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作者：Dave Lewis, 美国国家半导体公司接口产品部营销经理
无线网络运营商的两难选择
1，用户平均收益（ARPU）
虽然话费不断下降，移动运营商仍然希望不断提高他们的用户平均收益（ARPU）。尽管发展中国家语音通信的发展潜力很大，但在发达国家，语音通信市场已经饱和，运营商不得不依靠移动宽带数据和视频/移动电视业务提高ARPU。就网络资源的单位价格（美元/千字节）而言，运营商向移动数据业务用户实际收取的费用，甚至低于运营商针对传统语音和短信业务收取的费用（图2a）。因此，运营商迫切希望利用现有的频率资源，以更加经济合算的方式，向更多用户提供更高的带宽。
2，频率使用效率
实现更高带宽的一种可行方式是提高载频。但是，提高载频会使蜂窝面积缩小，恶化建筑物穿透能力，因此在覆盖同样的区域时便需要建设更多的基站（图2b）。虽然使用免许可频段也提高网络容量，但它们易受干扰，结果导致服务质量（QoS）下降，品牌形象受损。最理想的情况是，运营商通过提高频率使用效率，以较低的载频实现容量最大化。在频分和时分复用网络中，调制和编码一直是提高频率效率的常规手段。最新技术已经接近限定无线传输最高数据速率的香农容量极限。但香农定理没有考虑空分 复用技术——在这种网络中，分布式基站和多重天线架构仍可显著提高频率使用效率。简而言之，这种技术的基本原理是：不像以往那样将空间视为一个由所有用户共享的庞大“数据通道”，空分复用可以将空间划分为众多通道，这样每个用户即可获得一条或多条可传输数据的通道。
多天线——多通道
目前主要有两种突破性的多天线架构：自适“智能”天线系统（AAS）和多输入多输出（MIMO）系统（图3a/3b）。AAS利用多根天线使波束集中在用户这个焦点上，从而扩大蜂窝面积，降低干扰，并提高频率复用率（面向一个用户的频率更容易在其它辐照方向被复用）。MIMO技术将一直困扰人们的离散通道问题转化为一项优势——它利用多重天线和信号路径提供更多的数据传输通道。值得注意的是，运营商希望同时扩大容量和覆盖面积——提高容量可降低运营商的成本，而扩大覆盖面积可减少用户流失。
AAS天线已在GSM和W-CDMA网络中得以使用，它也是中国大容量TD-SCAMA网络的一个关键组件。MIMO技术即将用于无线局域网（WLAN），目前已获准用于WiMAX系统，并计划用于3G长期演进（LTE），以显著提高数据速率。
恰当的位置
在何处部署天线和选择何种天线一样重要。传统上，我们将射频模块安装在基站基架中，通过低损耗同轴电缆将射频模拟信号传送至天线。另一方面，远程射频单元（RRH）将射频信号传送至天线，并通过可靠和无损的链路将一个或多个RRH连接至基站机房（图1）。RRH数字链路取代了基站和射频模块之间昂贵的同轴电缆，这不仅可以避免3dB的电缆传损，而且能够让射频放大器实现更大的增益。远程射频单元可以被连在一起，以扩大容量和覆盖范围，同时最小化占地空间和站址租赁成本。远程射频单元通常体形小巧，重量不大，一人即可提升和安装。这可降低安装和维护成本。远程射频接口标准（例如CPRI和OBSAI）可提高设计复用率，从而进一步提高射频单元开发的效率，为运营商提供更大的选择范围，和更大的讨价还价余地。由于体积较小，RRH可以安装在常规基站无法安装或安装成本过高的地点，例如楼顶、灯柱或塔顶上。
远程射频单元和多天线技术相得益彰，可免除基站天线，从而提高部署灵活性，改进空间分集性能，降低设备成本，提高射频使用效率。以AAS为例，该天线系统对天线安装位置相当敏感，现有的基站站址可能不是最佳位置。有了RRH架构，运营商就能轻松优化天线安装位置和网络部署。
定时问题
尽管RRH和多天线架构看上去是扩大容量和覆盖范围的一个很好的解决方案，但它们同样面临着挑战。所有远程射频单元必须在完全相同的频率下同时工作，而且，从每个天线到基站的每条延迟路径都必须被测定和整定。有些时延，例如光纤上的传输时延，随温度的变化而变化，在实际运行中可能需要定期进行整定。
挑战之一：RRH同步
在开通的时候，整个远程射频单元网络必须通过串行CPRI或OBSAI光纤链路和基站机房保持同步。一个简单的开通程序是：
（1） 利用本地时钟参考启动射频模块，然后初始化本地逻辑内核。
