無線電元件簡化複雜度　Small Cell朝向更小更強悍演進

有一個選項是藉由被稱為大規模多重輸入多重輸出(MIMO)的技術來改善巨細胞基地台的頻譜效率。此牽涉到透過波束成形以進行頻譜的空間再使用。另一個選項則是部署小型細胞基地台。此種部署會增 加基地台節點的數量。策略性的插入更小型細胞基地台(Small Cell)節點可以讓營運商在網路中更頻繁地再次使用頻譜。

Small Cell無線電設計挑戰

小型細胞基地台的概念已經存在了許多年，但是其部署一直因為站點承購以及能夠讓燈柱或是站點承租出去的政府或是建物擁有者同意的問題而受到延宕。一旦站點承租出去，營運商就必須對站點提供電力與回程線路。業界已經跟這些問題纏鬥許久，而現在也已經有解決方案可以處理它們；此外，營運商也已經開始部署小型細胞基地台。

隨著第一個小型細胞基地台的部署之後，只要站點建立完成而且電力與回程線路也都設置好，營運商就會希望對該站點盡可能地部署容量以獲取最大的利用，這點是相當明顯的。因此，營運商正在找尋次世代的小型細胞基地台以便更進一步地提高網路容量。

現有可供營運商使用的頻段數量已經有相當大幅的成長；此被稱為頻段變異增殖。在最新的第三代合作夥伴計畫(3GPP)規格當中有52個波段(從GSM標準中所使用的四個波段所增加而來)。

對於小型細胞基地台無線電的設計者而言，這將會出現兩項主要的挑戰：

．他們必須要補償更多的產品頻段變異。此所代表的是額外的庫存單位(SKUs)、額外的研究與開發費用、以及額外的時間來產生出新的頻段變異。

．頻段所增加的數量會造成頻譜擁擠，因此共存的挑戰與更多阻斷器的出現意味著無線電性能必須要隨之提升，以便確保通話不會在附近有基地台或是使用者設備出現時中斷。

外型的增殖是另一項挑戰。除了毫微微蜂巢式基地台(Femtocell)之外，典型的小型細胞基地台輸出功率範圍會從室內安裝的125mW或是250mW一直到1、2、5或是10W，依據戶外的應用狀況而定。此將會增加無線電設計者所必須支援的外型與輸出功率的數量。

此外也有朝向虛擬化發展的趨勢，將基頻處理集中，無線電前端則散布於遠端。這樣會有一些關於修正蜂巢區分割的疑問，但是各種的分割可能會共存，依據特殊的部署而定。這種情況會增加必須受到支援的外型數量。

小型細胞基地台無線電設計者所面臨的其它挑戰還包括了必須提升目前的單一載波小型細胞基地台所需要增加的容量，藉由開發支援更多先進LTE特點，像是頻帶間與頻帶內載波聚合的小型細胞基地台。缺乏多重營運商的支援，往往會被視為大量部署室內小型細胞基地台的阻礙。目前的市場上只有非常少數的產品具有真正的多重營運商支援。在未來，這可能會成為必要需求，並且需要能夠支援更多頻段以及在每個頻段中支援更大的頻寬。

隨著小型細胞基地台容量的提高，對於這些小型細胞基地台之可用電力的供應量成為了一項真實的挑戰。在室內的應用狀況中，乙太網路供電(Power Over Ethernet)無論何處都提供13至26至52瓦特電力，便是一個無法被打破的天花板上限。在戶外的應用狀況則會希望小型細胞基地台越小越好，以便使其融入週邊環境當中，如此在美學方面來說會比較討喜。

功率耗損會影響箱子的尺寸，所以設計出功率消耗越低越好的無線電是其關鍵。總的來說，箱子的尺寸必須要越小越好，而箱子的重量則是越輕越好，以便能夠施行輕易的掛載。

外型增殖以及頻段變異增殖會對研發方面的開銷與上市時間帶來衝擊。頻段增殖會因為頻譜擁擠而對無線電性能增加額外的需求。尺寸、重量、以及功率的限制會對於小型細胞解決方案在市場上建立差異性的能力造成衝擊。相同的在容量的增加方面也會對產品差異性的建立造成衝擊，同時也會對無線電的性能帶來壓力。能夠以最小、最輕量的產品實現最快LTE速度的供應商將會在市場上獲得領先。

