基于MIMO的LTE數(shù)字直放站技術(shù)研究及系統(tǒng)應(yīng)用

 1.引言

LTE(Long Term Evolution)是近兩年來3GPP啟動的最大的通信新技術(shù)研發(fā)項目，由于LTE標(biāo)準(zhǔn)具有更高頻譜效率的無線接入技術(shù)及平滑的IP核心網(wǎng)絡(luò)，相比于 2G/3G的移動網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)性能獲得大幅度的提高，并明顯降低了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營成本。LTE作為新一代技術(shù)路標(biāo)，其目標(biāo)容量和數(shù)據(jù)速率的提高可支持對容量和性能有較高要求的新業(yè)務(wù)和特征，隨著必要的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和技術(shù)改進(jìn)，下行鏈路和上行鏈路通道數(shù)據(jù)速率更高，其中基于TDD的TD-SCDMA將演進(jìn)到TDD- LTE，而基于FDD的WCDMA，CDMA2000將演進(jìn)到FDD-LTE。移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長與智能手機(jī)的高速發(fā)展，正在加速移動寬帶市場的發(fā)展，2010年開始，F(xiàn)DD LTE已經(jīng)進(jìn)入全球化商用部署階段，目前已遍及歐洲?北美?亞太和中東等。

7月13日，工業(yè)和信息化部有關(guān)負(fù)責(zé)人明確表示，將根據(jù)企業(yè)申請情況和所具備的條件，推動年內(nèi)發(fā)放4G牌照，加快推進(jìn)中國4G產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。在國內(nèi)， 中國移動近期啟動的TD-LTE一期招標(biāo)正在如火如荼地進(jìn)行，此次招標(biāo)建設(shè)的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，建成后將是全球最大的4G網(wǎng)絡(luò)。而中國聯(lián)通仍會堅持FDD LTE的各項準(zhǔn)備和實驗工作，中國聯(lián)通在4G時代的終端和網(wǎng)絡(luò)上仍可能占優(yōu)勢。

因此未來1-3年LTE將會進(jìn)入全面覆蓋的時候，基站網(wǎng)絡(luò)一旦形成，需要大量的直放站進(jìn)行補(bǔ)充和支撐，以形成完整的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，而且LTE通信的智能面很高，終端一般在室內(nèi)，因此，各類數(shù)字化?多模化?集成化?智能化的直放站及其室內(nèi)數(shù)字分布系統(tǒng)需求仍有較大的市場。

2.基于MIMO的LTE數(shù)字光纖直放站

2.1 整體架構(gòu)

在移動通信領(lǐng)域，直放站是基站網(wǎng)絡(luò)形成以后，進(jìn)行盲區(qū)的覆蓋補(bǔ)充和完善，新型數(shù)字光纖直放站是目前直放站中應(yīng)用最廣泛的。以典型的2*2MIMO的新型數(shù)字光纖直放站原理框圖如圖1所示：

遠(yuǎn)端機(jī)主要分為4個大模塊：數(shù)字處理模塊?RFIC收發(fā)模塊?功放和雙工器濾波模塊。數(shù)字處理模塊用于光傳輸?shù)恼{(diào)制解調(diào)?數(shù)字上下變頻?A/D轉(zhuǎn)換等;收發(fā)模塊完成中頻信號到射頻信號的變換;再經(jīng)過功放和濾波模塊，將射頻信號通過天線口發(fā)射出去。近端機(jī)更簡單，主要比遠(yuǎn)端機(jī)少了低噪放和功放，其他原理和遠(yuǎn)端機(jī)類似。

2.2 新型LTE數(shù)字直放站的主要技術(shù)