（2） 等待解串器锁定和有效数据帧。
（3） 在不中断接收的情况下从本地时钟切换至恢复时钟。
（4） 重启数据FIFO，确保已知固定时延。
（5） 就绪后通过光纤进行传输。
（6） 测定和整定时延。
（7） 空中接口同步（增益控制、TDD等）。
在上电时，每个RRH必须根据本地时钟源进行自我配置，然后才能切换至从基站传入的数据流中提取的恢复时钟。但是，这种时钟切换可导致RRH光接口采用的串行器/解串
器（SerDes）丢失数据，这是因为SerDes参考时钟不仅被串行器使用，而且被解串器用于验证和保持时钟。在时钟转换过程中，解串器可以观察到参考时钟上的相移和频移，因此判断该时钟未被锁定（图4a）。这个问题并不会在所有情况下发生，这就提出了现场可靠性问题。为了防止出现可靠性问题，美国国家半导体公司推出了下一代基站串行器/解串器SCAN25100，它具备独立的发射和接收锁相环（PLL），能够在不影响解串器的情况下，让参考时钟从本地时钟源切换至恢复时钟（图4b）。
SCAN25100可以在没有外部时钟源的情况下使用。在这种情况下，SCAN25100通过SysCLK输出管脚在RRH启动期间向RRH逻辑内核提供片上晶振时钟信号，从而免除了配置外部晶振的需要。一旦SCAN25100和从基站传入的数据保持同步，SysCLK就锁相至恢复时钟，从而使远程射频单元和基站自动保持同步。这种锁相过程在模拟电路中以一种平稳的方式进行，这样下行传输组件就能跟踪轻微的频率变化（从内部时钟到恢复时钟）。
挑战之二：时延整定
远程射频单元上电并和基站保持同步后，这些单元和基站机房之间的所有传 输通道的时延都必须被整定，以满足空中接口的定时要求。远程射频单元和基站之间的互连整定，一般通过利用帧同步技术测定时延值进行。例如，CPRI标准规定，远程射频单元和基站之间的时延为(T14 - Toffset）/2，其中T14是基站发射和接收一个超帧之间的时延，Toffset是远程射频单元发射和接收一个超帧之间的时延。
SCAN25100能够以透明方式测定T14、Toffset，以及自身的确定性时延（图5a），从而可准确提供直到SCAN25100并行接口的系统光纤传输和片上处理时延。SCAN25100还可测定并行总线上的Tin-out和Tout-in时延（类似于串行总线上的T14和Toffset测定），从而方便远程射频单元中的时延整定（图5b）。
远程射频单元链路测试准确性要求一般为10ns左右，但是，在多跳远程射频单元配置中，时延测定误差是累积性的，因此要求更高的精确度。美国国家半导体公司保证SCAN25100 T14/Toffset时延整定测量（DCM）的绝对值为± 800ps，从而可确保待计算的所有网络时延值为短短几纳秒。
时延测定
虽然多天线架构（例如发射分集、AAS和MIMO等）能够显著提高频谱效率，但是，相比传统天线而言，它们要求更严格的时延整定。即便在部署时利用特殊的测试仪器对基站网络进行了精确整定，远程射频单元光纤链路在正常运行时的信号传播时延变化，仍有可能超过系统定时要求。例如，长度为15公里的单模光纤的温度变化（从-40℃ ~ +40℃），可能导致大约37ns的时延差（图6）。
时延测量分辨率大约为200ps的SCAN25100，能够测定远程射频单元光纤链路中很小的时延变化。为证明这一功能，美国国家半导体公司专门进行了一场试验——将一卷长度为1公里的单模光纤放在一个保温良好的盒子中，然后逐渐将温度从20℃提高至45℃，并利用SCAN25100测定光纤传输时延。试验结果表明光纤时延变化率为31ps/℃/km（图7），和粒子加速物理学的研究成果非常接近。采用SCAN25100 DCM，基站能够实现很高的时延整定精度。这为开发和部署创新型分布式天线架构创造了条件。
结论
几年以前，我们认为香农容量定理为频率使用效率设置了一个极限，现在，我们知道，像AAS智能天线和MIMO这样的空分复用技术，能够突破这一极限，实现广域无线宽带服务（从当今的几兆字节/秒到100兆字节/秒）。SCAN25100解决了下一代网络中关键的定时挑战，为实现这一转变，兑现宽带无处不在的3G承诺奠定了基础 | 
发表于 2007-3-10 16:17:50
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