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射頻/無線  

採用智慧天線和MUD技術提高智慧基地台的用戶容量

上網時間: 2003年02月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:basestation  smart antenna  MUD  DSP  基地台 

智慧天線和多用戶檢測(MUD)技術是提高無線系統信噪比的兩種技術,過去,由於對信號處理的能力要求高以及多個RF前端成本高等原因,使得兩種技術的應用比較緩慢。然而,隨著半導體製程技術和數位信號處理技術的發展,成本問題似乎不再成為障礙,無線電設計工程師開始採用智慧天線和MUD技術來提高智慧基地台的用戶容量。

近年來,業界採用了許多技術來提高無線系統中的信噪比,能夠將每個基地台的容量提高3到10倍的智慧天線(smart antenna)和多用戶檢測(MUD)技術就是其中的兩種主流技術。雖然智慧天線曾以多種形式得到了應用,但通常用做附加設備來改善整個系統的性能,基地台並沒有從智慧天線的應用獲得更多好處,而MUD技術仍然有待應用試驗。造成應用緩慢的原因很多,提高對信號處理的能力會增加系統成本、智慧天線需要多個RF前端就是其中兩個主要原因。

目前,隨著技術和市場的發展,例如0.13微米製程的實現使得以較低的成本實現更大的處理能力成為可能,先進的多載波RF前端、精密I/O和交換結構的出現可以更好地分攤處理負擔,因此,隨著節省成本問題的解決,智慧天線和MUD技術越來越受到無線電設計行業的重視。

多用戶檢測的工作原理

多用戶檢測也叫聯合檢測、連續干擾消除或平行干擾消除,它能擴充CDMA網路中的上行鏈路的通道容量。它對佔用同一通道中的所有用戶(co-users)進行聯合檢測,然後用一個減法處理算法來消掉除目標信號(圖1)之外的所有其它用戶的信號。圖1:MUD技術透過消除同時處於使用狀態的用戶來提高信噪比。

智慧天線系統由若干天線組成,它們的發射模式藉由後端信號處理器根據環境進行控制和調整,後端處理器在消除干擾的同時使覆蓋範圍(或吞吐率)最大化。視不同的系統而定,控制的層次從基本的切換天線(此時有一組預先定義的發射模式,通常每個月重新評估和手工更改一次)到完全自適應的高端系統(它們在逐個用戶的基礎上動態改變發射模式,即使用戶在小區內行動時也是如此)。

多天線系統的好處包括信號增益高、容易消除干擾、空間分集特性強和功效高等等,這些特性可以使系統的覆蓋範圍更大、容量更高、對多徑效應的抑制能力更強,並降低了每個基地台的成本。不過,一個智慧天線基地台對系統性能的提升程度在很大程度上取決於空中介面使用的是頻分雙工(FDD)還是時分雙工(TDD)方案。

智慧天線系統

ArrayComm公司擁有IntelliCell技術,是智慧天線系統的主要支援者,其首席技術長Marc Goldburg認為,大部份空中介面都不具備可以在閉環通路中用來訓練自適應天線的資訊。因此,基地台要直接測量上行鏈路並建立其特性圖,但是對於下行鏈路,它必須在開環情況下執行測量作業,因此測量結果具有一定的推測性。

根據Goldburg觀點,推測的前提條件是‘上行和下行鏈路對稱’,也就是說,下行鏈路與上行鏈路相似,並重覆採用上行鏈路的波束形成、增益點以及零信號的處理策略。

雖然這種推測可用於TDD系統(其上行鏈路和下行鏈路位於同一個頻率,只在時間上分開),但卻無法用於FDD系統。在FDD中,上行鏈路通道和下行鏈路通道在2GHz頻段上,相差80MHz(美國標準),因此在一些傳輸環境下,上行鏈路和下行鏈路沒有什麼相關性。其結果是在FDD系統中下行鏈路的性能容易變差,從而影響總體性能,因為干擾抑制和增益性能取決於最差的鏈路。

FDD與TDD的容量比較

在一個FDD系統中,可以將容量增加3倍。但是採用TDD系統,實際上有可能在一個蜂巢式系統小區內對通道進行重用。電信業者需要做的全部工作就是在用戶之間提供15到20dB的、足夠的通道隔離帶,具體情況取決於空中介面。Goldburg認為,這樣就可以在蜂巢式系統之間起碼重用一次同一通道,從而使每個基地台的用戶數增加40倍。

在智慧天線領域的另一家公司Metawave與ArrayComm不同,它專注於FDD網路,該公司的旗鑑產品是Spotlight CDMA線路,這個附加系統的主要功能是蜂巢式系統分區或扇區合成,即在逐個扇區的基礎上進行負載平衡,以提高總體容量。目前北電、朗訊和摩托羅拉都採用了他們的技術。

