中心議題:
- 無線基站中PA性能優(yōu)化
解決方案:
- 通過減少峰值至平均值比率(PAR)增加PA的工作輸出功率
- 針對(duì)所有現(xiàn)行無線標(biāo)準(zhǔn)以及最普遍PA技術(shù)
隨著需要在有限的無線頻譜上承載日益增加的數(shù)據(jù)流量,無論是用戶還是數(shù)字內(nèi)容的快速增長(zhǎng)都為無線基礎(chǔ)局端承受著巨大的壓力。滿足上述需求將產(chǎn)生高能 耗,進(jìn)而導(dǎo)致基站系統(tǒng)的購(gòu)置成本及其運(yùn)行費(fèi)用攀升。將無線信號(hào)從基站發(fā)射出去的基站功率放大器(PA)占基站成本的比例高達(dá)30%。在無線信號(hào)到達(dá)基站 PA之前實(shí)施振幅因數(shù)降低(CFR)與數(shù)字預(yù)失真(DPD)技術(shù)可提高基站信號(hào)的質(zhì)量并擴(kuò)大覆蓋范圍,同時(shí)還能降低系統(tǒng)的購(gòu)置與運(yùn)行成本。
提高頻譜效率的緊迫性
近年來,無線用戶的數(shù)量大幅度增長(zhǎng)。同時(shí),諸如音樂下載與通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)接入等新業(yè)務(wù)的出現(xiàn),使得無線基礎(chǔ)局端的數(shù)據(jù)傳輸量越來越大。與此同時(shí),分配給無線通信的頻譜卻保持不變。因此,用戶與流量的不斷增加導(dǎo)致無線頻譜變得異常擁堵。
這 類似于在交通高峰時(shí)段公路發(fā)生擁堵的狀況。假設(shè)頻譜是高速公路,數(shù)據(jù)(語(yǔ)音呼叫、音樂或因特網(wǎng)內(nèi)容)是車輛。高速公路的寬度或車道數(shù)代表固定可用的無線頻 譜數(shù)量。增加無線數(shù)據(jù)高速公路的車道是一項(xiàng)巨大的工程,正如增加現(xiàn)實(shí)世界中高速路的車道數(shù)一樣,需要涉及采購(gòu)、建筑物拆遷以及車道的建筑工程。
在 高速公路上,所有車輛正駛向各自的目的地,而且駕駛員都希望準(zhǔn)時(shí)到達(dá)。每輛車都代表語(yǔ)音呼叫或音樂下載的一部份,眾多車輛都準(zhǔn)時(shí)到達(dá)代表完成下載或呼叫。 越來越多的用戶使用無線設(shè)備訪問數(shù)字內(nèi)容,就像高速公路上的車輛越來越多一樣。當(dāng)高速路上的車輛過多時(shí),交通速度開始下降。無線網(wǎng)絡(luò)的情況也與此類似。
為 了解決這一問題,無線提供商轉(zhuǎn)而采用了可提高頻譜效率的無線標(biāo)準(zhǔn)。這類似于將多輛駛往同一目的地的轎車碼放在一輛卡車上,并將卡車沿著高速公路開往目的 地。這種方法使相同的高速公路上可以實(shí)現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)傳輸流量,而不會(huì)導(dǎo)致流量降低。為了提高頻譜效率,我們可部署或定義所有的無線標(biāo)準(zhǔn),其中包括 CDMA2000、W-CDMA、TD-SCDMA、MC-GSM、WiMAX以及LTE等。圖1顯示了近年來用于提高頻譜效率所部署或定義的無線標(biāo)準(zhǔn)。
保持服務(wù)質(zhì)量
采用最新的無線標(biāo)準(zhǔn),可通過固定頻譜傳輸更多的數(shù)據(jù),但新標(biāo)準(zhǔn)也有弱點(diǎn),它們對(duì)基站PA失真非常敏感。失真會(huì)導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降,而且還會(huì)減少數(shù)據(jù)流量。為了 解決這一問題,無線提供商必須降低PA的傳輸功率或購(gòu)買大得多的PA來覆蓋同一個(gè)區(qū)域。顯然,無線提供商必須保持廣泛的覆蓋范圍,因此他們需要購(gòu)買更大、 更昂貴的PA。而這些較大型PA會(huì)消耗大量電能,從而導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本相應(yīng)上升。
