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

　　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標準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)的運營成本。LTE作為新一代技術(shù)路標，其目標容量和數(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，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將演進到TDD- LTE，而基于FDD的WCDMA，CDMA2000將演進到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)負責人明確表示，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一期招標正在如火如荼地進行，此次招標建設(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行補充和支撐，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?；?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，進行盲區(qū)的覆蓋補充和完善，新型數(shù)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(shù)字光纖直放站原理框圖如圖1所示：

　　遠端機主要分為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(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?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：

　?。?）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，大部分數(shù)字變頻方案都采用了正交兩路處理的典型結(jié)構(gòu)。

　?。?）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，減小運營商的運營成本。其功放模塊的原理框圖如圖2。

　?、貲oherty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?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)，進一步提高功放效率。

　?、诠Ψ挪糠植捎昧硕嗤ǖ婪謺r處理的單路數(shù)字預失真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(shù)字光纖站開發(fā)采用多天線技術(shù)，支持2天線，相應的下行功放輸出有2路，采用射頻開關(guān)切換，分別對其每路功放進行DPD數(shù)字預失真處理， 通過軟件設(shè)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(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)標準。隨著相關(guān)技術(shù)和標準的發(fā)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(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。

　?。?）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程升級。