TD-LTE基站射频设计技术

TD-LTE基站射频设计技术

张成安 上海贝尔股份有限公司 射频系统工程师

摘 要：作为TD-LTE网络覆盖末端的射频基站RRH对无线网络覆盖和整体网络性能影响巨大，本文针对TDD系统特点，结合当前射频技术发展情况，介绍TD-LTE射频基站系统，并对TD-LTE射频基站的关键技术以及发展方向进行研究与分析。 关键词： TD-LTE RRH 射频设计 DPD

RF Design Technology for TD-LTE Base station

Zhang Cheng-An Alcatel-sbell RF system engineer

Abstract: As the terminal part of TD-LTE wireless network, RRH impact a lot on the network coverage and total performance. Considering TDD operation and RF technology trend, this paper give a presentation of TD-LTE RF base station system, then do research and analyses on some key technologies and evolution direction.

Keywords: TD-LTE RRH RF Design DPD

1 引言

TD-LTE是我国自主知识产权3G标准TD-SCDMA的发展和演进技术，它采用OFDM和MIMO等先进无线传输技术，在20MHz无线带宽时，可以实现超过100Mbit/s的下行数据和超过50Mbit/s的上行数据峰值传输速率。另外TD-LTE系统同时兼具TDD系统的一些固有优点，比如： （1） 能够灵活配置频率，使用FDD系统不易使用的零散频段; （2） 可以通过调整上下行时隙转点提高下行时隙比例，能够很好的支持非对称业务； （3） 具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，降低了设备成

本；

在国内，TD-LTE规模实验网不断扩大。在2010开始的一期6个城市的基础上，二期将进一步扩大部署和应用规模，众多国内外主流系统设备厂商和芯片厂家均参与开发和测试，目前已初步具备试商用水平。

在国际上，法国电信、德国电信、日本软银、美国Verizon和AT&T等多家顶级运营商均承诺支持TD-LTE。在中国、印度、俄罗斯、中东、欧洲、北美等全球各地都已经有TDD频谱的拍卖和实验网应用。

在4G国际标准演进方面，2012年1月 18日，国际电信联盟在2012年无线电通信全会全体会议上，正式审议通过将LTE-Advanced技术规范确立为IMT-Advanced（俗称“4G”）国际标准，我国主导制定的TD-LTE-Advanced同时成为IMT-Advanced国际标准[1]。

2 TD-LTE 射频基站系统介绍

在移动通信领域，BBU（基带池）+ RRH（Remote Radio Head）分布式基站是目前最为流行

的一种新型基站，如图1所示。与传统宏基站相比，具有以下特点： （1） BBU作为基带池，RRH作为射频单元，通常通过光纤进行连接； （2） 由于基带共享，可以减少机房站址需求，灵活升级系统容量，节省网络开销；方便

升级维护； （3） RRH作为射频单元可以室外应用，甚至直接应用到塔顶直接对接天线端口，施工方

便，减少功率损失，提升网络性能，降低运营成本；

BBUGPS主主主主/主主主主Iub主主主主主主主主主主主主… … 主主主主主主RRH主主主主主主主主主主主主主主/主主主主主主主主主主… … 主主RRH主主

图 1 BBU + RRH基站系统框图

RRH作为无线基站的射频单元, 由光接口模块, 数字中频模块, 射频收发信机, 功放低噪放模块和前端滤波器组成。 （1） 光接口模块负责CPRI数据的组帧、解帧、时钟提取同步； （2） 数字中频模块:：受益于软件无线电技术的发展, 基于数字中频解决方案的无线电技

术在无线基站上应用越来越广泛, 主要完成DUC/DDC/CFR/DPD等功能； （3） 射频收发信机模块主要完成数模转换，射频调制解调，滤波放大等功能； （4） 功放低噪放模块主要完成射频发射信号的功率放大和接收小信号的低噪声放大等功

能； （5） 前端滤波器完成带外信号抑制，确定基站有效工作频段；

3 TD-LTE射频基站关键技术及发展方向 3.1 TDD 频段基站的邻频杂散辐射问题

从全球看，虽然TDD频谱较为丰富，但总体比较零散，必然会出现和FDD邻频共存的情况，从而导致杂散辐射和FDD互相干扰的情况等问题。为了保证TDD和FDD系统正常工作，需要进行系统间共存分析，基于分析成果，使用保护带、射频指标限值、站址部署等保护措施来保证系统间电磁兼容。

比如在我国，从2011开始的中国移动大规模外场测试使用的2.6G频段就存在和FDD邻频共存的情况。表1给出了3GPP 在2.6G频段频谱划分定义： 工作频段 7 38 上行频段 基站收 UE发 2500 MHz 2570 MHz – – 2570 MHz 2620 MHz 下行频段 基站发 UE收 2620 MHz 2570 MHz – – 2690 MHz 2620 MHz 双工方式 FDD TDD 表 1 2.6G 频段定义

