基于LTE數(shù)字多模光纖分布系統(tǒng)的技術(shù)研究及系統(tǒng)應(yīng)用

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【摘要】本文介紹了基于LTE數(shù)字多模光纖分布系統(tǒng)的技術(shù)研究及系統(tǒng)應(yīng)用。文章首先分析了數(shù)字分布系統(tǒng)的內(nèi)部原理和核心技術(shù)，然后描述了其系統(tǒng)主要功能和指標，最后介紹了其系統(tǒng)應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】光纖;數(shù)字直放站;室分

1.引言

目前中國移動已經(jīng)建立了多種通信制式的網(wǎng)絡(luò)，包括GSM900、DCS1800、TD-SCDMA、WLAN等不同制式的移動通信網(wǎng)絡(luò)和寬帶網(wǎng)絡(luò)，多網(wǎng)建設(shè)重復(fù)投資嚴重、施工困難，統(tǒng)一解決多種網(wǎng)絡(luò)共享建筑物室內(nèi)的覆蓋問題成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者的題。

同時大型無線覆蓋系統(tǒng)的路由問題越來越突出，寬帶網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的一體化建設(shè)是未來發(fā)展的必然趨勢.目前大型無線覆蓋系統(tǒng)的有以下幾大問題：饋線成本太高，業(yè)主協(xié)調(diào)難，突發(fā)業(yè)務(wù)的載頻調(diào)度，放大器帶來的網(wǎng)絡(luò)干擾，節(jié)能減排的日益趨勢。

另外大量采用了以同軸電纜為傳輸介質(zhì)、以基站射頻信號直接放大的方法解決室內(nèi)信號覆蓋問題，此類解決方案為了實現(xiàn)建筑物，尤其是大型場館及院校的室內(nèi)覆蓋，一般采用大功率的基站作信號源，使用干線放大器補償同軸電纜對射頻信號的損耗，使的噪聲引入嚴重，尤其是上行信號的噪聲。上行信號噪聲的引入將直接影響基站的接收靈敏度和覆蓋范圍，降低系統(tǒng)的用戶容量;同時，大量同軸電纜布放施工困難等問題非常突出。在此背景下，而引入的基于光傳輸?shù)臄?shù)字分布系統(tǒng)，其產(chǎn)品主要就為了解決了施工成本、業(yè)主協(xié)調(diào)、多業(yè)務(wù)、無線干擾等問題。

2.整體架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)

2.1.1 組網(wǎng)圖（圖1）

主單元可拖4個擴展單元，每個擴展單元可再級聯(lián)一級擴展單元，星型3個擴展單元;每個擴展單元支持8個遠端接入。

2.1.2 系組組成

系統(tǒng)由主單元、擴展單元、遠端單元三部分組成。

主單元主要實現(xiàn)射頻信號的接入、信號處理轉(zhuǎn)換并通過光纖傳至擴展單元。

下行鏈路中主要功能是將來自主單元的數(shù)字射頻信號進行分路，傳輸?shù)讲煌倪h端射頻單元;在上行鏈路中對來自不同遠端的數(shù)字射頻信號進行合路處理后傳輸?shù)街鲉卧U展單元可以通過光纖、五類線或者同軸電纜傳至遠端射頻單元。擴展單元內(nèi)置供電功能，具備向遠端射頻單元供電的能力。五類線型設(shè)備的遠程供電必須符合標準的POE規(guī)范，以提高網(wǎng)線型設(shè)備的安全性。

遠端單元將接收到的下行信號后，將不同系統(tǒng)的信號分離，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、調(diào)制后變成終端所需要的射頻信號，再通過天饋系統(tǒng)分布到覆蓋區(qū)域。同時將收到的來自不同系統(tǒng)的上行信號，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換處理后將多個系統(tǒng)的上行信號進行組幀，發(fā)送到擴展單元。單臺遠端射頻單元同時支持2G、3G和LTE MIMO（雙通道）。

2.1.3 各單元框架

2.1.3.1 主單元（圖2）

2.1.3.2 擴展單元（圖3）

2.1.3.3 遠端單元（圖4）

2.1.4 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)射頻工作原理：

下行工作原理：主單元的BS（施主天線）端作為施主端，接收信號，通過介質(zhì)雙工器過濾信號，經(jīng)主單元混頻變至低頻，再經(jīng)ADC數(shù)字量化輸入到FPGA轉(zhuǎn)換為DRSI協(xié)議數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光信號傳輸，擴展單元的光電轉(zhuǎn)換器接收光信號，還原為DRSI數(shù)據(jù)流，經(jīng)FPGA解包，再將TCP/IP透傳的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流一同打包為八路DRSI數(shù)據(jù)流，饋上48V電壓分別從8個RJ45傳輸口或8個CPRI-2接口發(fā)送，48V電壓和DRSI數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)線上傳輸至遠端單元的RJ45傳輸口1（或48V電壓和DRSI數(shù)據(jù)流在光電混合纜傳輸至遠端單元的CPRI-2接口，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器），送入FPGA解包，再通過DAC還原為模擬中頻信號，中頻信號再經(jīng)混頻變?yōu)楣ぷ黝l段的信號后重新發(fā)射覆蓋。