向具有極高頻譜效率的無線標(biāo)準(zhǔn)的過渡大幅增加了無線服務(wù)的部署與運(yùn)行成本。如果提供商想要在降低成本的同時(shí)提高質(zhì)量,就必須解決這一問題。德州儀器(TI)開發(fā)的解決方案將自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真(DPD)與振幅因數(shù)降低(CFR)進(jìn)行了完美結(jié)合,從而使上述問題迎刃而解。
雖然諸如RF前饋、RF反饋、FR/IF預(yù)失真以及后失真等老式技術(shù)提高了PA性能并減少了失真,但自適應(yīng)DPD方案是業(yè)經(jīng)驗(yàn)證最具靈活性的超低成本方案。 針對(duì)所有現(xiàn)行無線標(biāo)準(zhǔn)以及最普遍PA技術(shù)(包括A/B類、Doherty,甚至新出現(xiàn)的包絡(luò)追蹤PA架構(gòu)等)而言,TIDPD/CFR解決方案都能增強(qiáng) PA性能。圖2將DPD與其它解決方案進(jìn)行了比較。
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表面失真(Creepingdistortion)
DPD 與CFR是兩種信號(hào)處理技術(shù),不僅可感測(cè)輸入與輸出信號(hào)的特征,而且還能防止出現(xiàn)失真潛入PA無線輸出信號(hào)的機(jī)制。這使PA輸出性能能在其更廣泛的工作范 圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)幾乎完全的線性化。無需減少對(duì)PA的輸出功率就可避免其運(yùn)行范圍上端出現(xiàn)失真,從而使PA更加節(jié)能,進(jìn)而降低基站的制冷需求與運(yùn)行成本。
從 圖3可以了解PA的工作原理。如藍(lán)線所示,理想的PA具有線性或一對(duì)一響應(yīng)。比如,如果提高10%的輸入功率,那么輸出功率也將相應(yīng)提高10%。而現(xiàn)實(shí)世 界中PA的性能如黑色曲線所示,PA性能在輸出功率處于極低水平的情況下與理想的PA一致,而在較高的輸出功率水平下則會(huì)下降至理想PA之下。例如,如果 將現(xiàn)實(shí)世界中PA的輸入功率提高10%,其輸出功率僅會(huì)提高9%。因此,即使在輸入功率不斷提高的情況下,PA的輸出功率也將停止上升。
要理解CFR與DPD對(duì)當(dāng)前及未來無線基礎(chǔ)局端的重要性,就必須了解PA的三大基本特性。首先,輸出功率決定無線信號(hào)的范圍。較大的輸出功率將實(shí)現(xiàn)更廣泛的 基站覆蓋范圍。第二,PA的功率效率隨輸出功率的增加而相應(yīng)提高,并在臨近其飽和水平時(shí)達(dá)到最高值。從上述兩個(gè)特性可以看出,基站以最高功率運(yùn)行的情況下 覆蓋范圍最廣而且功耗也最低。
過去的無線標(biāo)準(zhǔn)使服務(wù)提供商在接近最大輸出功率下才運(yùn)行基站,從而實(shí)現(xiàn)最低的資本成本(覆蓋同一區(qū)域所需的基 站更少),而且運(yùn)行成本也最低(電力成本更低)。但隨著無線用戶數(shù)量的爆炸式增長(zhǎng)以及通過基礎(chǔ)局端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大幅增長(zhǎng),這一狀況發(fā)生了改變,原因是還有 PA第三個(gè)特性的存在:失真隨著輸出功率的增加而相應(yīng)增加,而當(dāng)PA開始與理想(線性)曲線背離時(shí),失真變得異常突出。
這第三種特性非常重要,因?yàn)楝F(xiàn)行無線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)失真非常敏感,這意味著必須在飽和電平以下運(yùn)行基站PA才可確保信號(hào)質(zhì)量。處于飽和電平以下時(shí),更多的輸入能量會(huì)作為熱能消耗掉了,而非消耗在輸出信號(hào)的傳輸過程中。