根据3GPP 标准[2]，考虑2500-2690MHz干扰时，杂散辐射指标限值为：

? 共站时，发射限值为-96dBm/100kHz ? 共存时，发射限值为-52dBm/MHz

在CEPT019[3]报告里，是以EIRP BEM方式来定义基站杂散辐射模板的。规定TDD系统与FDD系统基站干扰时需5MHz隔离带，5MHz的隔离带作为限制功率发射块，以TDD频段发射为例，对限制功率发射块和非限制块发射限制要求如图 2所示：

图 2 TDD发射时杂散辐射MASK

根据上图要求，假定天线增益为17dBi，TDD RRH杂散辐射要求如表 2所示。 频率范围 TDD信道外BAND带内、FDD-DL及与FDD相邻的5MHz区域 EIRP 4 dBm/MHz 发射功率 -13dBm/MHz -62dBm/MHz 备注 基站干扰终端 基站干扰基站 2500-2690MHz，除上述区域 -45dBm/MHz 表 2 2.6G TDD RRH 杂散辐射要求

综上，无论是3GPP还是CEPT规范要求，在邻频的情况下，为保证TDD和FDD系统同时正常工作，系统都对2.6G 频段TDD RRH的杂散辐射提出了非常高的抑制指标需求。 解决方法[4]： （1） 尽可能的增加TDD基站和FDD基站的站址间距，减少基站间共站共址情况出现； （2） 共站的时候，可以考虑TDD和FDD 天线垂直隔离，添加屏蔽罩等工程手段增加耦

合损耗； （3） 增加频段保护间隔，比如将CEPT的5MHz隔离带宽扩展到10MHz； （4） 提高RRH自身的前端滤波器带外杂散抑制能力，比如采用抑制能力更高的介质滤波

器等，但通常介质滤波器成本较高，工艺不如传统的金属滤波器成熟；

由于频谱资源是宝贵的、不可再生的资源，随着移动宽带技术的快速发展，频率资源日益紧张，因此不建议通过增加频段保护间隔的方法，这样会造成频谱资源的极大浪费。近几年来，随着介质滤波器工艺的不断进步，介质工艺逐渐成熟，成本也逐渐降低。对于一些杂散发射抑制要求较高的场合，建议考虑介质滤波器并辅以必要的工程技术手段，保证TDD和FDD系统的可靠工作。

3.2 高效率PA与DPD技术

在移动通信系统中，我们对PA（功率放大器）有以下要求： （1） 为了改善信号覆盖质量，扩大网络覆盖范围，降低运营成本，经常需要大功率基站。 （2） 随着移动通信技术的不断进步，移动通信基站的数量不断增加，如何降低通信基站

的能耗已经是衡量基站设备性能非常重要的指标之一。最有效的方法就是采用更高效率的射频功率放大器。效率往往是衡量PA性能优劣最为关键的指标。 （3） 由于发射信号自身的原因，需要PA有很好的线性。比如在LTE技术中，64QAM调

制方式以及OFDM技术必然导致信号峰均比较高，因此对PA的线性要求也就越高。然而从PA自身特性看，高功率PA的线性度往往较差。

综上，高功率高效率功放及其线性化技术非常关键。

在效率方面，Doherty方法被认为是提高PA效率最有效的结构。与传统平衡放大器不同的是，Doherty结构PA的两个放大器分别偏置成B类（或者AB类）和C类[6]，基于有源负载牵引技术，在功率回退一定范围内，效率能够保持在较高的水平。根据系统需求不同，目前基于传统对称Doherty PA结构已经衍生出非对称Doherty、多路Doherty、Digital Doherty等电路结构。Doherty方法的主要问题是线性度较差。

DPD(Digital Pre-Distortion数字预失真)是一种改善功放线性特性的先进技术。与其它线性化技术相比，比如模拟预失真，由于其在数字域完成，稳定性和可靠性高，因此事目前业界公认的功率放大器线性化技术发展方向。数字预失真和Doherty结构相结合的结构是目前业界主流PA设计结构。DPD系统电路结构如图 3所示：

主主主主主主主DPD主主 DAC主主主主主主主主主主DPD主主主主主主主主主主主主主主主 PA主主主主ADC主主主主主主主

图 3 DPD系统电路结构

通常无线基站的DPD系统电路都是由射频发射链路，PA以及功率耦合模块，反馈链路，以及DPD自适应算法组成。由射频发射链路和反馈链路组成的闭环系统将经过Doherty 结构PA的非线性失真信号反馈给DPD自适应算法模块，DPD算法模块将其与原始发射信号进行对比以及自适应补偿计算，最终保证经过PA之后输出的信号是线性无失真的。DPD系统的良好运行依赖于发射和反馈链路的系统带宽以及反馈信号的信噪比，DPD系统的核心在于自适应算法的精度。

Doherty PA 和DPD配合可获得高功率高效率线性PA，并显著提升整机效率，减小RRH体积，降低运营成本。