為了尋求移動(dòng)回程替代方案，無線服務(wù)提供商（WSP）采用了“解決方案工具箱”來滿足4G/5G蜂窩基站的回程容量需求。科進(jìn)解決方案工具箱包括有線和無線傳輸技術(shù)。對(duì)于許多回程部署方案，服務(wù)提供商認(rèn)識(shí)到無線傳輸比有線媒體替代方案具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，無線技術(shù)帶來了一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。克服這些挑戰(zhàn)需要專門的RFIC器件，這些器件可以幫助縮小設(shè)備尺寸、降低工作功耗、提高動(dòng)態(tài)性能并延長(zhǎng)平均故障間隔時(shí)間（MTBF）。

介紹

本應(yīng)用筆記是兩部分系列文章的第2部分，該系列討論了部署在4G和5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNets）中的無線移動(dòng)回程系統(tǒng)。應(yīng)用說明介紹了不同的設(shè)備類別和新興設(shè)備細(xì)分市場(chǎng)趨勢(shì)。他們還討論了微波、毫米波和低于 6GHz 無線電在小型蜂窩和宏蜂窩基站中的應(yīng)用。應(yīng)用筆記還探討了射頻（RF）模擬集成和高性能RF構(gòu)建模塊的作用，重點(diǎn)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波系統(tǒng)和寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)。

本系列的第 1 部分介紹了移動(dòng)回程市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素、設(shè)備趨勢(shì)以及跨蜂窩無線接入網(wǎng)絡(luò)部署的不同回程解決方案的工具箱。它討論了設(shè)備細(xì)分和設(shè)備配置。第 1 部分還介紹了注意事項(xiàng)和選擇標(biāo)準(zhǔn)，以幫助指導(dǎo)回程解決方案決策過程。

本系列的第 2 部分重點(diǎn)介紹通常用于宏蜂窩和小型蜂窩基站無線回程的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波和寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)。第二部分討論提高無線電鏈路頻譜效率和無線電陣容方案的技術(shù)。第 2 部分還探討了 RF 模擬集成和 RF 構(gòu)建模塊的作用，以及相關(guān)解決方案。

傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、視距微波系統(tǒng)

傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn) （PTP）、視距 （LOS） 微波系統(tǒng)在從 C 波段到 Ka 波段的許可頻譜中工作。常見的工作頻段頻率為 6GHz、11GHz、18GHz、23GHz、26GHz 和 38GHz。這些系統(tǒng)需要暢通無阻的LOS。

圖1

顯示了將宏蜂窩基站尾節(jié)點(diǎn)連接到聚合節(jié)點(diǎn)的PTP微波回程鏈路。對(duì)于小型蜂窩基站應(yīng)用，一些微波設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)演示了使用傳統(tǒng)LOS微波頻段的非視距（NLOS）操作。這種NLOS操作是通過利用高天線增益特性和眾所周知的衍射、反射和穿透電磁波傳播效應(yīng)的操作指南來實(shí)現(xiàn)的。

圖1.PTP LOS 微波鏈路使用尾節(jié)點(diǎn)和聚合節(jié)點(diǎn)。這種方法允許遠(yuǎn)程基站訪問核心網(wǎng)絡(luò)。

常見微波回程配置

分體式安裝單元 （SMU） 和全室外單元 （FODU） 代表了宏蜂窩基站應(yīng)用中最常見的兩種微波回程設(shè)備配置。SMU 配置包括兩個(gè)獨(dú)立的盒子：室內(nèi)機(jī)（IDU）和室外機(jī)（ODU）。FODU是一個(gè)集成IDU和ODU功能的單一單元。FODU 和分體式 ODU 安裝在塔頂，暴露在惡劣的環(huán)境條件和極端溫度變化中。鑒于這種環(huán)境暴露，所有室外機(jī)必須安裝在硬化外殼中（請(qǐng)參閱第 1 部分 [MN3]中的圖 7）。

SMU無線電

在SMU系統(tǒng)中，IDU發(fā)送和接收兩個(gè)不同的中低頻（IF1），一個(gè)用于發(fā)射器（TX）通道，另一個(gè)用于接收器（RX）通道。IF1 通過 IDU 和 ODU 之間的同軸電纜布線。IDU 還處理 TDM 或以太網(wǎng)數(shù)據(jù)路由和傳輸。

