基于WCDMA的节能智能型3G基站设计

基于WCDMA的节能智能型3G基站设计

当今的移动电话用户希望获得能够与静止状态下相媲美的移动频带宽度。基于WCDMA的3G网络以及WiMAX等其他最新无线技术能够为移动通信用户提供这样的高带宽连接，但这些新系统都存在一个最主要的缺点,即通过大量使用复合调制系统实现频谱效率的优化的同时，会导致基站中功率放大器(PA)的能效大幅度降低，这种情况对整个系统的功耗来说影响很大。

    对于整个无线技术产业，高功耗是建设3G电信基础设施需要面临的主要问题,不仅因为能源费用不断上涨，而是PA的热耗散对于发展更小、更轻、更廉价的基站来说是一种阻碍。此外,建设大规模高功耗基站所带来的环境问题也需要重点关注。例如, Vodafone等运营商已经开始对其OEM提出能效方面的要求，以便为其减少能源成本与环境影响的方针提供支持。

    效率

    峰值因数决定了PA的效率或峰值平均功率比(PAPR)。在WCDMA系统中，PA的工作能耗远低于最大功率，它的峰值因数大约为6.5dB至7.0dB。在OFDM系统中，如3GPP长期演进(LTE)与WiMAX为提高谱效率，使用了更高的峰值因数(大约9.0dB至9.5dB)，这会直接导致PA的效率下降。

    然而，我们有可能通过改变基站的构架有效改善PA的效率与整个网络的能量效率。有一种名为包络线追踪( ET)的方法，使PA的偏压动态变化，以保证输出功率晶体三极管始终工作于它们的最佳工作曲线，这对提高3G与WiMAX的能量效率起到了至关重要的作用，甚至对于DVB发射机也能从容应对。

    传统放大器的主输出放大级在恒定的漏电压下工作，并且只在接近于偏压值时生效。ET放大器在运行中能够在所有包络等级下接近偏压值，因此它总能在最大效率位置处运行。尽管ET的工作原理已经很明确了，但对其关键性能的分析难于实现，因此至今为止它仍未商业化。其关键性能主要包括精度、频带宽度(支持多载波)、稳定性、符合伪信号与噪声标准、调节器效率。

    Nujira公司首创的高精度跟踪技术(HAT)实现了ET的商业化，此技术中加入了供电电压调节器与PA中的DSP驱动软件，其中调节器的启用非常关键，它包含了很多具有挑战性的设计问题，使Nujira公司不得不花费5年来的大部分时间去解决这些问题。

    事实证明，在WCDMA与OFDM系统中使用HAT技术可提高线性放大器中PA的效率，在OFDM系统中，HAT是唯一可实现PA高效率(15%左右至50%以上)的技术。它不仅降低了功耗，而且在减小了PA体积的同时还增加了其可靠性。

    图1为没有HAT调节器的PA构架，图2为带有HAT调节器的PA构架，PA构架中是否存在HAT调节器对供电电压进行动态调节，会对功率损耗产生影响，图3与图4为这两种情况下功率损耗的比较。对于现有的PA来说，想在其中加入HAT调节器，就必须添加调节器和与之相关的驱动软件，这需要对PA进行一些微小改动，以获得最佳的匹配度与性能。

    对调节器来说，它的运行状况至关重要，并且还带来了一些具有挑战性的设计问题，例如调节器本身的效率必须非常高，并且能够精确跟踪信号的包络，以便保持特定的伪信号与噪声标准。

    如果PA设计者想在放大器设计中采用HAT，则需要在PA设计师者与Nujira设计小组之间建立一种紧密的合作关系，其中Nujira设计小组可以为PA设计工程师提供鉴定平台(图5)与参考设计，当然还能提供一定的技术支持。

    优势

    HAT技术可用于所有的频带或调制方案，能在高PAPR之下最大限度地改善效率。除此之外还有其他一些方法，它们虽然也可改善效率，却只能覆盖一个相对较窄的频带，相比之下，HAT技术同样适用于宽带Pa。当然此技术也适用于所有主要的射频器件技术与半导体材料，并且可在不同种类的Pa中发挥同样的作用，例如砷化镓FET、砷化镓HBT、硅LDMOS或GaN器件。

    我们可以在许多方面利用HAT的优势，例如使用带有HAT的PA可用于实现更大的射频功率输出，即一个40W放大器的重量和占用空间仅与一个普通15W的PA相同。换句话说，在射频功率输出相同的情况下，PA可以做到更小更轻，这对于远程射频单元与减小基极总尺寸来说非常有用。多个放大器集成适于多载波应用，拥有三路载波放大能力，并且其尺寸与功率耗损与常规设计中单载波放大器无异。

    改善PA效率，对于基站乃至整个网络的总能量效率来说具有重要的意义。在很多情况下，高效率的PA可减少热损耗，消除基站对冷却风扇或空调系统的依赖，从而大大简化了基站的设计。尽管，安装HAT调节器并在DSP上安装驱动装置控制软件的成本要大于卸载掉冷却器件所节省下来的费用,改善PA效率仍然具有两个优点：降低运行费用(通过降低能耗);降低保养费用(通过增加设备可靠性)。降低能耗的另外一个好处是降低了电源系统上的消耗，包括减少了对后背电池、电源的需求与一些附加成本。

    在网络基站面临困难与不实用的尴尬之时，使用HAT技术的高效率基站为其进一步推广打开了局面。例如，在电网资源并不丰富的新兴市场中有一些使用可再生能源(如风能与太阳能)的基站，为HAT的应用创造了条件。

    另外一个例子说明了基站在发展过程中遇到的问题，在城市中为3G网络扩容时，传统的基站解决方案需要很多电能，冷却风扇与空调在运行时也会产生很多噪声，通过使用HAT技术可避免这一问题。

    包络线的追踪划定了新标准

    对于3G运营商来说，基站中PA的效率必须大于50%。HAT调节器运用了包络线追踪技术，运营商希望其OEM能尽快采用这项技术，并在这方面给与OEM很大压力。这项技术能够符合严格的节能标准，并使基站供应商能够提供符合客户环境经济政策的产品。