塑造新的eNodeB發(fā)射器架構：技術演進

模擬集成在應對LTE-Advanced無線電工程師面臨的新挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著重要作用。第三代合作伙伴計劃（3GPP）正在開發(fā)LTE-Advanced標準的第3版（Rel-12）。12GPP Rel-3 包括對 12G 無線接入技術的許多增強功能，包括寬帶載波聚合、多層空間復用和高級天線配置。Rel-4增強功能將挑戰(zhàn)無線電設計人員集成更多的RF發(fā)射器通道，從而實現更小，更低功耗和更高性能的eNodeB基站。射頻模擬集成和顛覆性無線電架構的進步可以幫助工程師成功克服集成挑戰(zhàn)。

介紹

本應用筆記系列分為兩部分，回顧了第四代長期演進（4G-LTE）蜂窩標準的新發(fā)展。本應用筆記系列探討了LTE-Advanced （LTE-A） Release-12 （Rel-12）的特性以及對eNodeB射頻（RF）發(fā)射器的影響。應用筆記揭示了模擬集成如何克服最新4G開發(fā)帶來的設計挑戰(zhàn)。每個應用筆記的末尾都附有技術術語表。

本應用筆記第1部分探討了推動全球采用LTE標準的市場力量以及4G無線接入技術的趨勢。讀者將了解第三代合作伙伴計劃 （3GPP） Rel-3 規(guī)范中概述的工作項。主題包括載波聚合 （CA）、空間多路復用和有源天線系統(tǒng) （AAS）。

本系列的第 2 部分將探討 4G 基站中的模擬集成挑戰(zhàn)。Rel-12 特性，如寬帶下行鏈路載波聚合、下行鏈路多輸入多輸出 （MIMO） 空間復用和帶嵌入式射頻的 AAS，為下一代 eNodeB 無線電帶來了新的設計挑戰(zhàn)。引入了一種顛覆性的比特到RF解決方案，可以幫助工程師塑造替代無線電發(fā)射器架構。討論的重點是新型RF數模轉換器（RF-DAC）技術，該技術可產生單芯片寬帶RF發(fā)射器解決方案。讀者將了解RF-DAC的系統(tǒng)級應用及其為eNodeB無線電設計帶來的集成優(yōu)勢。

概述

長期演進（LTE）被公認為發(fā)展最快的移動寬帶技術，并成為全球采用最廣泛的蜂窩標準。無線服務提供商采用LTE的全球速度已超過之前的第二代（2G）和第三代（3G）部署。LTE的普及主要是由于其高頻譜效率和高峰值數據速率，基于IP的低延遲網絡和演進路線圖。對于消費者來說，這意味著可靠的高速移動接入和隨時隨地的連接。對于無線服務提供商而言，LTE 可提供高效的頻譜利用率、網絡容量增益和總擁有成本 （TCO） 的顯著改善。但LTE不是“真正的4G”服務，從技術上講仍被認為是3.9G。

真正的第四代（4G）無線電通信標準，即國際移動通信-高級（IMT-Advanced），必須滿足國際電信聯盟無線電部門（ITU-R）規(guī)定的要求。IMT-Advanced將4G定義為一種服務，可為高移動性用戶提供100Mbps峰值數據速率，為低移動性客戶端提供1Gbps峰值數據速率。為了符合IMT-Advanced的愿景，自3年發(fā)布最初的LTE Rel-8標準以來，2008GPP已經開發(fā)了許多增強功能。

在Rel-10中，3GPP將LTE-Advanced作為“真正的4G”服務引入，以滿足或超過IMT-Advanced的要求。LTE-A Rel-10是移動寬帶演進的下一步，并進一步擴展了LTE的基本功能集。目前，Rel-12已接近推出，計劃于2015年12月進行功能凍結。Rel-1將包括跨無線接入技術的進化增強。圖10顯示了LTE開發(fā)時間表，可以看出理論上的峰值下行鏈路（DL）和上行鏈路（UL）數據速率分別提高了約20倍和300倍，從Rel-75中的DL = 8Mbps / UL = 3Mbps增加到Rel-1中的DL = 5Gbps / UL = 10.10Gbps。峰值數據速率的顯著提高部分歸功于寬帶CA，并輔以Rel-12中引入的多層空間復用，現在是Rel-<>增強功能的重要組成部分。