在IDU，公共接收器IF1的范圍為120MHz至140MHz，公共發(fā)射器IF1的范圍為310MHz至350MHz（圖2）。350MHz 和 140MHz IF以及直流電源通過IDU和ODU之間的同軸電纜布線。在 ODU 內(nèi)的塔頂，在 L 波段或 S 波段合成第二個(gè) IF （IF2），范圍從 1GHz 到 4GHz。 然后，IF2 從所需的微波載波頻率（RF OUT/IN）上變頻或下變頻，例如 26GHz 載波（圖 3）。

圖2.SMU無線電IF部分原理圖中的IF信號(hào)路由。IDU/ODU 接收器 （RX） 顯示在頂部;IDU/ODU 發(fā)射器 （TX） 位于底部。

圖3.分體式 ODU 中微波上/下變頻器部分的原理圖。

佛度電臺(tái)

在 FODU 配置中，整個(gè)無線電位于室外機(jī)內(nèi)。高速串行接口，例如帶以太網(wǎng)供電 （PoE） 的 1000BASE-T，連接 FODU 和基帶單元（請(qǐng)參閱圖 7，第 1 部分）或微波路由器。在某些小型蜂窩應(yīng)用中，F(xiàn)ODU可以通過PoE直接與小型蜂窩基站接口，其中小型蜂窩充當(dāng)電源設(shè)備（PSE），F(xiàn)ODU是用電設(shè)備（PD）。圖4所示為典型的RF至比特?無線電收發(fā)器前端。

圖4.具有PoE+的FODU射頻到比特微波收發(fā)器的原理圖。該收音機(jī)將被包裹在一個(gè)環(huán)境硬化的外殼中。

圖4中的FODU配置基本上是一個(gè)位到RF和RF到位的盒子，它移動(dòng)數(shù)字傳輸，通常是以太網(wǎng)，并處理所有調(diào)制/解調(diào)、模數(shù)/數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換和上頻/下頻轉(zhuǎn)換。FODU的頻率陣容與SMU不同，因?yàn)镕ODU有兩個(gè)上/下頻轉(zhuǎn)換級(jí)（IF1和RF輸出/輸入），而SMU需要三個(gè)上/下頻轉(zhuǎn)換級(jí)（IF1，IF2和RF輸出/輸入）。

通常，在FODU無線電陣容中，IF1的范圍可以從1GHz到4GHz。 IF1分配由鏡像抑制濾波器的復(fù)雜性和成本驅(qū)動(dòng)，基于載波頻率、通道帶寬、圖像分離和本振（LO）抑制。例如，在C波段應(yīng)用中，載波范圍為6GHz至8GHz，信道帶寬可擴(kuò)展至56MHz。因此，IF1可以低至1GHz，允許低Q值鏡像濾波器實(shí)現(xiàn)必要的LO和鏡像抑制。在工作頻率為32GHz或38GHz的Ka波段應(yīng)用中，IF1可能設(shè)置為4GHz，從而產(chǎn)生更寬的圖像分離，有助于放寬鏡像抑制濾波器要求。

更好的頻譜效率增加容量

對(duì)于服務(wù)運(yùn)營(yíng)商而言，關(guān)鍵優(yōu)先事項(xiàng)包括優(yōu)化頻譜利用率和實(shí)現(xiàn)最低的每比特傳輸成本。根據(jù)電信法規(guī)，服務(wù)運(yùn)營(yíng)商的 PTP 微波鏈路僅限于指定的信道大小或信道帶寬，并收取商定的許可費(fèi)。運(yùn)營(yíng)商可以許可更多的射頻頻譜以增加容量，但這會(huì)帶來額外的費(fèi)用。在許多情況下，可能無法獲得更多的射頻頻譜。最終，需要一些先進(jìn)的通信技術(shù)，以便在分配信道大小的限制下實(shí)現(xiàn)容量增益，但不增加額外的頻譜許可成本。

為了在不使用更多無線電頻譜的情況下提高頻譜效率和系統(tǒng)吞吐量，可以使用三種常用技術(shù)：自適應(yīng)調(diào)制、同信道雙極化 （CCDP） 和空間復(fù)用 （SM）（圖 5）。

圖5.三種先進(jìn)的數(shù)字通信技術(shù)，可提高頻譜效率。

自適應(yīng)調(diào)制動(dòng)態(tài)改變調(diào)制星座，以便在不同的天氣條件和不同的鏈路預(yù)算下實(shí)現(xiàn)最大吞吐量。這種方法具有兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：通過確保在惡劣條件下的無線電鏈路運(yùn)行來保持服務(wù)質(zhì)量，以及在帶寬有限的信道中實(shí)現(xiàn)最高吞吐量。如Claude E. Shannon的經(jīng)典定理所示，通信信道的容量由信噪比（SNR）和發(fā)射器功率定義。

