开发IEEE 802.16 WiMAX标准的多扇区基站

基站采用时分双工(TDD)或频分双工(FDD)技术与用户台(SS)进行通信。基站的类型包括微微基站、微基站和多扇区基站。TDD和FDD基站可以采用片上或外部处理器结构进行开发。全双工基站参考设计中使用了一对与外部处理器相连的WiMAX SoC。

此外，多扇区基站可以使用多个装在机箱或机架里的TDD或FDD参考板进行开发，并且与其它基站保持严格的同步，使得信号干扰最小。天线系统根据效率、工作频率、带宽和方向特性分为固定宽波束天线、分集式天线、自适应天线或MIMO天线系统。可以通过软件实现各种算法，以便向网络中的用户提供不同的QoS类型。因此系统能够实现各种不同机制，用于动态分配信道带宽与调整各种PHY和MAC层参数。

TDD基站参考设计

单扇区或多扇区WiMAX基站可以采用WiMAX参考板进行开发。该参考板根据选用的不同射频模块可配置成支持TDD或FDD模式。参考板可以使用内部(片上)处理器或外部处理器。通常运营级基站需要使用高性能的外部处理器。

TDD基站允许在通信信道中只使用一个频率用于上行和下行链路。这种单频工作基站需要足够快地从时间上划分信道，以便发送器和接收器看到的仍是连续的信息流。TDD模式的主要优点是信道占用时间可以调整，因此非常适合上行或下行链路上开展不对称业务流量的场合。因为上下行业务流量不对称时FDD模式会产生一定的信道空闲时间，而TDD模式下信道空闲时间很短，因此与FDD比起来效率要高得多。图1是富士通公司采用片上处理器开发的TDD模式WiMAX SoC参考设计。

图2：使用外部处理器的TDD模式基站的参考设计。

该参考设计的主要模块有射频板、WiMAX基带SoC、以太网和串口、电源模块以及时钟发生电路。应用软件和MAC功能使用板上的闪存和SDRAM。DDS用来产生ADC和DAC所需的采样时钟，不过只有在设计必须支持多信道带宽时才使用这种时钟。如果信道带宽固定的情况下，可以用一个简单时钟源代替DDS来降低成本。图2是采用外部处理器和富士通参考设计的TDD基站实现。

外部处理器通过“直接从接口”(DSI)总线与WiMAX SoC相连。在这种应用中，外部处理器可以用来执行大多数802.16-2004 MAC子层功能，并为复杂的运营级基站提供网络管理、配置、安全管理、故障和性能监视以及其它用户应用。片上的辅助处理器用来执行MAC子层(较低级MAC层)中的一组对时间要求严格的功能。如图2所示，外部处理器提供SPI、I²C、软件调试端口、DSI和以太网MAC模块。

FDD基站参考设计

FDD模式下，通信信道的上下行链路频率不同。FDD更适用于那些提供对称业务的系统。全双工FDD基站可以按图3所示实现。在全双工FDD基站中，2个WiMAX SoC被连到同一条DSI总线。发送路径中的片上辅助处理器执行较低层MAC中的发送功能，而接收路径中的辅助处理器执行较低层MAC中的接收功能。与此类似，每个PHY要么处理发送功能，要么处理接收功能。由于发送和接收需要用2个独立的射频模块，因此FDD模式的系统总体成本会比较高。

图3：使用外部处理器的全双工FDD模式基站的参考设计。

设计多扇区基站

多扇区基站能够服务一个以上的扇区。一个扇区就是指一块在其中具有特定数量用户的区域，扇区也可以根据区域的地理和结构属性划分。例如，一个扇区覆盖高速公路，另外一个扇区覆盖建筑物和办公室。多扇区基站通常由装在机箱或机架里的多个电路板组成，并与其它多扇区基站保持严格同步。同步信号可消除向不同扇区发送时的相互干扰。信号间的干扰会以多种方式影响基站的性能，特别是干扰可能会降低通信速率，甚至导致数据部分或完全丢失。

图4给出了一个4扇区的FDD基站，该基站可以用全双工FDD参考板实现。每个参考板支持2个射频模块，并处理指定扇区中的业务。射频模块连接到固定宽波束天线系统，该系统可以与多个特定的远程终端用户端设备(CPE)位置进行通信，或向CPE具体位置还不明确的某个区域提供业务。这些天线的波束宽范围可以在15度到360度之间调整。根据特定系统的效率、工作频率、带宽和方向特性，也可以选用分集式天线、自适应天线或MIMO天线系统。

每个基站板针对相关扇区以特定载波频率和固定信道带宽发送或接收信号。多个基站单元可以堆叠在一起，并使用每个扇区内的多个信道提供额外的带宽，从而从容应对带宽和用户需求的不断提高。基于GUI的网管软件可以运行在主机上，用于实现对每个基站板的配置、业务监视和管理。

图4：多扇区基站的设计。

如图4所示，每个基站板配备有1个10/100/1,000 Base-T以太网接口，可以直接连接到吉比特或基于快速以太网的城域网(MAN)，或连接到其它各种宽带网络，构成一种蜂窝网络回程的途径。由外部处理器提供的T1/E1接口也是蜂窝网络回程中主要的传输层之一。

可以用软件实现不同的机制，动态地为上行和下行数据流分配信道带宽，根据实际需求和服务级别优化带宽利用率和数据包大小，从而提高系统的效率。同样，可以用软件来实现算法，以动态地选择和调整PHY与MAC层参数，包括天线分集、调制、发送功率、重传策略以及帧大小。这些算法可以提高容量和覆盖范围，以包含非视距用户。通过开发不同的技术和算法，我们就可以根据网络用户的实际需求向他们提供不同的QoS类型。根据服务类别(CoS)，如恒定比特速率(CBR)、承诺信息速率(CIR)或尽力而为(BE)的要求，每种类型包含不同的QoS规格(如最大和最小带宽)。通过软件实现调度机制，可以执行每种QoS类型中的规格。MAC层软件使用IEEE 802.16-2004标准中规定的机制、格式和协议实现必须的功能。

作者：Ali Zeeshan

产品工程师

富士通美国微电子公司