基于MIMO的LTE数字直放站技术研究及系统应用

福建三元达通讯股份有限公司 梁长松

1.引言

LTE(Long Term Evolution)是近两年来3GPP启动的最大的通信新技术研发项目，由于LTE标准具有更高频谱效率的无线接入技术及平滑的IP核心网络，相比于2G/3G的移动网络，网络性能获得大幅度的提高，并明显降低了网络的运营成本。LTE作为新一代技术路标，其目标容量和数据速率的提高可支持对容量和性能有较高要求的新业务和特征，随着必要的网络构架和技术改进，下行链路和上行链路通道数据速率更高，其中基于TDD的TD-SCDMA将演进到TDD-LTE，而基于FDD的WCDMA，CDMA2000将演进到FDD-LTE。移动数据业务的爆发式增长与智能手机的高速发展，正在加速移动宽带市场的发展，2010年开始，FDD LTE已经进入全球化商用部署阶段，目前已遍及欧洲、北美、亚太和中东等。

7月13日，工业和信息化部有关负责人明确表示，将根据企业申请情况和所具备的条件，推动年内发放4G牌照，加快推进中国4G产业化发展。在国内，中国移动近期启动的TD-LTE一期招标正在如火如荼地进行，此次招标建设的TD-LTE网络，建成后将是全球最大的4G网络。而中国联通仍会坚持FDD LTE的各项准备和实验工作，中国联通在4G时代的终端和网络上仍可能占优势。

因此未来1-3年LTE将会进入全面覆盖的时候，基站网络一旦形成，需要大量的直放站进行补充和支撑，以形成完整的覆盖网络，而且LTE通信的智能面很高，终端一般在室内，因此，各类数字化、多模化、集成化、智能化的直放站及其室内数字分布系统需求仍有较大的市场。

2.基于MIMO的LTE数字光纤直放站

2.1 整体架构

在移动通信领域，直放站是基站网络形成以后，进行盲区的覆盖补充和完善，新型数字光纤直放站是目前直放站中应用最广泛的。以典型的2*2MIMO的新型数字光纤直放站原理框图如图1所示：

图1 2*2 MIMO数字光纤直放站原理框图

远端机主要分为4个大模块：数字处理模块、RFIC收发模块、功放和双工器滤波模块。数字处理模块用于光传输的调制解调、数字上下变频、A/D转换等；收发模块完成中频信号到射频信号的变换；再经过功放和滤波模块，将射频信号通过天线口发射出去。近端机更简单，主要比远端机少了低噪放和功放，其他原理和远端机类似。

2.2 新型LTE数字直放站的主要技术

不用于传统的2G、3G数字光纤站，新型的基于MIMO技术的LTE数字直放站是将多路的射频信号数字化，采用RFIC射频集成技术、多路DPD线性处理技术、高效率功放技术、数字变频技术、多路基带信号处理技术、数字光端机、嵌入式软件辅助系统来完成。其主要特点是可提高直放站灵活性、抗外界干扰的能力、提高功放效率，满足节约型社会需要。同时在软件系统的帮助下，轻松实现升级扩容，组网方式灵活多变。其主要创新的技术包括以下几方面：

(1)射频小信号、数字硬件一体化技术及实现方案

由于要求直放站设备体积尽量小，整机系统子模块可以考虑高度集成、一体化设计，并作好结构的散热分析设计。为了低成本和小体积的设计考虑，采用一体化集成RFIC芯片设计，如ADI的AD9362，Maxim的MAX2580等一体化集成芯片可以满足设计指标要求。其一体化集成芯片设计主要包括锁相环，模拟宽带上下变频，ADC、DAC数据转换，以及中频滤波放大等。主要功能是对输入、输出数据进行各种放大、滤波和频率变换；由于正交分解后的I/Q两路基带信号对上述后续处理往往带来很大的方便和良好的性能，大部分数字变频方案都采用了正交两路处理的典型结构。

(2)高效率高线性功放设计

总功率输出10W以上的功放，其功放模块采用了Doherty功放合成技术和先进算法的双通道分时处理的单路DPD技术相结合，使功放的线性和效率得到很大的提高，既满足LTE信号对线性的高要求，又降低了设备功耗，减小运营商的运营成本。其功放模块的原理框图如图2。

图2 双通道功放模块原理框图

①Doherty功放合成技术及实现

功率放大器的线性度和效率是设计功率放大器的重点。Doherty方法被认为是提高效率最有前景的一种结构。Doherty功放有一个主功放和峰值功放构成，将输入信号的平均部分和峰值部分分开放大，然后合成，通过对输出的合路微带的设计，使峰值功放和主功放都起到Load-Pull的作用从而获得高效率。数字预失真DPD与Doherty结合的结构具有很大的价值。

由于LTE系统采用了OFDM和64QAM调制方式，具有很高的峰值功率，因此本项目采用适当的削峰CFR技术，包络跟踪技术和2路Doherty合成等技术，进一步提高功放效率。

②功放部分采用了多通道分时处理的单路数字预失真DPD技术及实现

DPD技术的优点是不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理含多载波的信号，效率较高。为了满足LTE调制信号对功放的高线性要求，新一代功放的DPD技术得到了极大地发展。DPD算法的主要思想是对功放的非线性效应进行反向建模，以抑制它的非线性影响，使功放尽可能线性化。

另外LTE数字光纤站开发采用多天线技术，支持2天线，相应的下行功放输出有2路，采用射频开关切换，分别对其每路功放进行DPD数字预失真处理，通过软件设计一定时间进行切换保持，可以保证每路的DPD的性能，比传统DPD方式减少了1路，节省了硬件空间，并节约了成本。

