本應用筆記討論了3G蜂窩家庭基站的開發和部署。討論了最后一英里住宅連接和在密集城市環境中增加系統容量的技術挑戰，其中3G家庭基站是一種經濟高效的解決方案。Maxim的3GPP TS25.104收發器解決方案與RD2550等完整的無線電參考設計一起發布。

為什么選擇家庭基站？

3GPP下的第三代蜂窩電話系統旨在提供完全移動的多媒體體驗。在許多情況下，廣泛采用受到現有接待的限制，特別是在住宅和偏遠地區。在人口稠密的城市地區，尤其是在高層建筑中，挑戰在于增加系統容量并克服可能導致這些環境的低服務質量 （QoS）。

在這兩種部署方案中，“家庭基站”蜂窩基站是合乎邏輯的答案。基站的一般分類如下：

+45dBm：宏基站覆蓋~5km的室外蜂窩基站

+30dBm：微微基站覆蓋~0.5公里園區

+15dBm：家庭基站覆蓋室內住宅或建筑物至~50m

對于住宅部署，家庭基站通過公共交換電話網絡訪問網絡，該網絡通常通過住宅DSL線路提供。聽筒僅與家中的家庭基站通信，這完全將用戶從宏蜂窩中卸載。在高層建筑中，家庭基站可以連接到建筑物的有線以太網系統，這再次減少了宏蜂窩基站的負載。在以下段落中，我們將回顧家庭基站部署的基礎，并演示Maxim的無線電解決方案如何為該技術提供關鍵優勢。

改善蜂窩覆蓋率

蜂窩系統經過精心設計，以權衡手機電池壽命、手機計算能力和蜂窩基站用戶負載。此外，蜂窩標準也在不斷發展，以利用不斷提高的移動DSP性能。蜂窩運營商利用這一趨勢提供更多更好的多媒體內容，從而增加收入并吸引新客戶。用戶最終受益于“任何地方”的移動性。例如，由于蜂窩采用率每年為1億，因此存在一個非常精簡且易于理解的競爭供應鏈，以保持低價格和高性能。

寬帶無線與蜂窩射頻服務的比較

在進行蜂窩開發工作的同時，按照市場/使用模式開發和部署了廣域寬帶無線系統。最初，所謂的“咖啡館”Wi-Fi?為用戶提供802.11互聯網接入，當他們停在某些啟用的餐廳附近或坐在某些啟用的餐館時。后來，一些城市建造了實驗性的地鐵Wi-Fi接入點，為市中心提供服務。這些型號非常成功，以至于在2004年推出了更好的無線系統802.16 WiMAX?（和韓國WiBro?），以期提供“城域寬帶無線接入”服務。

這些寬帶無線系統使用正交頻分復用（OFDM）代替單載波調制，克服了城市多徑效應，但它們需要四倍的發射功率。這是因為 OFDM 802.16d 峰均比 （pk-avg） 約為 11dB，而 WCDMA 3GPP 峰均比為 5dB。英特爾?一直倡導 WiMAX 作為超移動 PC （UMPC） 的射頻連接標準，其外形尺寸被定義為典型蜂窩手機的六倍左右。因此，UMPC機箱對于WiMAX服務是有意義的，但并不容易部署在具有小電池的薄/折疊手機中，因為WiMAX需要更大的電池。

塔樓擴建

蜂窩和WiMAX部署的一個共同障礙是塔樓擴建和通行權訪問。租賃通行權的成本和限制“丑陋”塔樓的市政法規意味著兩個系統可以在任何給定位置以大致相同的速度建造。然而，蜂窩運營商比WiMAX早約20年開始擴建，因此，他們在基站塔覆蓋和新擴建方面具有明顯的優勢。

有線固定住宅服務適合的地方

有線住宅接入系統直接與固定住宅WiMAX競爭。住宅服務通常包括光纖到戶 （PON）、電話線 DSL 和有線電視互聯網接入系統。在發達國家，這些服務受益于具有復雜網絡終端設備的長期安裝。PON是一個較新的入口，但是網絡本地交換運營商（LEC）已經擁有通行權，并且只是安排新的光纖工廠擴建，因為舊的銅線需要更換。

對于家庭基站部署，這些服務是免費的，將在下一節中介紹。

家庭基站基本實現

圖1比較了通過節點B宏蜂窩基站與家庭基站安裝的傳統蜂窩連接。

圖1.傳統節點 B 宏蜂窩連接與家庭基站連接。

圖1中的左側場景是從手機手機到蜂窩塔的傳統直接連接。在這里，我們展示了一個木結構房屋，它通過墻壁的損耗相對較低，并且有點接近蜂窩宏基站。

右側場景顯示了一棟混凝土高層建筑，在公寓或公共辦公區域安裝了家庭基站。家庭基站的網絡饋送通過住宅DSL線路或商用有線以太網。在這種情況下，我們表明發給公寓樓的信號很弱。家庭基站充當“個人專用基站”，不與宏基站通信。