圖1.LTE發(fā)布時間表顯示了無線接入技術的演進進步。

LTE-A rel-12及其對eNodeB無線電的影響

Rel-12增強功能將顯著影響演進的NodeB（eNodeB）無線電的設計方式。一些重要的 Rel-12 項目包括載波聚合的新組合、下行鏈路 MIMO 的空間多路復用增強以及 AAS 所需的射頻要求。圖 2 總結了 Rel-12 的一些項目及其各自的功能和優(yōu)點。

圖2.版本 12 工作項的功能和優(yōu)點。

仔細觀察Rel-12的功能，可以揭示LTE移動寬帶網絡如何發(fā)展，以實現容量，頻譜利用率，峰值數據速率和覆蓋范圍的改進。載波聚合使運營商能夠提供更高的峰值數據速率（比特/秒），并更好地管理跨越700MHz至3.5GHz的碎片化無線電頻譜。采用具有 8x8 MIMO 的空間復用可提高頻譜效率（比特/秒/赫茲），為用戶提供更高的峰值數據速率，同時最大限度地利用有限且寶貴的頻譜資源。遷移到AAS使宏蜂窩基站能夠實施波束成形技術，從而提高小區(qū)邊緣和扇區(qū)容量，同時降低功耗。Rel-12 功能增強為 LTE 生態(tài)系統(tǒng)帶來了許多好處，同時也帶來了新的無線電設計和無線電架構挑戰(zhàn)。

下行載波聚合（DL-CA）意味著基站無線電發(fā)射機必須支持具有載波頻率捷變的超寬帶寬，而8x8 MIMO需要更多的射頻發(fā)射機信道。帶有嵌入式射頻的 AAS 為每個天線元件專用一個無線電收發(fā)器，最多 16 個天線元件。這顯著增加了無線電信道密度。在宏蜂窩基站應用中，DL-CA、MIMO 和 AAS 特性推動了對緊湊、低功耗、高動態(tài)性能無線電解決方案的需求。受外形尺寸、功耗和系統(tǒng)成本三者約束的約束，Rel-12 增強的效果是深遠的。RF 工程師面臨著新的 eNodeB 設計挑戰(zhàn)：在更小的占位面積中集成更多無線電信道，以更低的功耗和更好的動態(tài)性能運行，所有這些都不會增加系統(tǒng)成本。為了幫助工程師克服這些挑戰(zhàn)，射頻模擬集成和顛覆性無線電架構提供了一種可以重塑eNodeB發(fā)射器設計的解決方案。

在討論 Rel-12 功能的細節(jié)之前，了解市場驅動因素以及起草 LTE-A Rel-12 的原因非常重要。簡而言之，市場是否有更大的容量、更好的覆蓋范圍和更高的體驗質量的需求？是否有商業(yè)案例證明部署LTE-Advanced的資本支出（CAPEX）投資是合理的？

推動LTE-A的市場力量

移動流量正在從語音過渡到“以數據為中心”，因為移動用戶在智能手機、平板電腦和移動 PC 上采用視頻流、Web 瀏覽和社交網絡。未來五年，移動行業(yè)預測移動數據流量和移動寬帶用戶將呈指數級增長，數據流量增長60%，用戶增長27%。預計結果將是16年每月2018艾字節(jié)的流量和<>億的全球用戶。[1] [2]行業(yè)專家承認，為了維持移動寬帶需求的激增，并確保具有無處不在連接的高質量體驗服務，無線服務提供商必須改善網絡覆蓋范圍，增加容量并最大限度地提高頻譜利用率。要實現這些目標，服務提供商需要投資網絡現代化，升級基礎設施，從3G過渡到4G無線接入技術和核心網絡設備。

