TD-LTE基站射頻設(shè)計(jì)技術(shù)

TD-LTE基站射頻設(shè)計(jì)技術(shù)張成安上海貝爾股份有限公司射頻系統(tǒng)工程師摘要：作為TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋末端的射頻基站RRH對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和整體網(wǎng)絡(luò)性能影響巨大，本文針對(duì)TDD系統(tǒng)特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前射頻技術(shù)發(fā)展情況，介紹TD-LTE射頻基站系統(tǒng)，并對(duì)TD-LTE射頻基站的關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展方向進(jìn)行研究與分析。關(guān)鍵詞：TD-LTERRH射頻設(shè)計(jì)DPDRFDesignTechnologyforTD-LTEBasestationZhangCheng-AnAlcatel-sbellRFsystemengineerAbstract:AstheterminalpartofTD-LTEwirelessnetwork,RRHimpactalotonthenetworkcoverageandtotalperformance.ConsideringTDDoperationandRFtechnologytrend,thispapergiveapresentationofTD-LTERFbasestationsystem,thendoresearchandanalysesonsomekeytechnologiesandevolutiondirection.Keywords:TD-LTERRHRFDesignDPD引言TD-LTE是我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA的發(fā)展和演進(jìn)技術(shù)，它采用OFDM和MIMO等先進(jìn)無線傳輸技術(shù)，在20MHz無線帶寬時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)超過100Mbit/s的下行數(shù)據(jù)和超過50Mbit/s的上行數(shù)據(jù)峰值傳輸速率。另外TD-LTE系統(tǒng)同時(shí)兼具TDD系統(tǒng)的一些固有優(yōu)點(diǎn)，比如：能夠靈活配置頻率，使用FDD系統(tǒng)不易使用的零散頻段;可以通過調(diào)整上下行時(shí)隙轉(zhuǎn)點(diǎn)提高下行時(shí)隙比例，能夠很好的支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)；具有上下行信道一致性，基站的接收和發(fā)送可以共用部分射頻單元，降低了設(shè)備成本；在國內(nèi)，TD-LTE規(guī)模實(shí)驗(yàn)網(wǎng)不斷擴(kuò)大。在2010開始的一期6個(gè)城市的基礎(chǔ)上，二期將進(jìn)一步擴(kuò)大部署和應(yīng)用規(guī)模，眾多國內(nèi)外主流系統(tǒng)設(shè)備廠商和芯片廠家均參與開發(fā)和測(cè)試，目前已初步具備試商用水平。在國際上，法國電信、德國電信、日本軟銀、美國Verizon和AT&T等多家頂級(jí)運(yùn)營商均承諾支持TD-LTE。在中國、印度、俄羅斯、中東、歐洲、北美等全球各地都已經(jīng)有TDD頻譜的拍賣和實(shí)驗(yàn)網(wǎng)應(yīng)用。在4G國際標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)方面，2012年1月18日，國際電信聯(lián)盟在2012年無線電通信全會(huì)全體會(huì)議上，正式審議通過將LTE-Advanced技術(shù)規(guī)范確立為IMT-Advanced（俗稱“4G”）國際標(biāo)準(zhǔn)，我國主導(dǎo)制定的TD-LTE-Advanced同時(shí)成為IMT-Advanced國際標(biāo)準(zhǔn)REF_Ref315172371\n\h[1]。TD-LTE射頻基站系統(tǒng)介紹在移動(dòng)通信領(lǐng)域，BBU（基帶池）+RRH（RemoteRadioHead）分布式基站是目前最為流行的一種新型基站，如圖1所示。與傳統(tǒng)宏基站相比，具有以下特點(diǎn)：BBU作為基帶池，RRH作為射頻單元，通常通過光纖進(jìn)行連接；由于基帶共享，可以減少機(jī)房站址需求，靈活升級(jí)系統(tǒng)容量，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)開銷；方便升級(jí)維護(hù)；RRH作為射頻單元可以室外應(yīng)用，甚至直接應(yīng)用到塔頂直接對(duì)接天線端口，施工方便，減少功率損失，提升網(wǎng)絡(luò)性能，降低運(yùn)營成本；圖SEQ圖\*ARABIC1BBU+RRH基站系統(tǒng)框圖RRH作為無線基站的射頻單元,由光接口模塊,數(shù)字中頻模塊,射頻收發(fā)信機(jī),功放低噪放模塊和前端濾波器組成。