為什么使用Femto基站？

基于3GPP的第三代蜂窩系統設計用于支持全移動多媒體體驗，很多情況下，該系統的普及受限于其接收效果，尤其是住宅和偏遠地區。在住宅密集的市區，尤其是高層建筑物中，急待解決系統擴容、改善服務質量(QoS)等問題。

面對這樣的要求，“Femto”蜂窩基站應該是合乎邏輯的選擇，基站一般分為以下幾類：
• +45dBm：宏蜂窩基站，覆蓋室外大約5km的區域
• +30dBm：微蜂窩基站，覆蓋大約0.5km的區域
• +15dBm：Femto基站，覆蓋大約50m的室內住宅或建筑區域

對于住宅內部署，Femto基站可通過公共交換電話網接入網絡，通?？梢圆捎米≌腄SL線路。手機僅與家里的Femto基站通信，從而使用戶擺脫對宏蜂窩基站的依賴。在高層建筑中，Femto基站可連接到大廈的有線以太網系統，這也減輕了宏蜂窩基站的負荷。下面，我們簡單介紹Femto基站部署的基礎，了解Maxim射頻方案如何為這一技術提供關鍵優勢。

提高蜂窩覆蓋

蜂窩系統的設計需要在手機電池壽命、手機計算功耗、基站用戶負荷之間達到最佳平衡。此外，隨著蜂窩標準的不斷完善，可以充分發揮先進的移動DSP的性能優勢。蜂窩系統運營商緊跟這一趨勢，努力提供更多、更好的多媒體內容，從而提高收入并吸引更多的新用戶。用戶則享受到了“無處不在”的移動互聯。由于蜂窩手機用戶以每年1億的速率增長，在這一利益的驅使下，形成了一個高效、極具競爭的供應鏈，以保證低價格、高性能。

寬帶無線通信與蜂窩RF業務的比較

寬帶無線系統的開發和部署與蜂窩系統的開發計劃如影隨形，以滿足市場/用戶的發展需求。最初，所謂的“咖啡廳”Wi-Fi®為用戶提供802.11互聯網接入，當用戶在附近停留或在飯店用餐時可以使用網絡。隨后，有些城市開始著手建設Metro-Wi-Fi接入點，為商業區提供服務。這種模式非常成功，2004年發布了更好的無線接入系統，即802.16 WiMAX® (以及韓國的WiBro®)，目的是提供“城域寬帶無線接入”服務。

采用正交頻分復用(OFDM)代替單載波調制，能夠允許這些寬帶無線系統克服城市的多徑效應，但發射功率需要提高4倍。這是因為OFDM 802.16d的峰均比(pk-avg)接近11dB，而WCDMA 3GPP pk-avg為5dB。Intel®已經率先將WiMAX作為超級移動PC (UMPC)的RF連接標準，超級移動PC的大小定義為普通蜂窩電話的大約6倍。因此，UMPC促進了WiMAX服務，但由于WiMAX需要更大容量的電池，所以很難將其集成到超薄/翻蓋手機中。

發射塔建設

蜂窩和WiMAX部署的一個共同障礙是發射塔建設和道路占用問題。道路占用權的租賃費用以及市政部門對城市規劃的條例，都會大大制約這兩套系統的建設空間和區域。蜂窩運營商早在WiMAX之前大約20年就開始系統的部署與建設，在基站覆蓋和新建系統上具有明顯優勢。

有線固定住宅業務

有線住宅接入系統是對住宅WiMAX的有力補充。住宅業務一般包括光纖到戶(PON)、電話線DSL和有線電視互聯接入。在發達國家，這些業務得益于網絡終端設備的長期發展。PON是比較新的接入方案，但網絡的本地交換運營商(LEC)已經擁有道路使用權，只需要用新光纖替換老舊的銅纜即可。

這些業務為Femto基站部署提供了現成的設計平臺，我們將在下文詳細討論。

基本的Femto基站部署

圖1所示對傳統的節點B宏峰窩基站連接與Femto基站連接進行了比較。

圖1. 傳統的節點B宏蜂窩基站連接與Femto基站連接比較

圖1中，左側部分為蜂窩手機與蜂窩發射塔的直接連接方式，圖中房屋為木質結構，穿過墻壁的損耗相對較低，在一定程度上等效于靠近宏蜂窩基站。

右側部分則為混凝土高層建筑，室內或公共辦公樓安裝了Femto基站。通過住宅DSL線路或商用有線以太網連接Femto基站。這種情況下，大廈內的信號可以很微弱，Femto基站扮演了一個“個人、專用基站”的角色，不與宏蜂窩基站通信。

