 信號模擬實際的流量情況，pk-avg 可能較高。

在 3.84MHz WCDMA 帶寬測量最大功率，在 5MHz 頻偏位置測量 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 基站參考設計的性能測試

RD2550 參考設計性能測試

TM1 16DPCH 信號 ACLR，+20dBm 輸出功率

TM1 16DPCH 信號 EVM，+20dBm 輸出功率

結論

Femto 基站將為住宅內(nèi)的手機通信帶來更好的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡體驗。由于必須滿足嚴格的基站性能指標，而成本卻要保持在手機成本的同等水平，F(xiàn)emto 基站設計面臨巨大挑戰(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 無線電參考設計基于 MAX2550 Femto 射頻收發(fā)器，達到了目前市場的最高性價比水平。
責任編輯:pj