簡化無線電系統

有一些解決方案可以管理次世代小型細胞基地台中看似衝突的需求：使研發預算、尺寸、重量、與電力都維持在預算以內，同時又能夠符合嚴苛的上市時間限制並且提供與眾不同的產品。

有一個針對此問題的方案就是簡化無線電子系統。現已有相關業者提供類似解決方案，如亞德諾(ADI)是利用常見的無線電平台。該無線電的設計就是著重於減少或是消除外部元件，同時降低複雜度。透過這樣的方案，無線電的尺寸、重量、以及功率耗損都將會最小化。最終，無線電容量會因為提供了一套更寬頻與更高性能的無線電而獲得提昇。

圖1中左側的Y軸所代表的是頻段變異量乘以輸出功率量，然後再乘以必須要加以設計的小型訊號無線電的量。淺色方塊是必要的波段與輸出功率特定變化；深色方塊是小型訊號射頻(RF)。在具有窄波段無線電架構的傳統IF為基礎的無線電架構當中，為了要適應不同輸出功率而重新設計小型訊號無線電是有其必要的。在乘上不同的變異量之後，有可能會快速的增大到數十個(假如不是數百的話)無線電變異量。

利用圖1當中以ADI為基礎的無線電架構，無線電變異量將會下降。小型訊號RF是一種單一、共通平台、寬頻、廣大調節範圍的未定波段無線電，涵蓋所有的3GPP波段。接下來可以針對特定的頻段或是輸出功率耦合至適當的RF前端。此將會顯著的降低所需要的無線電變異量，減少無線電開發成本與上市時間。

圖1 常見硬體平台(左側)相對於以ADI為基礎無線電架構的無線電開發成本

沒有軟體，硬體什麼也不是。提供共通的軟體平台也可以縮減無線電開發成本與上市時間。許多的小型訊號無線電解決方案需要多重的軟體驅動程式。這通常會需要大量的低階串列周邊介面(SPI)類型編程，而此將會導致軟體的複雜度提高。以ADI為基礎的架構提供了應用程式介面(API)，透過減少軟體版本的數量與實現快速的開發來降低複雜度。

所以尺寸、重量、以及功率要如何最小化呢？如同稍早所提到的，無線電的建構重點在於減少或是消除外部元件，並且提供最低的功率耗損。此必須藉由選擇零IF架構，由其提供最小的尺寸、最低的功率耗損、以及最低成本的無線電解決方案才能加以完成。圖2左側所示為傳統IF為基礎的架構。此設計需要級間濾波以及多重電力軌，以便對不同的技術進行供電。建構其電路板牽涉到相當高的複雜度。

圖2 傳統IF為基礎的架構(左側)以及ADI的零IF架構。

圖右側則是使用ADI的零IF為基礎的解決方案，級間濾波已經省去或是整合於其中，而RF前端濾波則獲得緩和。ADI也提供了整合式的電力解決方案，用以從功率轉換器直接對收發器供電。這些全部都可以縮減解決方案的尺寸、重量、功率、以及複雜度。

左側具有觀察路徑、LO生成、以及時脈產生的傳統雙發射、雙接收設計的尺寸是19×135毫米。ADI的整合式RF收發器為基礎的解決方案以相同的性能位準實現相同的功能，但是整個BGA封裝尺寸只有12×12mm。如此可以看出尺寸的縮減可以透過整合式RF收發器解決方案來實現，同時也能夠減少執行無線電解決方案時所需要的研發投入。

就增強無線電性能而言，次世代ADI收發器解決方案具有單一載波為基礎之解決方案的性能，並且實現了寬頻、以多重載波為基礎的解決方案。這會透過高度線性化的訊號路徑、高動態範圍轉換器、在發射與接收上70dB的正交誤差性能、以及在發射器上卓越的LO漏洩消除來加以實現；不僅是針對多重載波，同時也包含了多重營運商的小型細胞基地台。

AD9371是在這些無線電的改進項目中扮演核心角色的單晶片寬頻RF收發器。該晶片能夠在300MHz至6GHz間調節，涵蓋了包括5至6GHz頻譜中LTE加強存取(LAA)波段的授權輔助存取波段在內的3GPP波段。該晶片整合了兩組發射器、兩組接收器、一組觀察路徑、以及一組監聽接收器路徑，而且它還涵蓋了分頻雙工(FDD)與分時雙工(TDD)作業。單一載波與多重載波作業都有支援，非連續多重載波作業也包含在內。