雖然附加系統對於擴充現有的網路很有幫助,但Metawave公司的高級副總裁兼產品開發總經理Marty Feuerstein認為,逐步將智慧天線直接整合到基地台的信號路徑中才能獲得最大的性價比。該公司最近與三星公司達成了一項協議,在三星的cdma2000和寬頻CDMA基地台之中應用其智慧天線技術。

與此同時,北電也透過與Sprint的聯合試驗,推出了自適應天線波束選擇(Adaptive Antenna Beam Selection)技術。這種多蜂巢式系統小區技術是針對IS-95、cdma2000 1X、CDMA 1xEV-DO和1xEV-DV的應用需要,北電的試驗顯示該技術可以將IS-95的語音容量提高兩倍。

數位信號處理器選擇

Metawave的Spotlight CDMA解決方案建立在一個ASIC-FPGA組合的基礎上,無需性能極高的數位信號處理器。但是,也可以將目前在ASIC中所做的一部份處理工作放到DSP或MIPS處理器中進行,這樣它就變成軟體可配置的解決方案。但這種情況只有當數據傳輸速率和干擾消除的需求提高,使放棄廉價的ASIC-FPGA方案變得有價值時才會產生。圖2:智慧天線採用先進的處理算法追蹤每個用戶。

目前最新的DSP架構,如TI 600MHz的C6416以及ADI的TigerSharc等等,都體現了當前業界的需求。“要採用MUD或自適應天線,就必須轉向32位元的浮點處理器,”ADI的DSP與系統產品事業部的系統開發經理Zoran Zvonar說,“除了能以一種高度平行的結構來處理16/32位元數據之外,TigerSharc還具有碼片率處理能力,因而不必依賴外部FPGA或ASIC。TigerSharc是目前唯一能做到這點的DSP。”

然而,TI公司的產品行銷經理Sandeep Kumar表示,來回傳送數據恰好是C6416的一個重要特性。EMIF(增強的記憶體介面)現在支援10Gbps的速率。採用高性能的C6416,用戶就更能實現DSP+ASIC方案,從而實現完全軟體可配置的基地台策略。儘管該策略面臨的難題在於,如果在ASIC中實現基頻處理功能,就只有在將數據傳回DSP時,才能做到後端可程式並獲得更多的功能。

一種觀點認為,在一個DSP上進行通道估計和差分,是因為人們看中了DSP/ASIC組合具備靈活性和方便實現自適應天線的特點。目前,DSP的計算負荷主要分佈在搜索接收器(rake receiver)和ASIC方面。由於數據處理和基頻處理部份分離,從而保護了軟硬體投資,同時還允許開發商實現MUD等先進特性或增加用戶的數量。而將來融入RapidIO等先進介面,還能使容量需求提高時可伸縮性增強。

用於MUD的FastMATH

Intrinsity公司最近發佈的FastMATH處理器在其2GHz的FastMIPS處理器上就增加了一個矩陣數學處理器。最新的MIPS32相容元件已經配備了兩個RapidIO埠(圖2)。

FastMATH被設計成單指令多數據結構,允許以與標量單元相同的管道速度(即2GHz)在數學單元上執行多個處理引擎。基於FastMATH的乘法累加運算的速度達到了每秒320億次,因而可以用600,000 FFT/s的速率來進行一個1000點的快速傅利葉變換,比C6416的速度快5到6倍。

Intrinsity公司的技術人員Veera Anantha表示,為了開發FastMATH處理器,該公司與開發MUD算法的Mercury電腦系統公司進行了緊密的合作。用於MUD的平行干擾消除方案計算量特別大,因而即使將計算工作劃分到各個處理器,仍然必須在這些處理器之間交換巨量的數據。

FastMATH處理器強化了矩陣運算能力,因而特別適合於抑制平行干擾。借助強大的計算能力和RapidIO介面,它還有助於劃分區域,並提供可伸縮性。可以在一個處理器上支援多達48個話音用戶,讓一個AMR(自適應多速率)編解碼器用兩個處理器提供12.2kbps的速率,處理多達64個用戶,同時還保留大量的額外開銷。這正是MUD解決處理難題所需要的性能強大的DSP組和高度平行處理的能力。

本文小結

總體而言,隨著基地台從功能固定向軟體可配置的方向發展,對處理能力的需求越來越大,對擴充性的要求也更高,因為在此基礎上才有可能實現具有嵌入式MUD、智慧天線、對廉價功率放大器的數位預校正以及軟體定義的無線基地台。結合新的I/O架構,這些處理器或許可以實現一個真正的軟體可配置的基地台。

作者:Patrick Mannion





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