自適應(yīng)調(diào)制使用香農(nóng)定理作為優(yōu)化頻譜利用率的藍(lán)圖。在晴朗的天氣條件下，當(dāng)無線電鏈路信噪比較高時(shí)，通過采用密集的QAM星座（如256QAM、1024QAM甚至4096QAM）來提高頻譜效率和吞吐量。在惡劣天氣條件下，隨著SNR的降低，調(diào)制可以降低到16QAM或QPSK，以確保高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的鏈路操作，但吞吐量會(huì)降低。然而，當(dāng)增加QAM星座密度時(shí)，在增益與增加成本、RF發(fā)射器功耗、更好的RF信號(hào)鏈線性度和更高的動(dòng)態(tài)范圍方面，收益會(huì)遞減。隨著QAM密度的每次增加（例如，64QAM，128QAM，256QAM），SNR或發(fā)射器功率需要增加3dB至4dB。同時(shí)，QAM 密度的每次增加都會(huì)使吞吐量提高約 10%。因此，總而言之，RF信號(hào)鏈性能必須翻倍，才能實(shí)現(xiàn)10%的吞吐量增量增益。因此，需要另一種方法來顯著提高頻譜效率并實(shí)現(xiàn)更高的容量增益。

CCDP 利用交叉極化干擾消除 （XPIC） 在同一信道上使鏈路容量翻倍。使用 CCDP-XPIC，您可以在同一頻率上同時(shí)傳輸兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)在正交天線極化（垂直和水平）上傳輸，并使用數(shù)字信號(hào)處理消除交叉極化干擾。

SM 顯著提高了頻譜效率。SM 使用多輸入多輸出 （MIMO） 天線通過同一射頻信道發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流。2×2 MIMO 鏈路可以使容量翻倍。帶 MIMO 的 SM 用于許多無線應(yīng)用，包括 LTE 接入和 802.11n/ac WLAN，它依賴于多路徑干擾并利用反射引起的空間傳播路徑。但是，有一個(gè)小的并發(fā)癥需要注意。LOS微波鏈路的性質(zhì)不表現(xiàn)出多徑，因此通過有意的天線分離來模擬多徑條件，從而產(chǎn)生偽多徑條件。

雖然將自適應(yīng)調(diào)制與CCDP和MIMO技術(shù)相結(jié)合可以帶來可觀的容量增益，但必須考慮一些權(quán)衡。2×2 MIMO 無線電需要兩條收發(fā)器路徑（兩個(gè)發(fā)射器和兩個(gè)接收器），每個(gè)收發(fā)器專用于單個(gè)天線。CCDP無線電需要兩條收發(fā)器路徑，一個(gè)收發(fā)器專用于每個(gè)天線極化。但是，采用 2×2 MIMO 和 CCDP 需要四條射頻收發(fā)器路徑（圖 6）。RF信道密度增加4倍帶來了一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：在不使用更多RF頻譜的情況下，鏈路吞吐量提高了4倍。在設(shè)備生命周期內(nèi)攤銷，額外無線電硬件的額外成本被每年頻譜許可費(fèi)用的顯著節(jié)省所抵消。

圖6.使用 CCDP 進(jìn)行空間復(fù)用可提高射頻信道密度。

支持熱備冗余

采用 2×2 MIMO 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是滿足支持熱備用 （HSB） 冗余的要求。PTP 微波系統(tǒng)支持 HSB，基本保護(hù)為 1+1 HSB。因此，使用兩個(gè)無線電，一個(gè)主無線電和一個(gè)備用無線電。如果主無線電發(fā)生故障，則輔助備份無線電將接通。HSB 是 2×2 MIMO 無線電架構(gòu)所固有的。 HSB 的目的是在延長(zhǎng)的平均故障間隔時(shí)間 （MTBF） 期間提供五個(gè) 9 （99.999%） 的可用性。至少在某些情況下，預(yù)期的MTBF期限可能長(zhǎng)達(dá)五年。由于無線電鏈路和安裝位置的關(guān)鍵性質(zhì)，需要這種級(jí)別的持續(xù) 24/7 保護(hù)。畢竟，無線回程設(shè)備可以是關(guān)鍵任務(wù)公共安全無線電鏈路的一部分，也可以位于支持許多移動(dòng)用戶的宏蜂窩基站站點(diǎn)、必須安排維護(hù)的塔頂位置或難以到達(dá)的遠(yuǎn)程基站站點(diǎn)。

