基于MIMO的LTE數字直放站技術研究及系統應用

福建三元達通訊股份有限公司 梁長松

1.引言

LTE(Long Term Evolution)是近兩年來3GPP啟動的最大的通信新技術研發項目，由于LTE標準具有更高頻譜效率的無線接入技術及平滑的IP核心網絡，相比于2G/3G的移動網絡，網絡性能獲得大幅度的提高，并明顯降低了網絡的運營成本。LTE作為新一代技術路標，其目標容量和數據速率的提高可支持對容量和性能有較高要求的新業務和特征，隨著必要的網絡構架和技術改進，下行鏈路和上行鏈路通道數據速率更高，其中基于TDD的TD-SCDMA將演進到TDD-LTE，而基于FDD的WCDMA，CDMA2000將演進到FDD-LTE。移動數據業務的爆發式增長與智能手機的高速發展，正在加速移動寬帶市場的發展，2010年開始，FDD LTE已經進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，工業和信息化部有關負責人明確表示，將根據企業申請情況和所具備的條件，推動年內發放4G牌照，加快推進中國4G產業化發展。在國內，中國移動近期啟動的TD-LTE一期招標正在如火如荼地進行，此次招標建設的TD-LTE網絡，建成后將是全球最大的4G網絡。而中國聯通仍會堅持FDD LTE的各項準備和實驗工作，中國聯通在4G時代的終端和網絡上仍可能占優勢。

因此未來1-3年LTE將會進入全面覆蓋的時候，基站網絡一旦形成，需要大量的直放站進行補充和支撐，以形成完整的覆蓋網絡，而且LTE通信的智能面很高，終端一般在室內，因此，各類數字化、多模化、集成化、智能化的直放站及其室內數字分布系統需求仍有較大的市場。

2.基于MIMO的LTE數字光纖直放站

2.1 整體架構

在移動通信領域，直放站是基站網絡形成以后，進行盲區的覆蓋補充和完善，新型數字光纖直放站是目前直放站中應用最廣泛的。以典型的2*2MIMO的新型數字光纖直放站原理框圖如圖1所示：

圖1 2*2 MIMO數字光纖直放站原理框圖

遠端機主要分為4個大模塊：數字處理模塊、RFIC收發模塊、功放和雙工器濾波模塊。數字處理模塊用于光傳輸的調制解調、數字上下變頻、A/D轉換等；收發模塊完成中頻信號到射頻信號的變換；再經過功放和濾波模塊，將射頻信號通過天線口發射出去。近端機更簡單，主要比遠端機少了低噪放和功放，其他原理和遠端機類似。

2.2 新型LTE數字直放站的主要技術

不用于傳統的2G、3G數字光纖站，新型的基于MIMO技術的LTE數字直放站是將多路的射頻信號數字化，采用RFIC射頻集成技術、多路DPD線性處理技術、高效率功放技術、數字變頻技術、多路基帶信號處理技術、數字光端機、嵌入式軟件輔助系統來完成。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，滿足節約型社會需要。同時在軟件系統的幫助下，輕松實現升級擴容，組網方式靈活多變。其主要創新的技術包括以下幾方面：

(1)射頻小信號、數字硬件一體化技術及實現方案

由于要求直放站設備體積盡量小，整機系統子模塊可以考慮高度集成、一體化設計，并作好結構的散熱分析設計。為了低成本和小體積的設計考慮，采用一體化集成RFIC芯片設計，如ADI的AD9362，Maxim的MAX2580等一體化集成芯片可以滿足設計指標要求。其一體化集成芯片設計主要包括鎖相環，模擬寬帶上下變頻，ADC、DAC數據轉換，以及中頻濾波放大等。主要功能是對輸入、輸出數據進行各種放大、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處理往往帶來很大的方便和良好的性能，大部分數字變頻方案都采用了正交兩路處理的典型結構。

(2)高效率高線性功放設計

總功率輸出10W以上的功放，其功放模塊采用了Doherty功放合成技術和先進算法的雙通道分時處理的單路DPD技術相結合，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，又降低了設備功耗，減小運營商的運營成本。其功放模塊的原理框圖如圖2。

圖2 雙通道功放模塊原理框圖

①Doherty功放合成技術及實現

功率放大器的線性度和效率是設計功率放大器的重點。Doherty方法被認為是提高效率最有前景的一種結構。Doherty功放有一個主功放和峰值功放構成，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。數字預失真DPD與Doherty結合的結構具有很大的價值。

由于LTE系統采用了OFDM和64QAM調制方式，具有很高的峰值功率，因此本項目采用適當的削峰CFR技術，包絡跟蹤技術和2路Doherty合成等技術，進一步提高功放效率。

②功放部分采用了多通道分時處理的單路數字預失真DPD技術及實現

DPD技術的優點是不存在穩定性問題，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調制信號對功放的高線性要求，新一代功放的DPD技術得到了極大地發展。DPD算法的主要思想是對功放的非線性效應進行反向建模，以抑制它的非線性影響，使功放盡可能線性化。

