第四代無線基礎(chǔ)架構(gòu)的離散式 SerDes 解決方案

高端智能型手機與其供應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)顯現(xiàn)出一個事實：消費者需要的移動寬帶及應(yīng)用必須能協(xié)助他們緊密地鏈接信息、家人與好友。因此，移動寬帶已成為現(xiàn)今電信產(chǎn)業(yè)成長最顯著的部分。即使經(jīng)濟成長趨緩，電信業(yè)者近年來在無線數(shù)據(jù)方面的營收仍大幅增加。Netbook及HSDPA-USB接口連接裝置的迅速成長也顯示出消費者在任何地方都需要寬帶，而不只限于住家及辦公室內(nèi)。

消費者使用移動裝置存取數(shù)據(jù)時，仍會因為下載速度過慢及圖形顯示效果不佳而感到不便。視頻博客及在線游戲等應(yīng)用需要較快的連接速度及較短的延遲。更快速穩(wěn)定的聯(lián)機有助于云端運算相關(guān)應(yīng)用的開發(fā)，而且移動辦公室應(yīng)用將不會因為硬件處理能力而受到限制。

在43億的無線網(wǎng)絡(luò)用戶中，大約有80%是單純使用語音的GSM用戶。因此行動系統(tǒng)供貨商十分看好未來510年吸引30億的使用者申辦移動寬帶的成長商機。IPTV及數(shù)字相機等具有移動寬帶連接功能且可實現(xiàn)新型服務(wù)的裝置也可能帶來如此的成長，進而提高移動通信商的收益。

為應(yīng)對愈來愈多的需求并且提供更快更穩(wěn)的聯(lián)機及更短的延遲時間，全球網(wǎng)絡(luò)業(yè)者希望能夠建立4G網(wǎng)絡(luò)，而LTE是全球這方面的首例。

● LTE規(guī)格可提供超過100Mbps的最高下行鏈路(下傳)速率與超過50Mbps的上行鏈路(反傳)，以及往返延遲低于10ms的無線電存取網(wǎng)絡(luò)(RAN)。

● LTE也運用波束形成(beam forming)等進階天線技術(shù)概念來擴大涵蓋范圍。透過多層天線解決方案可達到高尖峰數(shù)據(jù)速率，例如，2×2或4×4多重輸入與多重輸出(MIMO)。

雖然出現(xiàn)了具備所有絕佳功能的新標(biāo)準(zhǔn)，無線及行動網(wǎng)絡(luò)業(yè)者也必須持續(xù)面對投資成本及網(wǎng)絡(luò)建置的挑戰(zhàn)，以符合未來對于帶寬的激增需求。網(wǎng)絡(luò)業(yè)者必須針對4G選擇最符合成本效益的網(wǎng)絡(luò)演進。若要部署LTE等4G標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)，所需的網(wǎng)絡(luò)升級不僅必須平衡新范圍有限的可使用性，也必須運用于現(xiàn)有范圍。為有效管理日益復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)，分布式開放基站架構(gòu)(Distributed open base station architecture)概念便隨著這些標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運而生，以提供低成本、彈性的模塊化環(huán)境來管理無線電存取演進。

圖1a顯示的傳統(tǒng)基站部署需要將無線電設(shè)備控制器(REC)及無線電設(shè)備(RE)連同天線塔放入單一機殼中。如此的做法會使網(wǎng)絡(luò)業(yè)者在實際設(shè)置上面臨體積尺寸增大、功耗提高及成本增加等不利因素。這類架構(gòu)也會使連接天線與RE的電纜出現(xiàn)信號耗損的狀況。

圖1a 傳統(tǒng)基站

圖1b至1c顯示的分布式基站架構(gòu)(DBSA)使得基站的其他部分完全不需要RF收發(fā)器。此架構(gòu)能夠使RE的位置更接近個別的天線，以便將圖1b中介于RE與天線之間的電力損失減至最低，進而降低放大RF功率的成本。DBSA也允許各種不同的RE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，例如，圖1c所示的鏈狀、環(huán)狀或樹狀。如此的做法可確實縮小網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的規(guī)模，因為無線電設(shè)備可彼此連接，并不需各RE對單一REC進行通信。