考慮到 2×2 MIMO CCDP 1+1 HSB 需要四個(gè)無線電收發(fā)器通道。此外，隨著調(diào)制星座從256QAM增加到4096QAM，需要更好的無線電動(dòng)態(tài)性能來實(shí)現(xiàn)所需的誤碼率（BER）和誤差矢量幅度（EVM）裕量。最終，無線回程演進(jìn)提高了RF信號(hào)路徑通道密度，同時(shí)提高了對(duì)更高動(dòng)態(tài)性能的期望。這意味著RF工程師對(duì)增加模擬集成的新要求。

小型RF解決方案推動(dòng)了對(duì)模擬集成的需求

對(duì)不犧牲性能或可靠性的小型RF解決方案的需求推動(dòng)了對(duì)更高模擬集成度的需求。回想一下上面的第一個(gè)中頻發(fā)射器部分。在FODU發(fā)射器中，第一個(gè)IF的范圍可以在1GHz到4GHz之間。在SMU發(fā)射器中，第一個(gè)IF的范圍為310MHz至350MHz。還要考慮到自適應(yīng)調(diào)制支持從QPSK到4096QAM的星座，并且根據(jù)應(yīng)用的不同，信道帶寬可能在3.5MHz至112MHz之間變化。這些因素共同決定了軟件定義的無線電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)渲С只谕ㄓ冒l(fā)射器架構(gòu)平臺(tái)的必要EVM動(dòng)態(tài)性能。

用于微波PTP平臺(tái)的多功能RF-DAC發(fā)射器

在設(shè)計(jì)第一個(gè)中頻發(fā)射器級(jí)時(shí)，有多種無線電架構(gòu)可供選擇，包括零中頻、復(fù)中頻、實(shí)中頻和直接射頻。但是，如果微波PTP發(fā)射器平臺(tái)必須支持高階調(diào)制、寬帶寬、軟件定義無線電功能、低功耗和緊湊尺寸，該怎么辦？目前，最好的架構(gòu)是使用具有直接數(shù)字合成（DDS）的RF數(shù)模轉(zhuǎn)換器（RF DAC）進(jìn)行直接RF轉(zhuǎn)換。圖7所示為直接RF發(fā)送器，使用MAX5879 RF DAC合成2GHz的IF。

RF-DAC發(fā)射器非常有用，因?yàn)樗捎糜诜煮w式室內(nèi)機(jī)，直接合成350MHz IF。它還可用于FODU中，直接合成高達(dá)2.8GHz的IF，作為跨越不同設(shè)備配置的通用發(fā)射器平臺(tái)。

RF-DAC 發(fā)射器需要的分立器件更少，占用的印刷電路板 （PCB） 面積也相當(dāng)小（圖 7）。這種空間節(jié)省對(duì)于空間受限的MIMO和CCDP無線電至關(guān)重要。

基于DDS的RF-DAC發(fā)射器架構(gòu)消除了增益相位誤差，實(shí)現(xiàn)了完美的載波抑制，無LO泄漏。這對(duì)于滿足以低 BER 傳輸具有密集星座（如 QAM-2048）的高階調(diào)制信號(hào)所需的嚴(yán)格 EVM 要求非常重要。

與傳統(tǒng)架構(gòu)相比，RF-DAC每通道功耗降低約1W。在 FODU 無線電中使用 2×2 MIMO 和 CCDP 并由 POE+ 供電，這意味著節(jié)能 4W，或 POE+ 功率預(yù)算的 15%。此外，較低的工作功率意味著更少的散熱，這對(duì)于承受接近40°C的極端高溫的被動(dòng)冷卻室外機(jī)來說是一個(gè)關(guān)鍵問題。

圖7.復(fù)中頻與支持 CCDP 或 2×2 MIMO 的射頻 DAC 發(fā)射器的 PCB 面積比較。RF DAC發(fā)射器（右）顯著減少了PCB面積和元件數(shù)量。AQM = 模擬正交調(diào)制器;LO = 本振（PLL/VCO 頻率合成器）;VGA = 可變?cè)鲆娣糯笃?/u>;I/Q濾波器=多極，差分。圖表不縮放。