另外LTE數字光纖站開發采用多天線技術，支持2天線，相應的下行功放輸出有2路，采用射頻開關切換，分別對其每路功放進行DPD數字預失真處理，通過軟件設計一定時間進行切換保持，可以保證每路的DPD的性能，比傳統DPD方式減少了1路，節省了硬件空間，并節約了成本。

(3)CPRI支持大容量接口協議的研究

通用公共無線接口聯盟(簡稱CPRI)是一個工業合作組織，致力于從事無線基站內部無線設備控制中心(簡稱REC)及無線設備(簡稱RE)之間主要接口規范的制定工作。本項目采用XLINX公司的FPGA的方式，將CPRI接口部分和數字前端部分集成到一個芯片當中，從而提高了系統的集成度和抗電磁干擾能力，降低了系統成本，同時FPGA的可再編程性，使得CPRI接口可以根據需要靈活調整，增強了不同設備廠商之間的設備兼容性。同時FDD-LTE分布式基站Ir接口技術要求也已經制訂出來相關標準。隨著相關技術和標準的發展，CPRI標準也已不斷進行了更新和升級。

4G移動通信LTE采用了MIMO技術，其數據容量增大了幾倍，因此對于光纖數據傳輸相應的容量要求也更高了，現在XLINX、ALTERA、LATTICE等公司都新推出的各類型的FPGA可以滿足低成本數據壓縮設計的需求。本項目采用了XLINX數據壓縮數據算法，降低了數字光模塊的速率要求，滿足了低成本光纖傳輸的設計需求。

(4)軟件無線電技術的研究

采用軟件無線電思想設計數字直放站，可以使得直放站的系統升級和功能增加都可以采用軟件的方式進行加載。項目采用可重構的FPGA作為系統核心器件，目的就是要將數字前端的數字上下變頻、CFR、DPD，以及一些基帶的處理都放在FPGA中進行設計，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，有利于直放站設計的小型化和集成化，實現功放效率的提升，支持多載波和可以遠程升級。

3.LTE數字光纖直放站產品應用及組網方式

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

3.1 典型的大功率LTE數字光纖站

典型的大功率LTE數字光纖站主要有每路輸出10W，20W，40W，60W等功率級別的產品。由于采用了射頻集成一體化，和高效率、高線性的功放設計，新型的FDDLTE數字光纖站的體積更小，效率更高。這種數字光纖站一般應用于道路沿線長距離覆蓋，大型住宅小區覆蓋，解決城區基站尋址難問題的場合覆蓋。

其組網方式主要有網狀，星型，菊花鏈，以及混合形組網方式，如圖3。菊花鏈組網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，該組網方式適用于大范圍、大面積網絡覆蓋應用可以組成分布式覆蓋系統進行大范圍覆蓋。

圖3 數字光纖直放站組網配置系統框圖

3.2 小功率一體化天線(偽裝型)數字光纖站產品

隨著運營商及客戶的發展需求，很多小區城中村不斷的增加，弱信號覆蓋區域越來越多，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，因此物業協調難度也越來越大，很多應用場景不能使用正常的天線進行覆蓋補盲，這就需要有一種輻射功率不大且天線偽裝的直放站，使直放站設備工程架設容易又對群眾的影響降到最低。

鑒于上述存在的問題，開發一種小功率一體化天線(偽裝型)的數字光纖直放站產品將會得到廣泛的應用，其組網工作原理示意圖如圖4。設備功率每路最大支持2W，美化機箱尺寸及外觀以閉路配線箱或網絡集線箱來設計，設備使用的光纖及取電均使用當地現網資源，由于采用了隱蔽小巧的外觀，不用業主協調，工程安裝方便快捷，能夠有效解決城中村及復雜住宅小區等場景的信號覆蓋問題。

圖4 一體化天線(偽裝型)的數字光纖直放站組網工作示意圖

3.3 包含4G LTE的多業務數字光纖分布系統產品

只有近端和遠端的數字光纖站，在室內分布系統中，由于帶載的遠端數量的限制，無法在實際室內分別工程的得到大量應用。因此考慮在近端、遠端之間加擴展單元，這就是目前已在2G、3G制式大量應用的微功率光纖分布式系統，而在此系統加入2*2 MIMO 的4G LTE以支持多模多業務的新型光纖分布系統。微功率光纖分布式系統是指由接入控制單元(AU:Acess Unit)、近端擴展單元(MEU:Extend Unit)、遠端射頻單元(RU:Remote Unit)三部分組成的支持2G、3G、4G、WLAN、固網寬帶等多業務的新型分布系統，其組網方式靈活，帶載的遠端數量也更多，其組網工作示意圖如下圖5。目前已經開始廣泛用于2G/3G/4G/WLAN 無線通信信號深度覆蓋。

圖5 微功率光纖分布式系統組網工作示意圖

4.總結

新一代基于MIMO技術的LTE數字光纖直放站在技術方面，與2G、3G數字直放站相比，具有一定的技術創新和更出色的技術指標和性能，以及其體積小、集成度高、功耗低、覆蓋質量好、智能性更高。其多種類型的擴充產品(包括大功率數字光纖站，小功率一體化天線(或偽裝天線)數字光纖站以及微功率光纖分布系統等)能適合各種工程應用場合的無線通信信號的深入覆蓋。這些系列的LTE數字直放站產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。