(3)CPRI支持大容量接口协议的研究

通用公共无线接口联盟(简称CPRI)是一个工业合作组织，致力于从事无线基站内部无线设备控制中心(简称REC)及无线设备(简称RE)之间主要接口规范的制定工作。本项目采用XLINX公司的FPGA的方式，将CPRI接口部分和数字前端部分集成到一个芯片当中，从而提高了系统的集成度和抗电磁干扰能力，降低了系统成本，同时FPGA的可再编程性，使得CPRI接口可以根据需要灵活调整，增强了不同设备厂商之间的设备兼容性。同时FDD-LTE分布式基站Ir接口技术要求也已经制订出来相关标准。随着相关技术和标准的发展，CPRI标准也已不断进行了更新和升级。

4G移动通信LTE采用了MIMO技术，其数据容量增大了几倍，因此对于光纤数据传输相应的容量要求也更高了，现在XLINX、ALTERA、LATTICE等公司都新推出的各类型的FPGA可以满足低成本数据压缩设计的需求。本项目采用了XLINX数据压缩数据算法，降低了数字光模块的速率要求，满足了低成本光纤传输的设计需求。

(4)软件无线电技术的研究

采用软件无线电思想设计数字直放站，可以使得直放站的系统升级和功能增加都可以采用软件的方式进行加载。项目采用可重构的FPGA作为系统核心器件，目的就是要将数字前端的数字上下变频、CFR、DPD，以及一些基带的处理都放在FPGA中进行设计，并且Xilinx公司的V4，V5等系列FPGA还集成了DSP，可以完成CPU的部分功能，有利于直放站设计的小型化和集成化，实现功放效率的提升，支持多载波和可以远程升级。

3.LTE数字光纤直放站产品应用及组网方式

FDD LTE数字化典型直放站设计平台上进行深入开发，根据实际LTE的使用特点及兼容2G，3G覆盖市场的市场需求开发派生出了相应使用环境的各种类型的数字直放站产品。综合考虑应用到4G LTE的数字直放站产品方面，主要有典型的大功率数字光纤站，小功率一体化天线(或伪装天线)数字光纤站产品，以及微功率光纤分布系统产品。

3.1 典型的大功率LTE数字光纤站

典型的大功率LTE数字光纤站主要有每路输出10W，20W，40W，60W等功率级别的产品。由于采用了射频集成一体化，和高效率、高线性的功放设计，新型的FDDLTE数字光纤站的体积更小，效率更高。这种数字光纤站一般应用于道路沿线长距离覆盖，大型住宅小区覆盖，解决城区基站寻址难问题的场合覆盖。

其组网方式主要有网状，星型，菊花链，以及混合形组网方式，如图3。菊花链组网方式非常适合于道路沿线长距离覆盖，星型＋菊花链型混合方式组网，该组网方式适用于大范围、大面积网络覆盖应用可以组成分布式覆盖系统进行大范围覆盖。

图3 数字光纤直放站组网配置系统框图

3.2 小功率一体化天线(伪装型)数字光纤站产品

随着运营商及客户的发展需求，很多小区城中村不断的增加，弱信号覆盖区域越来越多，而随着通讯知识的普及，群众对射频信号辐射的意识已逐渐增强，因此物业协调难度也越来越大，很多应用场景不能使用正常的天线进行覆盖补盲，这就需要有一种辐射功率不大且天线伪装的直放站，使直放站设备工程架设容易又对群众的影响降到最低。

鉴于上述存在的问题，开发一种小功率一体化天线(伪装型)的数字光纤直放站产品将会得到广泛的应用，其组网工作原理示意图如图4。设备功率每路最大支持2W，美化机箱尺寸及外观以闭路配线箱或网络集线箱来设计，设备使用的光纤及取电均使用当地现网资源，由于采用了隐蔽小巧的外观，不用业主协调，工程安装方便快捷，能够有效解决城中村及复杂住宅小区等场景的信号覆盖问题。

图4 一体化天线(伪装型)的数字光纤直放站组网工作示意图

3.3 包含4G LTE的多业务数字光纤分布系统产品

只有近端和远端的数字光纤站，在室内分布系统中，由于带载的远端数量的限制，无法在实际室内分别工程的得到大量应用。因此考虑在近端、远端之间加扩展单元，这就是目前已在2G、3G制式大量应用的微功率光纤分布式系统，而在此系统加入2*2 MIMO 的4G LTE以支持多模多业务的新型光纤分布系统。微功率光纤分布式系统是指由接入控制单元(AU:Acess Unit)、近端扩展单元(MEU:Extend Unit)、远端射频单元(RU:Remote Unit)三部分组成的支持2G、3G、4G、WLAN、固网宽带等多业务的新型分布系统，其组网方式灵活，带载的远端数量也更多，其组网工作示意图如下图5。目前已经开始广泛用于2G/3G/4G/WLAN 无线通信信号深度覆盖。

图5 微功率光纤分布式系统组网工作示意图

4.总结

新一代基于MIMO技术的LTE数字光纤直放站在技术方面，与2G、3G数字直放站相比，具有一定的技术创新和更出色的技术指标和性能，以及其体积小、集成度高、功耗低、覆盖质量好、智能性更高。其多种类型的扩充产品(包括大功率数字光纤站，小功率一体化天线(或伪装天线)数字光纤站以及微功率光纤分布系统等)能适合各种工程应用场合的无线通信信号的深入覆盖。这些系列的LTE数字直放站产品系列并将成为移动通信信号覆盖的非常具有竞争力的覆盖解决方案。