從3G升級到4G需要新的網絡設備。因此，LTE網絡的部署成本更高，并且需要更高的初始資本支出投資。這使得資本支出投資成為重要的市場驅動力。因此，證明4G無線基礎設施設備的資本支出投資的合理性需要一個令人信服的商業(yè)案例，以證明盈利能力和足夠的投資回報率（ROI）。4G-LTE網絡平均比4G快3倍左右，3允許服務提供商利用不斷增長的移動數據需求。此外，扁平全IP LTE網絡的運營成本低于3G，使4G成為降低每比特服務成本和提高盈利能力的理想選擇。

LTE-A在為移動網絡提供差異化服務方面發(fā)揮著關鍵作用，并充當移動數據增長貨幣化的渠道。投資韓國、日本和美國等世界上最先進的移動市場LTE基礎設施的早期LTE采用者已經看到了成功的收入增長和每用戶平均收入（ARPU）的增長。此外，由于LTE提供更低的每比特服務成本，早期采用者更好地控制了運營費用，這反過來又有助于改善TCO。早期采用者很快意識到“首先進入市場”和“最好進入市場”的重要性，或者換句話說，“建立它，他們就會來。

Verizon Wireless，4SK電訊，5NTT DoCoMo是主要無線服務提供商早期投資遷移到LTE的好例子。每個公司都報告了ARPU增長的數據，盈利能力穩(wěn)定。相反，在歐洲，無線提供商推遲了LTE，并試圖收回昂貴的3G投資，這些提供商的ARPU正在急劇下降。圖36說明了美國與歐洲的每次連接平均收入（ARPC）和ARPU之間的對比，這兩個市場的消費者都看到了降低每次連接成本的好處。然而，由于美國消費者與更多的數據密集型設備連接，每次訂閱的收入正在增加。ARPU-ARPC差距與美國的LTE網絡部署和移動生態(tài)系統(tǒng)擴展相吻合。事實上，2013年美國最大的兩家運營商在資本支出上花費了21億美元，超過了服務于五個最大的歐盟國家的所有20家運營商。因此，為了實現早期LTE采用者市場的收入增長和盈利能力，今天全球對4G基礎設施的投資是服務提供商CAPEX將在250年達到2017億美元的主要原因。

圖3.當移動用戶與更多數據密集型設備連接時，如美國LTE市場，每次連接收入的下降是溫和的，運營商會產生更高的ARPU。圖片來源為GSMA無線智能。www.gsma.com/。

提高盈利能力和生成更高的數據 ARPU 是當今全球移動基礎設施投資新一輪的催化劑。如圖 4 所示，7從4年到7年，資本支出預計將以2013.2020%的復合年增長率（CAGR）增長。一般來說，設備與資本支出的比率約為33%。35年約2017%的基礎設施設備投資針對LTE，預計16-2012年的復合年增長率為2017%。8

圖4.為了維持數據增長，預計從1年到7年，運營商在移動網絡方面的資本支出投資將超過2012.2020萬億美元。圖片來源為GSMA無線智能。

圖5總結了推動4G LTE-A演進和新eNodeB設備部署的主要市場力量。移動數據流量和移動寬帶用戶數量呈指數級增長。移動網絡性能必須不斷發(fā)展，以維持對帶寬密集型應用日益增長的需求，而這反過來又需要服務提供商在網絡現代化方面進行資本支出投資。這些力量的匯合推動了LTE-A的發(fā)展和采用。

圖5.四大主要市場力量正在推動無線接入技術的進化改進。

Rel-12 宏蜂窩基站發(fā)射機的趨勢

包括服務提供商資本支出在內的市場驅動因素是LTE無線基礎設施投資將持續(xù)到2020年及以后的良好指標。大部分投資將集中在建設新的LTE宏蜂窩網絡和將3G宏蜂窩過渡到4G接入。宏蜂窩基站提供出色的廣域覆蓋范圍，通常超過10公里（數十英里），并為跨越700MHz至2.6GHz的多個RF頻段提供服務。在需要時，它們?yōu)槠渌咎峁┗爻?。因此，宏蜂窩在蜂窩網絡中發(fā)揮著關鍵作用，并將在未來繼續(xù)發(fā)揮其重要作用。Rel-12 增強功能解決了幫助服務提供商增加更多宏蜂窩容量和提高蜂窩邊緣性能，同時降低總體擁有成本的方法。載波聚合（DL 和 UL）、AAS 和空間多路復用是增強宏蜂窩基站性能的三個 Rel-12 功能。