不用于傳統(tǒng)的2G?3G數(shù)字光纖站，新型的基于MIMO技術(shù)的LTE數(shù)字直放站是將多路的射頻信號數(shù)字化，采用RFIC射頻集成技術(shù)?多路DPD線性處理技術(shù)?高效率功放技術(shù)?數(shù)字變頻技術(shù)?多路基帶信號處理技術(shù)?數(shù)字光端機(jī)?嵌入式軟件輔助系統(tǒng)來完成。其主要特點是可提高直放站靈活性?抗外界干擾的能力?提高功放效率，滿足節(jié)約型社會需要。同時在軟件系統(tǒng)的幫助下，輕松實現(xiàn)升級擴(kuò)容，組網(wǎng)方式靈活多變。其主要創(chuàng)新的技術(shù)包括以下幾方面：

(1)射頻小信號?數(shù)字硬件一體化技術(shù)及實現(xiàn)方案

由于要求直放站設(shè)備體積盡量小，整機(jī)系統(tǒng)子模塊可以考慮高度集成?一體化設(shè)計，并作好結(jié)構(gòu)的散熱分析設(shè)計。為了低成本和小體積的設(shè)計考慮，采用一體化集成RFIC芯片設(shè)計，如ADI的AD9362，Maxim的MAX2580等一體化集成芯片可以滿足設(shè)計指標(biāo)要求。其一體化集成芯片設(shè)計主要包括鎖相環(huán)，模擬寬帶上下變頻，ADC?DAC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以及中頻濾波放大等。主要功能是對輸入?輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行各種放大?濾波和頻率變換;由于正交分解后的I/Q 兩路基帶信號對上述后續(xù)處理往往帶來很大的方便和良好的性能，大部分?jǐn)?shù)字變頻方案都采用了正交兩路處理的典型結(jié)構(gòu)。

(2)高效率高線性功放設(shè)計

總功率輸出10W以上的功放，其功放模塊采用了Doherty功放合成技術(shù)和先進(jìn)算法的雙通道分時處理的單路DPD技術(shù)相結(jié)合，使功放的線性和效率得到很大的提高，既滿足LTE信號對線性的高要求，又降低了設(shè)備功耗，減小運(yùn)營商的運(yùn)營成本。其功放模塊的原理框圖如圖2。

①Doherty功放合成技術(shù)及實現(xiàn)

功率放大器的線性度和效率是設(shè)計功率放大器的重點。Doherty方法被認(rèn)為是提高效率最有前景的一種結(jié)構(gòu)。Doherty功放有一個主功放和峰值功放構(gòu)成，將輸入信號的平均部分和峰值部分分開放大，然后合成，通過對輸出的合路微帶的設(shè)計，使峰值功放和主功放都起到Load-Pull的作用從而獲得高效率。數(shù)字預(yù)失真DPD與Doherty結(jié)合的結(jié)構(gòu)具有很大的價值。

由于LTE系統(tǒng)采用了OFDM和64QAM調(diào)制方式，具有很高的峰值功率，因此本項目采用適當(dāng)?shù)南鞣錍FR技術(shù)，包絡(luò)跟蹤技術(shù)和2路Doherty合成等技術(shù)，進(jìn)一步提高功放效率。

②功放部分采用了多通道分時處理的單路數(shù)字預(yù)失真DPD技術(shù)及實現(xiàn)

D P D技術(shù)的優(yōu)點是不存在穩(wěn)定性問題，有更寬的信號頻帶，能夠處理含多載波的信號，效率較高。為了滿足LTE調(diào)制信號對功放的高線性要求，新一代功放的DPD 技術(shù)得到了極大地發(fā)展。DPD算法的主要思想是對功放的非線性效應(yīng)進(jìn)行反向建模，以抑制它的非線性影響，使功放盡可能線性化。

另外LTE數(shù)字光纖站開發(fā)采用多天線技術(shù)，支持2天線，相應(yīng)的下行功放輸出有2路，采用射頻開關(guān)切換，分別對其每路功放進(jìn)行DPD數(shù)字預(yù)失真處理， 通過軟件設(shè)計一定時間進(jìn)行切換保持，可以保證每路的DPD的性能，比傳統(tǒng)DPD方式減少了1路，節(jié)省了硬件空間，并節(jié)約了成本。

