基于MIMO的LTE数字直放站技术研究及系统应用

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：

　 　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。

　　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

　 　D P D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。