需要指出的一點是現在許多基帶DSP供應商都可提供成熟方案，使Femto基站能夠克服宏基站和其它Femto基站信號的干擾，這一點對Femto基站來說很重要。

Femto基站克服了蜂窩系統的關鍵問題

容量限制

傳統的宏蜂窩基站在高峰時段的呼叫容量受到一定限制。系統按照統計學原理設計，采用了流量排隊理論處理既定時間的呼叫數量。所以，長時間的通話會降低高峰時段的呼叫容量。

另外，當基站為位于邊界附近的手機提供服務時，宏蜂窩基站將不得不增大發射功率，這會影響為其他客戶服務的動態范圍。所以，邊界附近的手機呼叫也會降低總呼叫容量因為他們會壓縮基站發射的動態范圍(見圖2)。

圖2. 呼叫距離對宏蜂窩基站發射功率的影響

這兩種因素限制了宏基站的容量，進而影響運營商的收益，并將新用戶拒之門外。

Maxim的單芯片Femto基站RF收發器

Maxim的RD2550 Femto基站參考設計能夠滿足WCDMA波段1的TS25.104要求，我們還提供WCDMA波段2、4和5的參考設計。該參考設計的核心是單片收發器，帶有Δ-∑比特流數字接口，可直接連接基帶DSP/調制解調器。收發器采用低電平LVDS接口，在基帶DSP/調制解調器完成信道濾波，可通過軟件重新配置無線工作狀態。

我們已經完成完整的RF收發器參考設計。利用收發器集成的LNA，支持宏蜂窩基站監測模式。圖3所示為參考設計電路板，詳細信息請見參考設計5364：利用MAX2550–MAX2553收發器構建的Femtocell射頻參考設計。

圖3. Maxim Femto基站參考設計

滿足UTRA波段1 Femto基站標準(3GPP TS25.104)

Femto基站的主要指標如表1所示，對于WCDMA Femto基站，滿足接收機和發射機TS25.104的動態范圍要求比TS25.101手機規格的要求更嚴格，相差至少10dB。但是，由于預計的產量很大，集成度和BOM成本還必須做到手機的同等水平。因此，理想情況下最好采用低成本、高集成度的手機芯片組設計，而在與手機相反的收/發頻帶內也要保持高性能(基站應用)。

表1. TS25.104主要要求

例如在接收通道，用于測量ACS的5MHz頻偏內阻塞要做到-38dBm，比-52dBm的手機要求苛刻得多。同樣，用來測試通道選擇性的10MHz頻偏內，阻塞要做到-30dBm，而手機僅要求-56dBm。因此，接收器必須具有更高的IIP2和IIP3性能。

相對于手機，Femto基站發射機線性度的指標同樣要求非常高。對于WCDMA手機，ACPR規定為-33dBm，而TS25.104 Femto基站則為-45dBm左右。

系統性能測試和分析

接收靈敏度是一個重要的系統指標，受RF通道的信號質量和基帶調制解調器DSP處理能力的影響較大，在最小輸入信號條件下，RF通道質量受接收器噪聲(即NF)的影響。接收靈敏度可通過系統NF計算，在靈敏度計算中，基帶解調器BER為0.001%的QPSK信號要求Eb/No為7.5dB，靈敏度可根據下式計算：

參考靈敏度 = KTB + NF + Eb/No - PG
式中：
BW = 3.84MHz碼片速率
KTB = -174dBm/Hz + 10 log (3.84MHz) = -108.13dBm
PG = 12.2kbps碼率，相對于擴頻帶寬 = 10log (3.84MHz/12.2kbps) = 25dB
如果NF為10.5dB，靈敏度計算如下：
-108.13dBm + 10.5dB + 7.5dB - 25dB = -115.13dBm

ACS及阻塞性能可采用類似方法計算，按規定的干涉條件測量系統NF。這里，由于干涉效應產生的附加噪聲，使得NF比靈敏度測量結果要差一些。

按照TS25.141規定的測試模型1 (TM1)測量Tx性能，TM1信號模擬實際的流量情況，pk-avg可能較高。

在3.84MHz WCDMA帶寬測量最大功率，在5MHz頻偏位置測量ACLR。這種情況下，發射ACLR性能主要取決于外部PA。

RD2550 UMTS波段1 Femto基站參考設計的性能測試

表2. RD2550參考設計性能測試

圖4. TM1 16DPCH信號ACLR，+20dBm輸出功率

圖5. TM1 16DPCH信號EVM，+20dBm輸出功率

結論

Femto基站將為住宅內的手機通信帶來更好的數據網絡體驗。由于必須滿足嚴格的基站性能指標，而成本卻要保持在手機成本的同等水平，Femto基站設計面臨巨大挑戰。Maxim的Femto基站收發器完全滿足3GPP TS25.104規范要求，并使用最少的BOM數量。Maxim的RD2550 UMTS波段1無線電參考設計基于MAX2550 Femto射頻收發器，達到了目前市場的最高性價比水平。

作者：Jerry Wei，ADI半導體