采用智能天线和MUD技术提高智能基站的用户容量

智能天线和多用户检测(MUD)技术是提高无线系统信噪比的两种技术手段,过去,由于对信号处理的能力要求高以及多个RF前端成本高等原因,使得两种技术的应用比较缓慢。然而,随着半导体工艺技术和数字信号处理技术的发展,成本问题似乎不再成为障碍,无线电设计工程师开始采用智能天线和MUD技术来提高智能基站的用户容量。

近年来,业界采用了许多技术来提高无线系统中的信噪比,能够将每个基站的容量提高3到10倍的智能天线(smart antenna)和多用户检测(MUD)技术就是其中的两种主流技术手段。虽然智能天线曾以多种形式得到了应用,但通常用做附加设备来改善整个系统的性能,基站并没有从智能天线的应用获得更多好处,而MUD技术仍然有待应用试验。造成应用缓慢的原因很多,提高对信号处理的能力会增加系统成本、智能天线需要多个RF前端就是其中两个主要原因。

目前,随着技术和市场的发展,例如0.13微米工艺的实现使得以较低的成本实现更大的处理能力成为可能,先进的多载波RF前端、精密I/O和交换结构的出现可以更好地分摊处理负担,因此,随着节省成本问题的解决,智能天线和MUD技术越来越受到无线电设计行业的重视。

多用户检测的工作原理

多用户检测也叫联合检测、连续干扰消除或并行干扰消除,它能扩充CDMA网络中的上行链路的信道容量。它对占用同一信道中的所有用户(co-users)进行联合检测,然后用一个减法处理算法来消掉除目标信号(图1)之外的所有其它用户的信号。

智能天线系统由若干天线组成,它们的发射模式通过后端信号处理器根据环境进行控制和调整,后端处理器在消除干扰的同时使覆盖范围(或吞吐率)最大化。视不同的系统而定,控制的层次从基本的切换天线(此时有一组预先定义的发射模式,通常每个月重新评估和手工更改一次)到完全自适应的高端系统(它们在逐个用户的基础上动态改变发射模式,即使用户在小区内移动时也是如此)。

多天线系统的好处包括信号增益高、容易消除干扰、空间分集特性强和功效高等等,这些特性可以使系统的覆盖范围更大、容量更高、对多径效应的抑制能力更强,并降低了每个基站的成本。不过,一个智能天线基站对系统性能的提升程度在很大程度上取决于空中接口使用的是频分双工(FDD)还是时分双工(TDD)方案。

智能天线系统

ArrayComm公司拥有IntelliCell技术,是智能天线系统的主要支持者,其首席技术官Marc Goldburg认为,大部分空中接口都不具备可以在闭环通路中用来训练自适应天线的信息。 因此,基站要直接测量上行链路并建立其特性图,但是对于下行链路,它必须在开环情况下执行测量操作,因此测量结果具有一定的推测性。

根据Goldburg观点,推测的前提条件是“上行和下行链路对称”,也就是说,下行链路与上行链路相似,并重复采用上行链路的波束形成、增益点以及零信号的处理策略。

虽然这种推测可用于TDD系统(其上行链路和下行链路位于同一个频率,只在时间上分开),但却无法用于FDD系统。在FDD中,上行链路信道和下行链路信道在2GHz频段上,相差80MHz(美国标准),因此在一些传输环境下,上行链路和下行链路没有什么相关性。其结果是在FDD系统中下行链路的性能容易变差,从而影响总体性能,因为干扰抑制和增益性能取决于最差的链路。

FDD与TDD的容量比较

在一个FDD系统中,可以将容量增加3倍。但是采用TDD系统,实际上有可能在一个蜂窝小区内对信道进行重用。运营商需要做的全部工作就是在用户之间提供15到20dB的、足够的信道隔离带,具体情况取决于空中接口。Goldburg认为,这样就肯定可以在蜂窝之间起码重用一次同一信道,从而使每个基站的用户数增加40倍。

在智能天线领域居于领先地位的另一家公司Metawave与ArrayComm不同,它专注于FDD网络,该公司的拳头产品是Spotlight CDMA线路,这个附加系统的主要功能是蜂窝分区或扇区合成,即在逐个扇区的基础上进行负载平衡,以提高总体容量。目前北电、朗讯和摩托罗拉都采用了他们的技术。