應該補充的是，家庭基站忽略宏蜂窩和其他家庭基站傳輸的能力是幾個基帶DSP提供商已經克服的關鍵設計問題。

家庭基站克服的蜂窩系統問題

關鍵容量限制器

傳統的宏蜂窩基站通常在高峰負載時段受到呼叫者容量的限制。該系統采用流量排隊理論進行統計設計，以處理一定數量的呼叫，這些呼叫將持續平均持續時間。因此，長時間的電話呼叫會限制高峰加載時段的容量。

此外，當蜂窩基站需要為在邊界運行的手機提供服務時，它會迫使宏蜂窩發射器增加功率，從而占用所有呼叫方可用動態范圍的更大部分。因此，手機呼叫的邊緣限制了容量，因為它們“占用”了動態范圍（見圖2）。

圖2.宏蜂窩發射器的概念呼叫者電源占用。

這兩個因素限制了宏蜂窩基站的容量，因此限制了蜂窩運營商的收入，并最終減緩了新用戶的采用。

美信家庭基站射頻單芯片收發器

Maxim的RD2550家庭基站參考設計旨在滿足WCDMA頻段1的TS25.104要求。還提供 WCDMA 頻段 2、4 和 5 參考設計。此參考設計的核心是一個單芯片收發器，該收發器具有與基帶DSP/調制解調器的Δ-Σ比特流數字接口。收發器使用低電平LVDS接口，通道濾波在基帶DSP/調制解調器上完成，允許軟件重新配置無線電。

RF收發器部分設計了完整的參考設計。它支持在收發器中使用集成LNA的宏蜂窩監控模式。參考板的照片如圖3所示。

圖 3.美信家庭基站參考設計。

符合 UTRA 頻段 1 家庭基站標準 （3GPP TS25.104）

家庭基站標準的主要要求如表1所示。對于WCDMA家庭基站，同時滿足接收器和發射器TS25.104動態范圍要求比滿足TS25.101兼容手機的要求至少10dB更嚴格。然而，預期的產量需要類似手機的電路集成和BOM成本。因此，理想情況下，系統應圍繞低成本和高集成度的手機芯片組進行設計，但也能夠在反向Tx-Rx頻段（根據基站的要求）實現出色的性能。

例如，在接收器中，用于測量ACS的5MHz偏移帶內阻塞信號的額定值為-38dBm，這比手機所需的-52dBm阻塞信號要苛刻得多。同樣，用于測量信道選擇性的10MHz偏移帶內阻塞器被指定為-30dBm，而手機則為-56dBm。因此，接收器必須能夠實現更高的IIP2和IIP3性能。

家庭基站的發射器線性度同樣比手機更難滿足。對于WCDMA手機，ACPR的額定值為-33dBm，而TS25.104家庭基站的額定值約為-45dBm。

系統性能測量條件與分析

接收器靈敏度是一種系統規格，受RF信道中的信號質量和DSP調制解調器部分的基帶處理的影響很大。在最小輸入信號電平條件下，RF通道質量完全受接收器噪聲貢獻的限制，噪聲貢獻由其NF決定。

測得的接收器靈敏度是根據測得的系統NF計算得出的。對于靈敏度計算，E需要7.5dBb/No滿足 QPSK 信號的 0.1% BER（在基帶解調器中處理）。靈敏度可以計算如下：

參考靈敏度 = KTB + NF + （Eb/No） - PG

其中：
帶寬 = 3.84MHz 的芯片速率
KTB = -174dBm/Hz + 10 log (3.84MHz) = -108.13dBm
PG = 相對于擴展帶寬的 12.2kbps 比特率 = 10log （3.84MHz/12.2kbps） = 25dB

如果NF為10.5dB，則靈敏度計算如下：

-108.13dBm + 10.5dB + 7.5dB - 25dB = -115.13dBm

ACS 和阻塞性能的計算方式也相同。系統NF是在指定的干擾條件下測量的。在這種情況下，由于干擾效應產生的額外噪聲，NF比靈敏度測量差。

Tx 性能使用 TS25.141 中指定的測試模型 1 （TM1） 信號進行測量。TM1 信號模擬可能具有高 pk-avg 的真實交通場景。

最大功率電平在 3.84MHz WCDMA 帶寬內測量。ACLR 在 5MHz 偏移位置測量。在這種情況下，發射ACLR性能主要由外部PA性能主導。

RD2550 UMTS 頻段 1 家庭基站參考設計測量性能

圖4.TM1 16DPCH 信號 ACLR 在 +20dBm 輸出功率電平下。

圖5.TM1 16DPCH 信號 EVM，輸出功率電平為 +20dBm。

結論

Femtocell基站將為住宅手機客戶提供大大改善的數據網絡體驗。設計家庭基站電路很困難，因為它必須滿足嚴格的基站性能規格，但又要像蜂窩手機一樣低成本。Maxim家庭基站收發器成功滿足3GPP TS25.104規范的關鍵要求，并提供最少的BOM器件數量。Maxim基于MAX2550家庭基站RF收發器的RD2550 UMTS頻段1無線電參考設計實現了該市場的最佳性能和成本水平。

審核編輯：郭婷