下行載波聚合

DL-CA將各個分量載波（CC）組合在一起，以有效增加移動用戶可用的傳輸帶寬。分量載波可以位于LTE頻段的頻譜中。DL-CA允許服務提供商更好地利用700MHz至2.6GHz的碎片頻譜，同時提供更高的用戶峰值數據速率并增加整體網絡容量。Rel-10指定每個用戶的最大聚合帶寬為100MHz，包括多達五個20MHz分量載波。初始LTE部署僅限于高達40MHz的聚合帶寬，以更好地服務于網絡運營商頻譜資產和分配場景。典型應用將 5MHz、10MHz 或 20MHz 分量載波聚合在不同頻段。

DL-CA有三種類型：（1）帶內連續(xù)，（2）帶內不連續(xù)和（3）帶間不連續(xù)。9載波聚合可用于FDD或TDD模式，支持1.4、3、5、10、15和20MHz帶寬。 圖 6 總結了 DL-CA 的類型、不同的 CA 類別和傳輸帶寬配置。在 Rel-10、Rel-11 和 Rel-12 中為上行鏈路和下行鏈路調用了不同的 CA 組合。在Rel-12中，引入了一種新的DL組合，該組合聚合了三個帶間分量載波（3DL-CC）。例如，華為和LG Uplus在1MHz（CC = 5MHz）、7MHz（CC = 800MHz）和10MHz（CC = 2100MHz）下演示了LTE頻段10-2600-20的聚合，以實現300Mbps的峰值吞吐量。10

圖6.圖示總結了不同類型的載波聚合、不同的 CA 類別和傳輸帶寬配置。

LTE生態(tài)系統(tǒng)支持載波聚合，包括高通和Sequans的移動芯片組，三星S5和HTC One（M8）智能手機中的移動設備，以及愛立信、華為和諾基亞網絡等公司的基站設備。與無線服務提供商聯合演示的一些示例可實現高達450Mbps的峰值數據速率，包括華為和LG Uplus，? ?10愛立信和特萊斯特拉，11諾基亞和SKT。12目前，DL-CA即將在全球范圍內的實時網絡中增加，因此移動LTE用戶很快就會享受到更高峰值數據速率的好處。

有源天線系統(tǒng)

AAS是eNodeB演進的下一步。蜂窩基站已經從傳統(tǒng)的基站收發(fā)器（BTS）發(fā)展到遠程無線電單元（RRU），再到集成天線無線電（IAR），現在又發(fā)展到AAS。圖7顯示了第二代無線電單元從塔底部的室內外殼移動到天線下方的塔頂的演進路徑。RRU 用光纖電纜互連取代同軸饋線電纜。第三代將無線電單元（通常為2T4R）和天線罩內集成在一起，其中無線電與交叉極化天線陣列接口。第四代在天線內部集成了多個無線電收發(fā)器，其中每個無線電都與專用天線元件接口以形成陣列。一個例子是阿爾卡特朗訊的“立方體光收音機”的推出。13

圖7.基站從第一代 BTS 到當代第四代的演變。

每一代基站都在一個或多個關鍵領域進行了改進：更好的無線電性能、更低的工作功率、更小的尺寸或更快的安裝時間。例如，從 BTS 過渡到 RRU 時，功耗降低了 50%，下行鏈路損耗降低了 3dB。從 RRU 到 IAR 的過渡使尺寸減小了 40%，功耗降低了 8%，下行鏈路損耗降低了 1dB。14第四代 AAS 實現了全新的、更高水平的性能。