圖1b 分布式基站

圖1c 分布式基站拓?fù)?/p>

開放式基站架構(gòu)創(chuàng)始聯(lián)盟(OBSAI)及通用公共射頻接口(CPRI)標(biāo)準(zhǔn)適用于無線電設(shè)備控制器及無線電設(shè)備之間的基頻數(shù)據(jù)通信，以及DBSA中的無線電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。將REC與RE之間的接口標(biāo)準(zhǔn)化之后，不同廠商的REC及RE設(shè)備即可交互使用。同時，2G/3G/4G的REC 能夠與不同的RE進行通信，因此可實現(xiàn)多種標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合與同時運作，并減少設(shè)備升級的需求。

CPRI及OBSAI均載明其無線電設(shè)備控制器及無線電設(shè)備之間的高速串行接口，以達到基頻數(shù)據(jù)傳輸(I/Q數(shù)據(jù))，并且在相同接口進行指令/控制與同步(用于RE網(wǎng)絡(luò))信息的溝通。

圖2顯示DBSA中的信號流向。對于上傳(foward link)的RE，OBSAI/CPRI資料是由序列器/解除序列器(SerDes)所還原，其中會將高速序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為平行數(shù)據(jù)，然后將此數(shù)據(jù)傳輸至FPGA。FPGA會處理OBSAI/CPRI邏輯，然后將I/Q基頻取樣傳輸至數(shù)字升壓轉(zhuǎn)換器(專用邏輯)，進而將I/Q基頻取樣調(diào)節(jié)至數(shù)位IF載波。經(jīng)過向上轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)會接著經(jīng)過數(shù)據(jù)處理引擎的處理，以減少波峰系數(shù)(專用邏輯)，并且以數(shù)字方式將信號預(yù)失真(專用邏輯)，以補償功率放大器中產(chǎn)生的旁瓣(side lobe)，并確保功率放大器能夠在線性區(qū)域中運作。

圖2 分布式基站架構(gòu)信號流向

在上行鏈路中，無線射頻模塊包含所有的模擬功能，能夠?qū)F頻帶向下轉(zhuǎn)換為中頻，然后以數(shù)字方式將個別載波向下轉(zhuǎn)換為取樣的基頻同相及正交(I/Q)組。經(jīng)過多任務(wù)處理的基頻取樣(I/Q)以及下傳與反傳中的控制及管理數(shù)據(jù)會被串行化，然后透過SerDes裝置(例如，德州儀器的TLK3134)以光纖纜線進行傳送。

若想借由分析4G演進方面的DBS以及所需突波來達到更快更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)聯(lián)機，則會引起另一個重要問題。由于下行鏈路及上行鏈路的數(shù)據(jù)速率提升，而且愈來愈多的網(wǎng)絡(luò)申辦用戶轉(zhuǎn)而使用隨選電視等高帶寬應(yīng)用，因此，REC與R之間的序列數(shù)據(jù)速率也隨之增加。使用公式（1）可算出REC及RE之間的序列數(shù)據(jù)速率(SDR)：
SDR=MAcSN2(I/Q)C (1)

其中，SDR是REC與RE之間的序列數(shù)據(jù)速率；M為天線數(shù)目；Ac為載波/天線數(shù)目；S為采樣率(各載波每秒取樣次數(shù))；N為取樣寬度，位/取樣；C為REC與RE之間串行傳輸期間的8b10b數(shù)據(jù)(10/8=1.25)；2(I/Q)=2倍的同相及正交相位資料的倍增系數(shù)。

透過等式1及表1，對于4個W-CDMA載波、雙天線系統(tǒng)，采樣率為各載波每秒7.68百萬次取樣，I-Q取樣寬度為 4b/sample的20MHz無線射頻而言，其原始序列速率如式2所示：
SDR=2×4×7.68×4×2×1.25= 614.4Mbps (2)

同樣地，透過式1及表1，對于四天線系統(tǒng)、單一載波/天線，LTE 載波采樣率為各載波每秒30.72百萬次取樣，I-Q 數(shù)據(jù)取樣寬度為16b/sample的20MHz無線射頻而言，其原始序列速率如式3所示：
SDR=4×1×30.72×16×2×1.25=4.915Gbps (3)