光接口模塊負(fù)責(zé)CPRI數(shù)據(jù)的組幀、解幀、時(shí)鐘提取同步；數(shù)字中頻模塊:：受益于軟件無線電技術(shù)的發(fā)展,基于數(shù)字中頻解決方案的無線電技術(shù)在無線基站上應(yīng)用越來越廣泛,主要完成DUC/DDC/CFR/DPD等功能；射頻收發(fā)信機(jī)模塊主要完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，射頻調(diào)制解調(diào)，濾波放大等功能；功放低噪放模塊主要完成射頻發(fā)射信號(hào)的功率放大和接收小信號(hào)的低噪聲放大等功能；前端濾波器完成帶外信號(hào)抑制，確定基站有效工作頻段；TD-LTE射頻基站關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向TDD頻段基站的鄰頻雜散輻射問題從全球看，雖然TDD頻譜較為豐富，但總體比較零散，必然會(huì)出現(xiàn)和FDD鄰頻共存的情況，從而導(dǎo)致雜散輻射和FDD互相干擾的情況等問題。為了保證TDD和FDD系統(tǒng)正常工作，需要進(jìn)行系統(tǒng)間共存分析，基于分析成果，使用保護(hù)帶、射頻指標(biāo)限值、站址部署等保護(hù)措施來保證系統(tǒng)間電磁兼容。比如在我國，從2011開始的中國移動(dòng)大規(guī)模外場(chǎng)測(cè)試使用的2.6G頻段就存在和FDD鄰頻共存的情況。表1給出了3GPP在2.6G頻段頻譜劃分定義：工作頻段上行頻段基站收UE發(fā)下行頻段基站發(fā)UE收雙工方式72500MHz–2570MHz2620MHz–2690MHzFDD382570MHz–2620MHz2570MHz–2620MHzTDD表SEQ表\*ARABIC12.6G頻段定義根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)REF_Ref315172785\n\h[2]，考慮2500-2690MHz干擾時(shí)，雜散輻射指標(biāo)限值為：共站時(shí)，發(fā)射限值為-96dBm/100kHz共存時(shí)，發(fā)射限值為-52dBm/MHz在CEPT019REF_Ref315173144\n\h[3]報(bào)告里，是以EIRPBEM方式來定義基站雜散輻射模板的。規(guī)定TDD系統(tǒng)與FDD系統(tǒng)基站干擾時(shí)需5MHz隔離帶，5MHz的隔離帶作為限制功率發(fā)射塊，以TDD頻段發(fā)射為例，對(duì)限制功率發(fā)射塊和非限制塊發(fā)射限制要求如REF_Ref315173265\h圖2所示：圖SEQ圖\*ARABIC2TDD發(fā)射時(shí)雜散輻射MASK根據(jù)上圖要求，假定天線增益為17dBi，TDDRRH雜散輻射要求如REF_Ref315173481\h表2所示。頻率范圍EIRP發(fā)射功率備注TDD信道外BAND帶內(nèi)、FDD-DL及與FDD相鄰的5MHz區(qū)域4dBm/MHz-13dBm/MHz基站干擾終端2500-2690MHz，除上述區(qū)域-45dBm/MHz-62dBm/MHz基站干擾基站表SEQ表\*ARABIC22.6GTDDRRH雜散輻射要求綜上，無論是3GPP還是CEPT規(guī)范要求，在鄰頻的情況下，為保證TDD和FDD系統(tǒng)同時(shí)正常工作，系統(tǒng)都對(duì)2.6G頻段TDDRRH的雜散輻射提出了非常高的抑制指標(biāo)需求。解決方法REF_Ref315173644\n\h[4]：盡可能的增加TDD基站和FDD基站的站址間距，減少基站間共站共址情況出現(xiàn)；共站的時(shí)候，可以考慮TDD和FDD天線垂直隔離，添加屏蔽罩等工程手段增加耦合損耗；增加頻段保護(hù)間隔，比如將CEPT的5MHz隔離帶寬擴(kuò)展到10MHz；提高RRH自身的前端濾波器帶外雜散抑制能力，比如采用抑制能力更高的介質(zhì)濾波器等，但通常介質(zhì)濾波器成本較高，工藝不如傳統(tǒng)的金屬濾波器成熟；由于頻譜資源是寶貴的、不可再生的資源，隨著移動(dòng)寬帶技術(shù)的快速發(fā)展，頻率資源日益緊張，因此不建議通過增加頻段保護(hù)間隔的方法，這樣會(huì)造成頻譜資源的極大浪費(fèi)。近幾年來，隨著介質(zhì)濾波器工藝的不斷進(jìn)步，介質(zhì)工藝逐漸成熟，成本也逐漸降低。對(duì)于一些雜散發(fā)射抑制要求較高的場(chǎng)合，建議考慮介質(zhì)濾波器并輔以必要的工程技術(shù)手段，保證TDD和FDD系統(tǒng)的可靠工作。高效率PA與DPD技術(shù)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，我們對(duì)PA（功率放大器）有以下要求：為了改善信號(hào)覆蓋質(zhì)量，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，降低運(yùn)營成本，經(jīng)常需要大功率基站。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，移動(dòng)通信基站的數(shù)量不斷增加，如何降低通信基站的能耗已經(jīng)是衡量基站設(shè)備性能非常重要的指標(biāo)之一。最有效的方法就是采用更高效率的射頻功率放大器。效率往往是衡量PA性能優(yōu)劣最為關(guān)鍵的指標(biāo)。由于發(fā)射信號(hào)自身的原因，需要PA有很好的線性。比如在LTE技術(shù)中，64QAM調(diào)制方式以及OFDM技術(shù)必然導(dǎo)致信號(hào)峰均比較高，因此對(duì)PA的線性要求也就越高。然而從PA自身特性看，高功率PA的線性度往往較差。綜上，高功率高效率功放及其線性化技術(shù)非常關(guān)鍵。