TD-LTE基站射频设计技术

TD-LTE基站射频设计技术张成安上海贝尔股份有限公司射频系统工程师摘要：作为TD-LTE网络覆盖末端的射频基站RRH对无线网络覆盖和整体网络性能影响巨大，本文针对TDD系统特点，结合当前射频技术发展情况，介绍TD-LTE射频基站系统，并对TD-LTE射频基站的关键技术以及发展方向进行研究与分析。关键词：TD-LTERRH射频设计DPDRFDesignTechnologyforTD-LTEBasestationZhangCheng-AnAlcatel-sbellRFsystemengineerAbstract:AstheterminalpartofTD-LTEwirelessnetwork,RRHimpactalotonthenetworkcoverageandtotalperformance.ConsideringTDDoperationandRFtechnologytrend,thispapergiveapresentationofTD-LTERFbasestationsystem,thendoresearchandanalysesonsomekeytechnologiesandevolutiondirection.Keywords:TD-LTERRHRFDesignDPD引言TD-LTE是我国自主知识产权3G标准TD-SCDMA的发展和演进技术，它采用OFDM和MIMO等先进无线传输技术，在20MHz无线带宽时，可以实现超过100Mbit/s的下行数据和超过50Mbit/s的上行数据峰值传输速率。另外TD-LTE系统同时兼具TDD系统的一些固有优点，比如：能够灵活配置频率，使用FDD系统不易使用的零散频段;可以通过调整上下行时隙转点提高下行时隙比例，能够很好的支持非对称业务；具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，降低了设备成本；在国内，TD-LTE规模实验网不断扩大。在2010开始的一期6个城市的基础上，二期将进一步扩大部署和应用规模，众多国内外主流系统设备厂商和芯片厂家均参与开发和测试，目前已初步具备试商用水平。在国际上，法国电信、德国电信、日本软银、美国Verizon和AT&T等多家顶级运营商均承诺支持TD-LTE。在中国、印度、俄罗斯、中东、欧洲、北美等全球各地都已经有TDD频谱的拍卖和实验网应用。在4G国际标准演进方面，2012年1月18日，国际电信联盟在2012年无线电通信全会全体会议上，正式审议通过将LTE-Advanced技术规范确立为IMT-Advanced（俗称“4G”）国际标准，我国主导制定的TD-LTE-Advanced同时成为IMT-Advanced国际标准REF_Ref315172371\n\h[1]。TD-LTE射频基站系统介绍在移动通信领域，BBU（基带池）+RRH（RemoteRadioHead）分布式基站是目前最为流行的一种新型基站，如图1所示。与传统宏基站相比，具有以下特点：BBU作为基带池，RRH作为射频单元，通常通过光纤进行连接；由于基带共享，可以减少机房站址需求，灵活升级系统容量，节省网络开销；方便升级维护；RRH作为射频单元可以室外应用，甚至直接应用到塔顶直接对接天线端口，施工方便，减少功率损失，提升网络性能，降低运营成本；图SEQ图\*ARABIC1BBU+RRH基站系统框图RRH作为无线基站的射频单元,由光接口模块,数字中频模块,射频收发信机,功放低噪放模块和前端滤波器组成。光接口模块负责CPRI数据的组帧、解帧、时钟提取同步；数字中频模块:：受益于软件无线电技术的发展,基于数字中频解决方案的无线电技术在无线基站上应用越来越广泛,主要完成DUC/DDC/CFR/DPD等功能；射频收发信机模块主要完成数模转换，射频调制解调，滤波放大等功能；功放低噪放模块主要完成射频发射信号的功率放大和接收小信号的低噪声放大等功能；前端滤波器完成带外信号抑制，确定基站有效工作频段；TD-LTE射频基站关键技术及发展方向TDD频段基站的邻频杂散辐射问题从全球看，虽然TDD频谱较为丰富，但总体比较零散，必然会出现和FDD邻频共存的情况，从而导致杂散辐射和FDD互相干扰的情况等问题。为了保证TDD和FDD系统正常工作，需要进行系统间共存分析，基于分析成果，使用保护带、射频指标限值、站址部署等保护措施来保证系统间电磁兼容。比如在我国，从2011开始的中国移动大规模外场测试使用的2.6G频段就存在和FDD邻频共存的情况。表1给出了3GPP在2.6G频段频谱划分定义：工作频段上行频段基站收UE发下行频段基站发UE收双工方式72500MHz–2570MHz2620MHz–2690MHzFDD382570MHz–2620MHz2570MHz–2620MHzTDD表SEQ表\*ARABIC12.6G频段定义根据3GPP标准REF_Ref315172785\n\h[2]，考虑2500-2690MHz干扰时，杂散辐射指标限值为：共站时，发射限值为-96dBm/100kHz共存时，发射限值为-52dBm/MHz在CEPT019REF_Ref315173144\n\h[3]报告里，是以EIRPBEM方式来定义基站杂散辐射模板的。规定TDD系统与FDD系统基站干扰时需5MHz隔离带，5MHz的隔离带作为限制功率发射块，以TDD频段发射为例，对限制功率发射块和非限制块发射限制要求如REF_Ref315173265\h图2所示：图SEQ图\*ARABIC2TDD发射时杂散辐射MASK根据上图要求，假定天线增益为17dBi，TDDRRH杂散辐射要求如REF_Ref315173481\h表2所示。