圖3中的方塊圖說明了發射器要如何設置於典型的小型細胞基地台架構中，才能使其實現具有廣大頻寬、多重載波、以及多重營運商等功能的通用平台。圖左側是針對每種產品加以獨特設計的波段特定硬體。在發射器位於中間的發射鏈當中，發射器會將JESD204B輸入加以升頻轉換至RF。發射器提供轉換至單端的差動輸出，接著會被放大為高功率、高效率功率放大器(PA)，並且送出到天線。PA的輸出可以藉由耦合器加以分流，並且在整合式的監聽路徑中加以觀察。觀察路徑資料可以使用常駐在數位基頻處理器(右側)內的PA預失真演算法則中。

圖3 典型的小型細胞架構實現了具有廣大頻寬、多重載波、以及多重營運商的通用平台。

來自於天線的訊號會被加以濾波，然後在被送到整合式發射器之前先送入低雜訊放大器中。接著在送到JESD204B介面以前將其降頻轉換、濾波、並且加以處理至基頻。該收發器也整合了監聽接收器的功能；有高達三組的波段可以濾波或是監聽。此功能在需要關於自身環境資訊，以便加強運作以及實現自組織網路的小型細胞基地台中相當有用。這些察覺器的使用狀況包括了能夠在未許可波段中挑選一組安靜的通道，或是取得來自於鄰近基地台的時序與同步資訊。

挑選適當收發器

在小型細胞應用裝置中選擇某一項技術而非另一項，必須依據典型的使用狀況而定。AD9361很適合使用於在125毫瓦區域中具有低輸出功率的單一載波小型細胞基地台；也就是說，它們不使用PA線性化技術。假如共通平台無線電解決方案必須要同時服務單一載波與多重載波，並且從低功率到更高輸出功率都有，那麼具有寬廣波段與觀察路徑的AD9371就是解決方案。

伴隨著AD9371，ADI也同時發表了RadioVerse：一項用以解決最為困難無線電挑戰的技術與設計生態系統。RadioVerse的核心就是ADI的整合式收發器技術，能夠提供多樣功能與性能，同時又可以縮減尺寸、重量與功率，進而簡化無線電。本文中所討論的寬頻收發器技術就是RadioVerse的一部分。很快的，ADI就會增加能夠使用於感測器與物聯網(IoT)應用裝置的超低功率窄波段收發器。

圖4中所示為AD9371評估與快速原型建構系統，它是由賽靈思(Xilinx)主機板與AD9371無線電載波所組成的。而無線電載波則是由AD9371寬頻收發器以及包圍在其周圍的一組電力與時脈解決方案所組成。想要以現成的方式很快地完成並且開始運作是有可能達成的。使用者可以將無線電載波掛載於訊號產生器與訊號分析儀上進行評估，或是直接將其連結至外部元件以進行快速的原型建構。

圖4 AD9371評估與快速原型建構系統是由Xilinx主機板與89371無線電載波所組成。該系統能夠以現成的方式非常快速的完成與運作。

從軟體的角度而言，有兩個選項都利用到了相同的硬體平台。第一個選項實現了性能的評估。此乃是由收發器圖形使用介面(GUI)與無線電API所組成的。Windows GUI相當的強大，並且允許對評估電路板、資料傳輸與擷取進行組態設定和控制。它可以依據使用者輸入的組態設定去生成客製化的應用編碼資料結構。此外，使用於自動化測試的TCPIP伺服器也包含在內。

第二個選項軟體環境可以實現快速的原型建構–由可以在現場可編程閘陣列(FPGA)上運作的強大多重平台GUI所組成。也有提供完整的硬體描述語言(HDL)參考編碼與Linux核心驅動程式。也可以將此系統掛載到GNU無線電環境，以便利用免費的現有軟體堆疊進行快速的原型建構，或是可以直接連結至MATLAB進行資料處理。環境中的任一部份或是所有部份都可以整合至系統當中，如此將能夠加快上市時間。 就小型細胞基地台無線電設計所會面對的挑戰而言，新技術解決了外型增殖、波段增殖、尺寸、重量、以及電力的限制，還有對於更高容量的需求，並對小型細胞基地台無線電設計的研發經費、上市時間、小型細胞基地台的產品差異性、和無線電性能增強等方面帶來助益。

(本文作者為ADI通訊事業單位產品行銷經理)