虽然附加系统对于扩充现有的网络很有帮助,但Metawave公司的高级副总裁兼产品开发总经理Marty Feuerstein认为,逐步将智能天线直接集成到基站的信号路径中才能获得最大的性价比。该公司最近与三星公司达成了一项协议,在三星的cdma2000和宽带CDMA基站之中应用其智能天线技术。

与此同时,北电也通过与Sprint的联合试验之后,推出了自适应天线波束选择(Adaptive Antenna Beam Selection)技术。这种多蜂窝小区技术是针对IS-95、cdma2000 1X、CDMA 1xEV-DO和1xEV-DV的应用需要,北电的试验显示该技术可以将IS-95的语音容量提高两倍。

数字信号处理器选择

Metawave的Spotlight CDMA解决方案建立在一个ASIC-FPGA组合的基础上,无需性能极高的数字信号处理器。但是,也可以将目前在ASIC中所做的一部分处理工作放到DSP或MIPS处理器中进行,这样它就变成软件可配置的解决方案。但这种情况只有当数据传输速率和干扰消除的需求提高,使放弃廉价的ASIC-FPGA方案变得有价值时才会发生。

目前最新的DSP架构,如TI 600MHz的C6416以及ADI的TigerSharc等等,都体现了当前业界的需求。“要采用MUD或自适应天线,就必须转向32位的浮点处理器,” ADI的DSP与系统产品事业部的系统开发经理Zoran Zvonar说,“除了能以一种高度并行的结构来处理16/32位数据之外,TigerSharc还具有码片率处理能力,因而不必依赖外部FPGA或ASIC。TigerSharc是目前唯一能做到这点的DSP。”

然而,TI公司的产品营销经理Sandeep Kumar表示,来回传送数据恰好是C6416的一个重要特性。EMIF(增强的存储器接口)现在支持10Gbps的速率。采用高性能的C6416,用户就更能实现DSP+ASIC方案,从而实现完全软件可配置的基站战略。尽管该战略面临的难题在于,如果在ASIC中实现基带处理功能,就只有在将数据传回DSP时,才能做到后端可编程并获得更多的功能。

一种观点认为,在一个DSP上进行信道估计和差分,是因为人们看中了DSP/ASIC组合具备灵活性和方便实现自适应天线的特点。目前,DSP的计算负荷主要分布在瑞克接收器(rake receiver)和ASIC一侧的搜索方面。由于数据处理和基带处理部分分离,从而保护了软硬件投资,同时还允许开发商实现MUD等先进特性或增加用户的数量。而将来融入RapidIO等先进接口,还能使容量需求提高时可伸缩性增强。

用于MUD的FastMATH

Intrinsity公司最近发布的FastMATH处理器在其2GHz的FastMIPS处理器上就增加了一个矩阵数学处理器。最新的MIPS32兼容器件已经配备了两个RapidIO端口(图2)。

FastMATH被设计成单指令多数据结构,允许以与标量单元相同的管道速度(即2GHz)在数学单元上运行多个处理引擎。基于FastMATH的乘法累加运算的速度达到了每秒320亿次,因而可以用600,000 FFT/s的速率来进行一个1000点的快速傅里叶变换,比C6416的速度快5到6倍。

Intrinsity公司的技术人员Veera Anantha表示,为了开发FastMATH处理器,该公司与开发MUD算法的Mercury计算机系统公司进行了紧密的合作。用于MUD的并行干扰消除方案计算量特别大,因而即使将计算工作划分到各个处理器,仍然必须在这些处理器之间交换巨量的数据。

FastMATH处理器强化了矩阵运算能力,因而特别适合于抑制并行干扰。借助强大的计算能力和RapidIO接口,它还有助于划分区域,并提供可伸缩性。可以在一个处理器上支持多达48个话音用户,让一个AMR(自适应多速率)编解码器用两个处理器提供12.2 kbps的速率,处理多达64个用户,同时还保留大量的额外开销。这正是MUD解决处理难题所需要的性能强大的DSP组和高度并行处理的能力。

本文小结

总体而言,随着基站从功能固定向软件可配置的方向发展,对处理能力的需求越来越大,对伸缩性的要求也更高,因为在此基础上才有可能实现具有嵌入式MUD、智能天线、对廉价功率放大器的数字预校正以及软件定义的无线基站。结合新的I/O架构,这些处理器或许可以实现一个真正的软件可配置的基站。

作者:Patrick Mannion