在家庭基站应用中采用单芯片收发器-femto家庭微小型基站

本应用笔记讨论了3G蜂窝家庭基站的开发和部署。讨论了最后一英里住宅连接和在密集城市环境中增加系统容量的技术挑战，其中3G家庭基站是一种经济高效的解决方案。Maxim的3GPP TS25.104收发器解决方案与RD2550等完整的无线电参考设计一起发布。

为什么选择家庭基站？

3GPP下的第三代蜂窝电话系统旨在提供完全移动的多媒体体验。在许多情况下，广泛采用受到现有接待的限制，特别是在住宅和偏远地区。在人口稠密的城市地区，尤其是在高层建筑中，挑战在于增加系统容量并克服可能导致这些环境的低服务质量 （QoS）。

在这两种部署方案中，“家庭基站”蜂窝基站是合乎逻辑的答案。基站的一般分类如下：

+45dBm：宏基站覆盖~5km的室外蜂窝基站

+30dBm：微微基站覆盖~0.5公里园区

+15dBm：家庭基站覆盖室内住宅或建筑物至~50m

对于住宅部署，家庭基站通过公共交换电话网络访问网络，该网络通常通过住宅DSL线路提供。听筒仅与家中的家庭基站通信，这完全将用户从宏蜂窝中卸载。在高层建筑中，家庭基站可以连接到建筑物的有线以太网系统，这再次减少了宏蜂窝基站的负载。在以下段落中，我们将回顾家庭基站部署的基础，并演示Maxim的无线电解决方案如何为该技术提供关键优势。

改善蜂窝覆盖率

蜂窝系统经过精心设计，以权衡手机电池寿命、手机计算能力和蜂窝基站用户负载。此外，蜂窝标准也在不断发展，以利用不断提高的移动DSP性能。蜂窝运营商利用这一趋势提供更多更好的多媒体内容，从而增加收入并吸引新客户。用户最终受益于“任何地方”的移动性。例如，由于蜂窝采用率每年为1亿，因此存在一个非常精简且易于理解的竞争供应链，以保持低价格和高性能。

宽带无线与蜂窝射频服务的比较

在进行蜂窝开发工作的同时，按照市场/使用模式开发和部署了广域宽带无线系统。最初，所谓的“咖啡馆”Wi-Fi®为用户提供802.11互联网接入，当他们停在某些启用的餐厅附近或坐在某些启用的餐馆时。后来，一些城市建造了实验性的地铁Wi-Fi接入点，为市中心提供服务。这些型号非常成功，以至于在2004年推出了更好的无线系统802.16 WiMAX®（和韩国WiBro®），以期提供“城域宽带无线接入”服务。

这些宽带无线系统使用正交频分复用（OFDM）代替单载波调制，克服了城市多径效应，但它们需要四倍的发射功率。这是因为 OFDM 802.16d 峰均比 （pk-avg） 约为 11dB，而 WCDMA 3GPP 峰均比为 5dB。英特尔®一直倡导 WiMAX 作为超移动 PC （UMPC） 的射频连接标准，其外形尺寸被定义为典型蜂窝手机的六倍左右。因此，UMPC机箱对于WiMAX服务是有意义的，但并不容易部署在具有小电池的薄/折叠手机中，因为WiMAX需要更大的电池。

塔楼扩建

蜂窝和WiMAX部署的一个共同障碍是塔楼扩建和通行权访问。租赁通行权的成本和限制“丑陋”塔楼的市政法规意味着两个系统可以在任何给定位置以大致相同的速度建造。然而，蜂窝运营商比WiMAX早约20年开始扩建，因此，他们在基站塔覆盖和新扩建方面具有明显的优势。

有线固定住宅服务适合的地方

有线住宅接入系统直接与固定住宅WiMAX竞争。住宅服务通常包括光纤到户 （PON）、电话线 DSL 和有线电视互联网接入系统。在发达国家，这些服务受益于具有复杂网络终端设备的长期安装。PON是一个较新的入口，但是网络本地交换运营商（LEC）已经拥有通行权，并且只是安排新的光纤工厂扩建，因为旧的铜线需要更换。

对于家庭基站部署，这些服务是免费的，将在下一节中介绍。

家庭基站基本实现

图1比较了通过节点B宏蜂窝基站与家庭基站安装的传统蜂窝连接。

图1.传统节点 B 宏蜂窝连接与家庭基站连接。

图1中的左侧场景是从手机手机到蜂窝塔的传统直接连接。在这里，我们展示了一个木结构房屋，它通过墙壁的损耗相对较低，并且有点接近蜂窝宏基站。

右侧场景显示了一栋混凝土高层建筑，在公寓或公共办公区域安装了家庭基站。家庭基站的网络馈送通过住宅DSL线路或商用有线以太网。在这种情况下，我们表明发给公寓楼的信号很弱。家庭基站充当“个人专用基站”，不与宏基站通信。

应该补充的是，家庭基站忽略宏蜂窝和其他家庭基站传输的能力是几个基带DSP提供商已经克服的关键设计问题。

家庭基站克服的蜂窝系统问题

关键容量限制器

传统的宏蜂窝基站通常在高峰负载时段受到呼叫者容量的限制。该系统采用流量排队理论进行统计设计，以处理一定数量的呼叫，这些呼叫将持续平均持续时间。因此，长时间的电话呼叫会限制高峰加载时段的容量。

此外，当蜂窝基站需要为在边界运行的手机提供服务时，它会迫使宏蜂窝发射器增加功率，从而占用所有呼叫方可用动态范围的更大部分。因此，手机呼叫的边缘限制了容量，因为它们“占用”了动态范围（见图2）。