在效率方面，Doherty方法被認(rèn)為是提高PA效率最有效的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)平衡放大器不同的是，Doherty結(jié)構(gòu)PA的兩個(gè)放大器分別偏置成B類（或者AB類）和C類REF_Ref315177228\n\h[6]，基于有源負(fù)載牽引技術(shù)，在功率回退一定范圍內(nèi)，效率能夠保持在較高的水平。根據(jù)系統(tǒng)需求不同，目前基于傳統(tǒng)對(duì)稱DohertyPA結(jié)構(gòu)已經(jīng)衍生出非對(duì)稱Doherty、多路Doherty、DigitalDoherty等電路結(jié)構(gòu)。Doherty方法的主要問題是線性度較差。DPD(DigitalPre-Distortion數(shù)字預(yù)失真)是一種改善功放線性特性的先進(jìn)技術(shù)。與其它線性化技術(shù)相比，比如模擬預(yù)失真，由于其在數(shù)字域完成，穩(wěn)定性和可靠性高，因此事目前業(yè)界公認(rèn)的功率放大器線性化技術(shù)發(fā)展方向。數(shù)字預(yù)失真和Doherty結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)是目前業(yè)界主流PA設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。DPD系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如REF_Ref315175859\h圖3所示：圖SEQ圖\*ARABIC3DPD系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)通常無線基站的DPD系統(tǒng)電路都是由射頻發(fā)射鏈路，PA以及功率耦合模塊，反饋鏈路，以及DPD自適應(yīng)算法組成。由射頻發(fā)射鏈路和反饋鏈路組成的閉環(huán)系統(tǒng)將經(jīng)過Doherty結(jié)構(gòu)PA的非線性失真信號(hào)反饋給DPD自適應(yīng)算法模塊，DPD算法模塊將其與原始發(fā)射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比以及自適應(yīng)補(bǔ)償計(jì)算，最終保證經(jīng)過PA之后輸出的信號(hào)是線性無失真的。DPD系統(tǒng)的良好運(yùn)行依賴于發(fā)射和反饋鏈路的系統(tǒng)帶寬以及反饋信號(hào)的信噪比，DPD系統(tǒng)的核心在于自適應(yīng)算法的精度。DohertyPA和DPD配合可獲得高功率高效率線性PA，并顯著提升整機(jī)效率，減小RRH體積，降低運(yùn)營成本。射頻基站小型化效率的提升必然導(dǎo)致基站的集成度越來越高，RRH的體積越來越小。在TD應(yīng)用之初，8天線的RRH體積甚至達(dá)到40升。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前一個(gè)8天線每天線5W的TD-LTERRH體積通常在20升左右REF_Ref315176597\n\h[5]。射頻基站小型化有很多優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，方便站址選擇與施工維護(hù)；集成度越高，系統(tǒng)可靠性越高；降低能耗，節(jié)省運(yùn)營成本；目前射頻基站小型化手段主要包括：借助SoC技術(shù)和半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步，更強(qiáng)處理能力，更大處理容量的通用及AISC芯片的推出，可大大降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，減小體積；更先進(jìn)工藝PA，比如GaN，以及更新PA控制技術(shù)，比如包絡(luò)跟蹤技術(shù)（EnvelopeTracking，ET），可大幅提升PA效率，從而大大降低系統(tǒng)能耗，降低散熱需求，減小體積效果明顯REF_Ref315177228\n\h[6]；更先進(jìn)更小體積的濾波器或雙工器以及天線設(shè)計(jì)技術(shù)等；阿爾卡特朗訊最新推出的LightRadio技術(shù)就是射頻基站小型化的杰出代表REF_Ref315177904\n\h[7]。其核心是Cube-無線魔方，是一個(gè)6x6x4.5厘米的立方體，集成了天線，饋線和射頻單元，并且支持2G、3G、LTE多標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)融合。如REF_Ref315177549\h圖4所示。這是一項(xiàng)來自貝爾實(shí)驗(yàn)室的原創(chuàng)技術(shù)，可顯著提升網(wǎng)絡(luò)容量、降低能耗和運(yùn)營成本。圖SEQ圖\*ARABIC4LightRadioCube結(jié)束語TD-LTE作為TD-SCDMA未來演進(jìn)方向，市場(chǎng)影響越來越大。針對(duì)TDLTE射頻基站設(shè)計(jì)技術(shù)的討論也越來越多。本文對(duì)TD-LTE射頻基站進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對(duì)當(dāng)前TD-LTE基站的一些關(guān)鍵技術(shù)，比如TDD與FDD基站鄰頻雜散輻射問題，高效率PA與DPD設(shè)計(jì)技術(shù)以及射頻基站的小型化等進(jìn)行了深入研究分析。參考文獻(xiàn)4G國際標(biāo)準(zhǔn)正式審核通過我國TD-LTE入選通信產(chǎn)業(yè)網(wǎng)，2012/1/203GPPTS36.