频率范围EIRP发射功率备注TDD信道外BAND带内、FDD-DL及与FDD相邻的5MHz区域4dBm/MHz-13dBm/MHz基站干扰终端2500-2690MHz，除上述区域-45dBm/MHz-62dBm/MHz基站干扰基站表SEQ表\*ARABIC22.6GTDDRRH杂散辐射要求综上，无论是3GPP还是CEPT规范要求，在邻频的情况下，为保证TDD和FDD系统同时正常工作，系统都对2.6G频段TDDRRH的杂散辐射提出了非常高的抑制指标需求。解决方法REF_Ref315173644\n\h[4]：尽可能的增加TDD基站和FDD基站的站址间距，减少基站间共站共址情况出现；共站的时候，可以考虑TDD和FDD天线垂直隔离，添加屏蔽罩等工程手段增加耦合损耗；增加频段保护间隔，比如将CEPT的5MHz隔离带宽扩展到10MHz；提高RRH自身的前端滤波器带外杂散抑制能力，比如采用抑制能力更高的介质滤波器等，但通常介质滤波器成本较高，工艺不如传统的金属滤波器成熟；由于频谱资源是宝贵的、不可再生的资源，随着移动宽带技术的快速发展，频率资源日益紧张，因此不建议通过增加频段保护间隔的方法，这样会造成频谱资源的极大浪费。近几年来，随着介质滤波器工艺的不断进步，介质工艺逐渐成熟，成本也逐渐降低。对于一些杂散发射抑制要求较高的场合，建议考虑介质滤波器并辅以必要的工程技术手段，保证TDD和FDD系统的可靠工作。高效率PA与DPD技术在移动通信系统中，我们对PA（功率放大器）有以下要求：为了改善信号覆盖质量，扩大网络覆盖范围，降低运营成本，经常需要大功率基站。随着移动通信技术的不断进步，移动通信基站的数量不断增加，如何降低通信基站的能耗已经是衡量基站设备性能非常重要的指标之一。最有效的方法就是采用更高效率的射频功率放大器。效率往往是衡量PA性能优劣最为关键的指标。由于发射信号自身的原因，需要PA有很好的线性。比如在LTE技术中，64QAM调制方式以及OFDM技术必然导致信号峰均比较高，因此对PA的线性要求也就越高。然而从PA自身特性看，高功率PA的线性度往往较差。综上，高功率高效率功放及其线性化技术非常关键。在效率方面，Doherty方法被认为是提高PA效率最有效的结构。与传统平衡放大器不同的是，Doherty结构PA的两个放大器分别偏置成B类（或者AB类）和C类REF_Ref315177228\n\h[6]，基于有源负载牵引技术，在功率回退一定范围内，效率能够保持在较高的水平。根据系统需求不同，目前基于传统对称DohertyPA结构已经衍生出非对称Doherty、多路Doherty、DigitalDoherty等电路结构。Doherty方法的主要问题是线性度较差。DPD(DigitalPre-Distortion数字预失真)是一种改善功放线性特性的先进技术。与其它线性化技术相比，比如模拟预失真，由于其在数字域完成，稳定性和可靠性高，因此事目前业界公认的功率放大器线性化技术发展方向。数字预失真和Doherty结构相结合的结构是目前业界主流PA设计结构。DPD系统电路结构如REF_Ref315175859\h图3所示：图SEQ图\*ARABIC3DPD系统电路结构通常无线基站的DPD系统电路都是由射频发射链路，PA以及功率耦合模块，反馈链路，以及DPD自适应算法组成。由射频发射链路和反馈链路组成的闭环系统将经过Doherty结构PA的非线性失真信号反馈给DPD自适应算法模块，DPD算法模块将其与原始发射信号进行对比以及自适应补偿计算，最终保证经过PA之后输出的信号是线性无失真的。DPD系统的良好运行依赖于发射和反馈链路的系统带宽以及反馈信号的信噪比，DPD系统的核心在于自适应算法的精度。DohertyPA和DPD配合可获得高功率高效率线性PA，并显著提升整机效率，减小RRH体积，降低运营成本。射频基站小型化效率的提升必然导致基站的集成度越来越高，RRH的体积越来越小。在TD应用之初，8天线的RRH体积甚至达到40升。随着技术的不断进步，目前一个8天线每天线5W的TD-LTERRH体积通常在20升左右REF_Ref315176597\n\h[5]。射频基站小型化有很多优点：体积小，重量轻，方便站址选择与施工维护；集成度越高，系统可靠性越高；降低能耗，节省运营成本；目前射频基站小型化手段主要包括：借助SoC技术和半导体工艺的不断进步，更强处理能力，更大处理容量的通用及AISC芯片的推出，可大大降低系统设计复杂度，减小体积；更先进工艺PA，比如GaN，以及更新PA控制技术，比如包络跟踪技术（EnvelopeTracking，ET），可大幅提升PA效率，从而大大降低系统能耗，降低散热需求，减小体积效果明显REF_Ref315177228\n\h[6]；更先进更小体积的滤波器或双工器以及天线设计技术等；阿尔卡特朗讯最新推出的LightRadio技术就是射频基站小型化的杰出代表REF_Ref315177904\n\h[7]。其核心是Cube-无线魔方，是一个6x6x4.5厘米的立方体，集成了天线，馈线和射频单元，并且支持2G、3G、LTE多标准技术融合。如REF_Ref315177549\h图4所示。这是一项来自贝尔实验室的原创技术，可显著提升网络容量、降低能耗和运营成本。图SEQ图\*ARABIC4LightRadioCube结束语TD-LTE作为TD-SCDMA未来演进方向，市场影响越来越大。针对TDLTE射频基站设计技术的讨论也越来越多。本文对TD-LTE射频基站进行了系统分析，对当前TD-LTE基站的一些关键技术，比如TDD与FDD基站邻频杂散辐射问题，高效率PA与DPD设计技术以及射频基站的小型化等进行了深入研究分析。参考文献4G国际标准正式审核通过我国TD-LTE入选通信产业网，2012/1/203GPPTS36.