(3)CPRI支持大容量接口協(xié)議的研究

通用公共無線接口聯(lián)盟(簡稱CPRI)是一個工業(yè)合作組織，致力于從事無線基站內(nèi)部無線設(shè)備控制中心(簡稱REC)及無線設(shè)備(簡稱RE)之間主要接口規(guī)范的制定工作。本項目采用XLINX公司的FPGA的方式，將CPRI接口部分和數(shù)字前端部分集成到一個芯片當(dāng)中，從而提高了系統(tǒng)的集成度和抗電磁干擾能力，降低了系統(tǒng)成本，同時FPGA的可再編程性，使得CPRI接口可以根據(jù)需要靈活調(diào)整，增強(qiáng)了不同設(shè)備廠商之間的設(shè)備兼容性。同時FDD-LTE 分布式基站Ir接口技術(shù)要求也已經(jīng)制訂出來相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。隨著相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，CPRI標(biāo)準(zhǔn)也已不斷進(jìn)行了更新和升級。

4G移動通信LTE采用了MIMO技術(shù)，其數(shù)據(jù)容量增大了幾倍，因此對于光纖數(shù)據(jù)傳輸相應(yīng)的容量要求也更高了，現(xiàn)在XLINX?ALTERA? LATTICE等公司都新推出的各類型的FPGA可以滿足低成本數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計的需求。本項目采用了XLINX數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)算法，降低了數(shù)字光模塊的速率要求，滿足了低成本光纖傳輸?shù)脑O(shè)計需求。

(4)軟件無線電技術(shù)的研究

采用軟件無線電思想設(shè)計數(shù)字直放站，可以使得直放站的系統(tǒng)升級和功能增加都可以采用軟件的方式進(jìn)行加載。項目采用可重構(gòu)的FPGA作為系統(tǒng)核心器件，目的就是要將數(shù)字前端的數(shù)字上下變頻?CFR?DPD，以及一些基帶的處理都放在FPGA中進(jìn)行設(shè)計，并且Xilinx公司的V4，V5等系列 FPGA還集成了DSP，可以完成CPU的部分功能，有利于直放站設(shè)計的小型化和集成化，實現(xiàn)功放效率的提升，支持多載波和可以遠(yuǎn)程升級。 3.LTE數(shù)字光纖直放站產(chǎn)品應(yīng)用及組網(wǎng)方式

FDD LTE數(shù)字化典型直放站設(shè)計平臺上進(jìn)行深入開發(fā)，根據(jù)實際LTE的使用特點及兼容2G，3G覆蓋市場的市場需求開發(fā)派生出了相應(yīng)使用環(huán)境的各種類型的數(shù)字直放站產(chǎn)品。綜合考慮應(yīng)用到4G LTE的數(shù)字直放站產(chǎn)品方面，主要有典型的大功率數(shù)字光纖站，小功率一體化天線(或偽裝天線)數(shù)字光纖站產(chǎn)品，以及微功率光纖分布系統(tǒng)產(chǎn)品。

3.1 典型的大功率LTE數(shù)字光纖站

典型的大功率LTE數(shù)字光纖站主要有每路輸出10W，20W，40W，60W等功率級別的產(chǎn)品。由于采用了射頻集成一體化，和高效率?高線性的功放設(shè)計，新型的FDDLTE數(shù)字光纖站的體積更小，效率更高。

這種數(shù)字光纖站一般應(yīng)用于道路沿線長距離覆蓋，大型住宅小區(qū)覆蓋，解決城區(qū)基站尋址難問題的場合覆蓋。

其組網(wǎng)方式主要有網(wǎng)狀，星型，菊花鏈，以及混合形組網(wǎng)方式，如圖3。菊花鏈組網(wǎng)方式非常適合于道路沿線長距離覆蓋，星型+菊花鏈型混合方式組網(wǎng)，該組網(wǎng)方式適用于大范圍?大面積網(wǎng)絡(luò)覆蓋應(yīng)用可以組成分布式覆蓋系統(tǒng)進(jìn)行大范圍覆蓋。