AAS是一項進化性發(fā)展，將使宏蜂窩能夠將LTE容量精確地集中在特定的用戶組。它將提高小區(qū)邊緣性能，同時降低基站的工作功耗。AAS基站的潛力在于電子波束形成和空間處理技術，可以產生動態(tài)可調的輻射圖。圖 8 說明了 AAS 結構。射頻收發(fā)器和天線元件陣列允許對相位和幅度進行電子基帶控制，以塑造和引導輻射波束。此控制支持單天線蜂窩扇區(qū)細分。波束模式的水平（方位角）和垂直（仰角）控制實現了幾個重要的應用：（1）垂直扇區(qū)化，（2）獨立的TX-RX傾斜，（3）RAT傾斜，（4）接收器分集和（5）全維MIMO。

圖8.具有嵌入式射頻的有源天線系統(tǒng) （AAS） 的結構（左）和宏蜂窩基站中的 AAS 波束成形功能（右）。

圖9顯示了無線服務提供商可在宏蜂窩基站中利用的AAS應用示例。通過波束成形和波束控制，AAS宏小區(qū)可以更好地利用無線電資源，適應不斷變化的流量模式，并改善移動用戶體驗。例如，RX 和 TX 光束的獨立 TX-RX 電子傾斜可用于優(yōu)化單個 UL 和 DL 路徑;因此，當 RX-TX 鏈路預算不同時，可以延長移動設備的電池壽命。當UL路徑得到優(yōu)化時，移動設備發(fā)射器的功率放大器可以設置為最佳工作功率水平，而不會浪費電池能量。

AAS可以為LTE生態(tài)系統(tǒng)帶來許多好處。然而，AAS基站的射頻特性與傳統(tǒng)天線系統(tǒng)不同，必須對此進行詳細研究。

圖9.宏蜂窩基站可實現多種 AAS 波束成形和波束控制應用。

在Rel-12中，一個工作組正在研究AAS。3GPP 有源天線工作項的主要目標是確定 AAS 基站的射頻要求和一致性測試。其中一些主題包括相鄰信道泄漏比 （ACLR）、帶內/帶外發(fā)射、接收機靈敏度、接收機阻塞器性能和 3D 信道建模。15AAS被廣泛認可的好處是3GPP研究背后的主要原因：通過采用具有光束整形和轉向的柔性細胞分裂來增加容量;消除電纜衰減和功率損耗;安裝在塔頂上的組件更少;以及通過收發(fā)器冗余實現更好的網絡可用性。AAS 第四代基站的出現有望為宏蜂窩提供更高水平的性能，并有效提供新的 4G 服務，如 LTE 語音和 LTE 廣播。

使用下行鏈路 MIMO 進行空間多路復用

在 100MHz 載波聚合頻帶受限系統(tǒng)中傳輸每秒千兆位的下行鏈路峰值數據速率需要超越高階調制的頻譜效率技術。隨著無線通信鏈路接近香農容量定理的極限，必須利用空間維度，因此必須采用具有多個天線配置的空間復用。LTE Rel-8包含具有2層傳輸的2X4和4X4 MIMO。Rel-10將其擴展到8X8下行鏈路MIMO，也稱為傳輸模式9（TM9）。Rel-12探索了優(yōu)化8X8 DL MIMO的方法，并包括對全維MIMO（FD-MIMO）的研究，并得到了AAS的補充。

