為什么使用 Femto 基站？

基于 3GPP 的第三代蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于支持全移動(dòng)多媒體體驗(yàn)，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(yuǎn)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(kuò)容、改善服務(wù)質(zhì)量（QoS）等問(wèn)題。

面對(duì)這樣的要求，“Femto”蜂窩基站應(yīng)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(duì)于住宅內(nèi)部署，F(xiàn)emto 基站可通過(guò)公共交換電話網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)，通?？梢圆捎米≌?DSL 線路。手機(jī)僅與家里的Femto 基站通信，從而使用戶擺脫對(duì)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(fù)荷。下面，我們簡(jiǎn)單介紹 Femto 基站部署的基礎(chǔ)，了解 Maxim 射頻方案如何為這一技術(shù)提供關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

提高蜂窩覆蓋

蜂窩系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要在手機(jī)電池壽命、手機(jī)計(jì)算功耗、基站用戶負(fù)荷之間達(dá)到最佳平衡。此外，隨著蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，可以充分發(fā)揮先進(jìn)的移動(dòng) DSP 的性能優(yōu)勢(shì)。蜂窩系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商緊跟這一趨勢(shì)，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(wú)處不在”的移動(dòng)互聯(lián)。由于蜂窩手機(jī)用戶以每年 1 億的速率增長(zhǎng)，在這一利益的驅(qū)使下，形成了一個(gè)高效、極具競(jìng)爭(zhēng)的供應(yīng)鏈，以保證低價(jià)格、高性能。

寬帶無(wú)線通信與蜂窩 RF 業(yè)務(wù)的比較

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

采用正交頻分復(fù)用（OFDM）代替單載波調(diào)制，能夠允許這些寬帶無(wú)線系統(tǒng)克服城市的多徑效應(yīng)，但發(fā)射功率需要提高 4 倍。這是因?yàn)?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(jí)移動(dòng) PC （UMPC）的 RF 連接標(biāo)準(zhǔn)，超級(jí)移動(dòng) PC 的大小定義為普通蜂窩電話的大約 6 倍。因此，UMPC 促進(jìn)了 WiMAX 服務(wù)，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(jī)中。

發(fā)射塔建設(shè)

蜂窩和 WiMAX 部署的一個(gè)共同障礙是發(fā)射塔建設(shè)和道路占用問(wèn)題。道路占用權(quán)的租賃費(fèi)用以及市政部門對(duì)城市規(guī)劃的條例，都會(huì)大大制約這兩套系統(tǒng)的建設(shè)空間和區(qū)域。蜂窩運(yùn)營(yíng)商早在 WiMAX 之前大約 20 年就開始系統(tǒng)的部署與建設(shè)，在基站覆蓋和新建系統(tǒng)上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

有線固定住宅業(yè)務(wù)

有線住宅接入系統(tǒng)是對(duì)住宅 WiMAX 的有力補(bǔ)充。住宅業(yè)務(wù)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(dá)國(guó)家，這些業(yè)務(wù)得益于網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的長(zhǎng)期發(fā)展。PON 是比較新的接入方案，但網(wǎng)絡(luò)的本地交換運(yùn)營(yíng)商（LEC）已經(jīng)擁有道路使用權(quán)，只需要用新光纖替換老舊的銅纜即可。

這些業(yè)務(wù)為 Femto 基站部署提供了現(xiàn)成的設(shè)計(jì)平臺(tái)，我們將在下文詳細(xì)討論。

基本的 Femto 基站部署

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

圖 1. 傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn) 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(jī)與蜂窩發(fā)射塔的直接連接方式，圖中房屋為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，穿過(guò)墻壁的損耗相對(duì)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(guò)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(hào)可以很微弱，F(xiàn)emto 基站扮演了一個(gè)“個(gè)人、專用基站”的角色，不與宏蜂窩基站通信。

需要指出的一點(diǎn)是現(xiàn)在許多基帶 DSP 供應(yīng)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(hào)的干擾，這一點(diǎn)對(duì) Femto 基站來(lái)說(shuō)很重要。