图2.宏蜂窝发射器的概念呼叫者电源占用。

这两个因素限制了宏蜂窝基站的容量，因此限制了蜂窝运营商的收入，并最终减缓了新用户的采用。

美信家庭基站射频单芯片收发器

Maxim的RD2550家庭基站参考设计旨在满足WCDMA频段1的TS25.104要求。还提供 WCDMA 频段 2、4 和 5 参考设计。此参考设计的核心是一个单芯片收发器，该收发器具有与基带DSP/调制解调器的Δ-Σ比特流数字接口。收发器使用低电平LVDS接口，通道滤波在基带DSP/调制解调器上完成，允许软件重新配置无线电。

RF收发器部分设计了完整的参考设计。它支持在收发器中使用集成LNA的宏蜂窝监控模式。参考板的照片如图3所示。

图 3.美信家庭基站参考设计。

符合 UTRA 频段 1 家庭基站标准 （3GPP TS25.104）

家庭基站标准的主要要求如表1所示。对于WCDMA家庭基站，同时满足接收器和发射器TS25.104动态范围要求比满足TS25.101兼容手机的要求至少10dB更严格。然而，预期的产量需要类似手机的电路集成和BOM成本。因此，理想情况下，系统应围绕低成本和高集成度的手机芯片组进行设计，但也能够在反向Tx-Rx频段（根据基站的要求）实现出色的性能。

表 1.TS25.104主要要求 上行链路要求 描述 规范 条件 频带 1920兆赫至1980兆赫 波段 1 接收灵敏度 -107分贝 12.2kbps数据速率，误码率不得超过0.1% 相邻通道选择性 （ACS） -101分贝 -38dBm、5MHz偏移WCDMA调制干扰信号 阻塞（1900MHz至2000MHz） -101分贝 -30dBm（最小值）、10MHz偏移WCDMA调制干扰信号 阻塞（1MHz 至 12，750MHz，1900MHz 至 2000MHz 除外） -101分贝 -15dBm 连续载波 互调 -101分贝 -38dBm、10MHz 偏移 CW 信号和 -38dBm、20MHz 偏移 WCDMA 信号 下行要求 描述 规范 条件 频带 2110兆赫至2170兆赫 波段 1 最大输出功率 小于 +24dBm — 相邻通道泄漏比 （ACLR） -45分贝/-50分贝 偏移频率 5MHz/10MHz 误差矢量幅度 17.5%/12.5% QPSK/16QAM， RMS

例如，在接收器中，用于测量ACS的5MHz偏移带内阻塞信号的额定值为-38dBm，这比手机所需的-52dBm阻塞信号要苛刻得多。同样，用于测量信道选择性的10MHz偏移带内阻塞器被指定为-30dBm，而手机则为-56dBm。因此，接收器必须能够实现更高的IIP2和IIP3性能。

家庭基站的发射器线性度同样比手机更难满足。对于WCDMA手机，ACPR的额定值为-33dBm，而TS25.104家庭基站的额定值约为-45dBm。

系统性能测量条件与分析

接收器灵敏度是一种系统规格，受RF信道中的信号质量和DSP调制解调器部分的基带处理的影响很大。在最小输入信号电平条件下，RF通道质量完全受接收器噪声贡献的限制，噪声贡献由其NF决定。

测得的接收器灵敏度是根据测得的系统NF计算得出的。对于灵敏度计算，E需要7.5dBb/No满足 QPSK 信号的 0.1% BER（在基带解调器中处理）。灵敏度可以计算如下：

参考灵敏度 = KTB + NF + （Eb/No） – PG

其中：

带宽 = 3.84MHz 的芯片速率

KTB = -174dBm/Hz + 10 log (3.84MHz) = -108.13dBm

PG = 相对于扩展带宽的 12.2kbps 比特率 = 10log （3.84MHz/12.2kbps） = 25dB

如果NF为10.5dB，则灵敏度计算如下：

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

ACS 和阻塞性能的计算方式也相同。系统NF是在指定的干扰条件下测量的。在这种情况下，由于干扰效应产生的额外噪声，NF比灵敏度测量差。

Tx 性能使用 TS25.141 中指定的测试模型 1 （TM1） 信号进行测量。TM1 信号模拟可能具有高 pk-avg 的真实交通场景。

最大功率电平在 3.84MHz WCDMA 带宽内测量。ACLR 在 5MHz 偏移位置测量。在这种情况下，发射ACLR性能主要由外部PA性能主导。

RD2550 UMTS 频段 1 家庭基站参考设计测量性能

表 2.RD2550 参考设计测量性能 上行链路要求 描述 规范 Maxims Radio Performance 频带 1920兆赫至1980兆赫 波段 1 接收灵敏度 -107分贝 超过 ACS -101分贝 超过 阻塞（1900MHz至2000MHz） -101分贝 超过 阻塞（1MHz 至 12，750MHz，1900MHz 至 2000MHz 除外） -101分贝 超过 互调 -101分贝 超过 下行要求 描述 规范 测量的性能 频带 2110兆赫至2170兆赫 波段 1 最大输出功率 小于 +24dBm 带外部扩声 美国前交叉韧带 -45分贝/-50分贝 超过 误差矢量幅度 17.5%/12.5% 超过

图4.TM1 16DPCH 信号 ACLR 在 +20dBm 输出功率电平下。

图5.TM1 16DPCH 信号 EVM，输出功率电平为 +20dBm。

结论

Femtocell基站将为住宅手机客户提供大大改善的数据网络体验。设计家庭基站电路很困难，因为它必须满足严格的基站性能规格，但又要像蜂窝手机一样低成本。Maxim家庭基站收发器成功满足3GPP TS25.104规范的关键要求，并提供最少的BOM器件数量。Maxim基于MAX2550家庭基站RF收发器的RD2550 UMTS频段1无线电参考设计实现了该市场的最佳性能和成本水平。

审核编辑：郭婷