3.2 小功率一體化天線(偽裝型)數(shù)字光纖站產(chǎn)品

隨著運(yùn)營商及客戶的發(fā)展需求，很多小區(qū)城中村不斷的增加，弱信號覆蓋區(qū)域越來越多，而隨著通訊知識的普及，群眾對射頻信號輻射的意識已逐漸增強(qiáng)，因此物業(yè)協(xié)調(diào)難度也越來越大，很多應(yīng)用場景不能使用正常的天線進(jìn)行覆蓋補(bǔ)盲，這就需要有一種輻射功率不大且天線偽裝的直放站，使直放站設(shè)備工程架設(shè)容易又對群眾的影響降到最低。

鑒于上述存在的問題，開發(fā)一種小功率一體化天線(偽裝型)的數(shù)字光纖直放站產(chǎn)品將會得到廣泛的應(yīng)用，其組網(wǎng)工作原理示意圖如圖4。設(shè)備功率每路最大支持2W，美化機(jī)箱尺寸及外觀以閉路配線箱或網(wǎng)絡(luò)集線箱來設(shè)計，設(shè)備使用的光纖及取電均使用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)網(wǎng)資源，由于采用了隱蔽小巧的外觀，不用業(yè)主協(xié)調(diào)，工程安裝方便快捷，能夠有效解決城中村及復(fù)雜住宅小區(qū)等場景的信號覆蓋問題。

3.3 包含4G LTE的多業(yè)務(wù)數(shù)字光纖分布系統(tǒng)產(chǎn)品

只有近端和遠(yuǎn)端的數(shù)字光纖站，在室內(nèi)分布系統(tǒng)中，由于帶載的遠(yuǎn)端數(shù)量的限制，無法在實際室內(nèi)分別工程的得到大量應(yīng)用。因此考慮在近端?遠(yuǎn)端之間加擴(kuò)展單元，這就是目前已在2G?3G制式大量應(yīng)用的微功率光纖分布式系統(tǒng)，而在此系統(tǒng)加入2*2 MIMO 的4G LTE以支持多模多業(yè)務(wù)的新型光纖分布系統(tǒng)。微功率光纖分布式系統(tǒng)是指由接入控制單元(AU:AcessU n i t ) ?近端擴(kuò)展單元( M E U ： E x t e n dUnit)?遠(yuǎn)端射頻單元(RU:Remote Unit)三部分組成的支持2G?3G?4G?WLAN?固網(wǎng)寬帶等多業(yè)務(wù)的新型分布系統(tǒng)，其組網(wǎng)方式靈活，帶載的遠(yuǎn)端數(shù)量也更多。目前已經(jīng)開始廣泛用于2G/3G/4G/WLAN 無線通信信號深度覆蓋。

4.總結(jié)

新一代基于MIMO技術(shù)的LTE數(shù)字光纖直放站在技術(shù)方面，與2G?3G數(shù)字直放站相比，具有一定的技術(shù)創(chuàng)新和更出色的技術(shù)指標(biāo)和性能，以及其體積小?集成度高?功耗低?覆蓋質(zhì)量好?智能性更高。

其多種類型的擴(kuò)充產(chǎn)品(包括大功率數(shù)字光纖站，小功率一體化天線(或偽裝天線)數(shù)字光纖站以及微功率光纖分布系統(tǒng)等)能適合各種工程應(yīng)用場合的無線通信信號的深入覆蓋。這些系列的LTE數(shù)字直放站產(chǎn)品系列并將成為移動通信信號覆蓋的非常具有競爭力的覆蓋解決方案。