Femto 基站克服了蜂窩系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題

容量限制

傳統(tǒng)的宏蜂窩基站在高峰時(shí)段的呼叫容量受到一定限制。系統(tǒng)按照統(tǒng)計(jì)學(xué)原理設(shè)計(jì)，采用了流量排隊(duì)理論處理既定時(shí)間的呼叫數(shù)量。所以，長(zhǎng)時(shí)間的通話會(huì)降低高峰時(shí)段的呼叫容量。

另外，當(dāng)基站為位于邊界附近的手機(jī)提供服務(wù)時(shí)，宏蜂窩基站將不得不增大發(fā)射功率，這會(huì)影響為其他客戶服務(wù)的動(dòng)態(tài)范圍。所以，邊界附近的手機(jī)呼叫也會(huì)降低總呼叫容量因?yàn)樗麄儠?huì)壓縮基站發(fā)射的動(dòng)態(tài)范圍（見圖 2）。

圖 2. 呼叫距離對(duì)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(jìn)而影響運(yùn)營(yíng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)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(guò)軟件重新配置無(wú)線工作狀態(tài)。

我們已經(jīng)完成完整的 RF 收發(fā)器參考設(shè)計(jì)。利用收發(fā)器集成的 LNA，支持宏蜂窩基站監(jiān)測(cè)模式。圖 3 所示為參考設(shè)計(jì)電路板，詳細(xì)信息請(qǐng)見參考設(shè)計(jì) 5364：利用 MAX2550–MAX2553 收發(fā)器構(gòu)建的 Femtocell 射頻參考設(shè)計(jì)。

Maxim Femto 基站參考設(shè)計(jì)

滿足 UTRA 波段 1 Femto 基站標(biāo)準(zhǔn)（3GPP TS25.104）

Femto 基站的主要指標(biāo)如表 1 所示，對(duì)于 WCDMA Femto 基站，滿足接收機(jī)和發(fā)射機(jī) TS25.104 的動(dòng)態(tài)范圍要求比 TS25.101 手機(jī)規(guī)格的要求更嚴(yán)格，相差至少 10dB。但是，由于預(yù)計(jì)的產(chǎn)量很大，集成度和 BOM 成本還必須做到手機(jī)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(jī)芯片組設(shè)計(jì)，而在與手機(jī)相反的收 / 發(fā)頻帶內(nèi)也要保持高性能（基站應(yīng)用）。

TS25.104 主要要求

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

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

系統(tǒng)性能測(cè)試和分析

接收靈敏度是一個(gè)重要的系統(tǒng)指標(biāo)，受 RF 通道的信號(hào)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(hào)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(guò)系統(tǒng) NF 計(jì)算，在靈敏度計(jì)算中，基帶解調(diào)器 BER 為 0.001%的 QPSK 信號(hào)要求 Eb/No 為 7.5dB，靈敏度可根據(jù)下式計(jì)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(duì)于擴(kuò)頻帶寬 = 10log （3.84MHz/12.2kbps） = 25dB

如果 NF 為 10.5dB，靈敏度計(jì)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(jì)算，按規(guī)定的干涉條件測(cè)量系統(tǒng) NF。這里，由于干涉效應(yīng)產(chǎn)生的附加噪聲，使得 NF 比靈敏度測(cè)量結(jié)果要差一些。

按照 TS25.141 規(guī)定的測(cè)試模型 1 （TM1）測(cè)量 Tx 性能，TM1 信號(hào)模擬實(shí)際的流量情況，pk-avg 可能較高。

在 3.84MHz WCDMA 帶寬測(cè)量最大功率，在 5MHz 頻偏位置測(cè)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(shè)計(jì)的性能測(cè)試

RD2550 參考設(shè)計(jì)性能測(cè)試

TM1 16DPCH 信號(hào) ACLR，+20dBm 輸出功率

TM1 16DPCH 信號(hào) EVM，+20dBm 輸出功率

結(jié)論

Femto 基站將為住宅內(nèi)的手機(jī)通信帶來(lái)更好的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。由于必須滿足嚴(yán)格的基站性能指標(biāo)，而成本卻要保持在手機(jī)成本的同等水平，F(xiàn)emto 基站設(shè)計(jì)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(wú)線電參考設(shè)計(jì)基于 MAX2550 Femto 射頻收發(fā)器，達(dá)到了目前市場(chǎng)的最高性價(jià)比水平。
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