這 好比擁有一輛引擎強(qiáng)勁的汽車,卻不能實(shí)現(xiàn)理想的速度。由于大引擎的燃?xì)饫锍痰?,車主需要花費(fèi)很多燃?xì)忮X,還不能充分發(fā)揮該引擎的功率。理想狀態(tài)下,如果引 擎的燃?xì)庑矢?,車主可在充分享受汽車功率的同時(shí),節(jié)省燃?xì)赓M(fèi)用。同樣,在理想狀態(tài)下,PA在接近其飽和電平的狀態(tài)下運(yùn)行,就能輸出強(qiáng)信號(hào),同時(shí)還具有極 低的信號(hào)失真。此外,在接近飽和電平下運(yùn)行可還節(jié)約能源。這也正是DPD與CFR對(duì)PA的價(jià)值所在。他們可提高PA輸出功率的線性度,從而降低能耗。
線性化功率放大器性能
自適應(yīng)DPD可以擴(kuò)展寬頻帶射頻(RF)PA的直線性能(straight-line performance),而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常擴(kuò)展范圍。如前所述,當(dāng)輸出功率增加時(shí),輸出功率與理想線性性能曲線發(fā)生偏離。這正是PA放大輸出信號(hào)出現(xiàn)失 真的地方,從而導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降及干擾。DPD可將PA失真輸出信號(hào)與非失真輸入信號(hào)進(jìn)行比較。然后,將輸出信號(hào)中一個(gè)與失真正好對(duì)立的信號(hào)添加至輸入, 從而有效消除失真。由于DPD可擴(kuò)展PA的線性范圍,因此將其稱為線性化技術(shù)(如圖4)。
將 輸出與輸入信號(hào)進(jìn)行比較的過程叫做反饋,以數(shù)字化形式實(shí)施效率最高。由于溫度等工作條件可能發(fā)生變化,數(shù)字反饋將提供根據(jù)變化的條件調(diào)整預(yù)失真所需的信 息。數(shù)字預(yù)失真與反饋實(shí)施與模擬實(shí)施相比,其穩(wěn)健性、靈活性以及可制造性都要高得多。DPD可將PA線性性能擴(kuò)展2或3分貝(dB),這對(duì)于PA的工作范 圍來說是一個(gè)顯著的擴(kuò)展。
通過在較大的工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)PA輸出性性能的線性化,成本較低的低速率PA仍可以滿足系統(tǒng)的性能要求。此外,具有更高線性性能曲線的PA也更節(jié)能。由于能量轉(zhuǎn)化成熱能消耗的減少以及制冷要求的降低,這不僅將降低耗電成本,而且系統(tǒng)的購(gòu)置成本也會(huì)相應(yīng)減少。
CFR 是另外一種數(shù)字預(yù)失真技術(shù),其可通過減少峰值至平均值比率(PAR)增加PA的工作輸出功率。若要理解CFR的工作原理,請(qǐng)參考圖3和上文所述的將轎車碼 放在卡車上以增加無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量或流量的例子。如圖3所示,如果輸入功率提高到足夠大,輸出功率達(dá)到飽和,PA將不會(huì)導(dǎo)致輸出功率的增加。這好比一輛卡 車必須通過一個(gè)隧道。如果碼放在卡車上的轎車過多,碼放高度超過了隧道口的高度,頂部的轎車將被留在高速公路上,從而導(dǎo)致交通速度降低。況且,當(dāng)卡車到達(dá) 目的地時(shí),已經(jīng)丟失了好幾輛轎車。丟失的轎車代表電話呼叫中丟失的數(shù)據(jù)。
我們繼續(xù)采用這個(gè)比喻進(jìn)行說明。CFR算法可分析每輛卡車的高度,以判斷是否可以通過隧道。如果有必要,其會(huì)將每輛轎車縮小一點(diǎn),以便卡車能通過隧道,并使所有轎車都能到達(dá)目的地。CFR能夠自動(dòng)降低信號(hào)峰值,并使信號(hào)通過PA而不會(huì)發(fā)生剪切或失真。