采用具有 8X8 下行鏈路 MIMO 的空間復用可以將吞吐量提高 8 倍，而無需使用更多頻譜帶寬。在通信鏈路可靠性很重要或信號條件較差的情況下，可以采用下行鏈路空間分集（發(fā)射分集）來獲得分集增益并提高信干加噪聲比（SINR）。通過 MIMO 空間復用或 MIMO 空間分集，可以實現重要的網絡性能提升。然而，這些先進技術需要在eNodeB和移動用戶設備（UE）上安裝多個天線。部署 8x8 MIMO 需要在 eNodeB 和 UE 上安裝八根天線，如圖 10 所示。由于需要天線空間分離，因此很難在智能手機等小型移動設備中集成八根天線。然而，4X4 MIMO是實用的，天線開發(fā)的新進展就像SkyCross看到的那樣。16其中已證明 580Mbps 峰值數據速率。大尺寸設備，如數據饑渴的平板電腦和筆記本電腦，將更容易集成八個天線。由于在大屏幕設備上觀看高清 （HD） 視頻內容更加實用和愉快，平板電腦和移動 PC 可以充分利用具有高吞吐量 8X8 MIMO 的移動高清視頻。此外，由于移動視頻是數據流量增長的主要驅動力，并被視為無線服務提供商的增值功能，因此宏蜂窩eNodeB有一個重要趨勢，即支持具有四層和八層傳輸的多個天線。

圖 10.使用 8X8 MIMO 進行空間復用需要在 eNodeB 和移動用戶設備上安裝八根天線。

下行鏈路MIMO的大部分基礎是在Rel-8到Rel-11會話中完成的。這包括開發(fā)傳輸模式 1 到 9、碼本結構、信道狀態(tài)信息 （CSI） 反饋、解調參考信號 （DM RS）、下行鏈路控制信息 （DCI） 格式以及 SU-MIMO 和 MU-MIMO 之間的動態(tài)切換。為了提高頻譜效率，Rel-12 側重于兩項 CSI 增強功能：（1） 4TX 預編碼矩陣索引反饋，以及 （2） 非周期性反饋物理上行鏈路共享信道模式3-2。Rel-12也開始了FD-MIMO的初步研究。

FD-MIMO 將 AAS、3D 波束成形和空間復用相結合，在提高網絡容量的同時提供高效的頻譜利用率。FD-MIMO的可能性如圖11所示，其中天線波束可以精確且獨立地聚焦在不同方位角和仰角平面上的許多移動用戶。在 Rel-10 和 Rel-11 中，MIMO 功能專門解決了方位角中的 eNodeB 天線方向性。Rel-12探索了充分利用空間域的方法。

圖 11.全維MIMO （FD-MIMO）與3D波束成形的應用。

為了實現FD-MIMO愿景，需要在3D信道建模、碼本設計、反饋增強和AAS無線電要求的定義方面做進一步的工作。然而，第一步，將多個寬帶無線電發(fā)射機通道集成到空間受限的天線系統(tǒng)中，可以通過創(chuàng)新的比特到RF解決方案來解決。本應用筆記第2部分介紹了如何將直接變頻RF-DAC技術嵌入AAS，以降低發(fā)射器工作功耗、最小化散熱并縮小電路板面積。

結論

本應用筆記是本系列文章的兩部分，第1部分探討了推動全球采用LTE-Advanced的市場力量，并討論了4G蜂窩基站設備的演進。應用說明回顧了 3GPP Rel-12 工作項目以及 eNodeB 下行鏈路發(fā)射器應用的相關技術趨勢。它解釋了Rel-12在寬帶載波聚合，多層空間復用和AAS中的增強功能如何為4G網絡提供許多好處，即覆蓋范圍，容量，網絡利用率和峰值數據速率的改善。然而，在設計宏蜂窩eNodeB發(fā)射器時，Rel-12功能帶來了新的模擬集成挑戰(zhàn)。確切地說，設計人員需要提高發(fā)射機通道密度，并提供具有全載波頻率捷變的超寬帶性能，同時受到小尺寸、低功耗和系統(tǒng)成本降低的限制。

本應用筆記系列的第2部分介紹了一種顛覆性的無線電解決方案，可幫助工程師塑造新的RF發(fā)射器架構并克服Rel-12模擬集成挑戰(zhàn)。第2部分重點介紹產生單芯片無線電發(fā)射器解決方案的新型RF DAC技術。讀者將了解RF DAC技術如何為無線電工程師提供一種將尺寸縮小60%、減少75%元件數量以及將每通道工作功耗降低1000mW的方法。

審核編輯：郭婷