上行工作原理：遠端單元的MS端接收客戶信號，通過介質(zhì)或雙工器過濾信號，經(jīng)混頻變至低頻中頻信號后，經(jīng)ADC數(shù)字量化進行FPGA轉(zhuǎn)換為DRSI協(xié)議，經(jīng)RJ45傳輸口1（或CPRI-2接口）上傳，擴展單元的RJ45傳輸口（或CPRI-2接口）接收數(shù)據(jù)，經(jīng)FPGA處理轉(zhuǎn)換再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為光信號傳輸至主單元，主單元的光電轉(zhuǎn)換器接收光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后經(jīng)FPGA處理后再經(jīng)DAC模擬還原為低頻中頻信號再經(jīng)混頻還原為工作頻段通過介質(zhì)雙工器上傳至基站端。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)工作原理：

用戶接收端：

公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)擴展單元的PSE板的RJ4傳輸口A接入，經(jīng)過變壓器分離數(shù)據(jù)和饋電，其中數(shù)據(jù)通過RJ45傳輸口B與擴展單元數(shù)字板的RJ45傳輸口C相連，傳輸至FPGA。通過FPGA處理將數(shù)據(jù)分別傳向光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換經(jīng)CPRI-2接口或網(wǎng)絡(luò)PHY芯片民換經(jīng)RJ45傳輸口傳輸。數(shù)據(jù)和饋電通過KE電源接口、CPRI-2接口（或RJ45傳輸口）傳輸至遠端單元，遠端單元經(jīng)接口接收，通過FGPA處理數(shù)據(jù)分離，通過PD分離出的饋電一同經(jīng)RJ45傳輸口2傳輸給用戶端。

用戶上傳端：

用戶經(jīng)如AP等接收通過RJ45傳輸口2接入后，通過FPGA打包通過RJ45傳輸口1（或CPRI-2接口）傳送至擴展單元，擴展單元解包后通過對應(yīng)的RJ45傳輸口，經(jīng)RJ45傳輸口C、B、A上傳到接收端。

圖2 主單元

圖4 遠端單元

2.2 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

本項目是基于數(shù)字化處理，即射頻信號進行數(shù)字化，并通過FPGA算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸打包及分包，采用CPRI協(xié)議將無線信號轉(zhuǎn)換為可在網(wǎng)線或光纖上傳輸?shù)臄?shù)字信號實現(xiàn)傳輸，并在終端轉(zhuǎn)換為原射頻信號重新覆蓋。在該技術(shù)下，使原傳統(tǒng)的無線覆蓋系統(tǒng)通過直徑大，成本高的饋線傳輸方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐资┕?、造價低的光纖或五類線進行傳輸及覆蓋。在無線覆蓋的同時，融入以太網(wǎng)透傳技術(shù)，將接入系統(tǒng)與覆蓋系統(tǒng)兩個不同的通信領(lǐng)域便捷的融合在一起，實現(xiàn)共網(wǎng)共建的目的。

2.3 技術(shù)瓶頸

在有限的光纖或網(wǎng)線傳輸帶寬下，需要傳輸多種制式，由此產(chǎn)生的高速率、大帶寬問題，是目前產(chǎn)品的技術(shù)難關(guān)。

2.4 產(chǎn)品技術(shù)

2.4.1 大功率POE遠供饋電技術(shù)研究

POE標準供電系統(tǒng)的主要供電特性參數(shù)為：電壓在44～57V之間，典型值為48V;允許最大電流為550mA，最大啟動電流為500mA;典型工作電流為10～350mA，超載檢測電流為350～500mA;在空載條件下，最大需要電流為5mA;為PD設(shè)備提供3.84～12.95W三個等級的電功率請求，最大不超過13W。由于光纖分布系統(tǒng)的遠端功耗最大可達到60W，因此按原有的標準無法滿足長距離傳輸需要，因此在此項目中我們引進了大功率POE專用芯片，PSE最大可支持90W的功耗需求，解決了大功率無法長距離傳輸?shù)膯栴}。

2.4.2 TDD-LTE同步解調(diào)技術(shù)

TD-LTE不同于TD-SCDMA制式，在導頻信號存在比較明顯的特征值方式，因此采用傳統(tǒng)的檢波方式，可靠性及穩(wěn)定性都無法滿足工程應(yīng)用的需求，因此我司采用了基帶解調(diào)方式，需要對空中接收的射頻信號進行解碼，大體解調(diào)步驟是內(nèi)置的同步模塊單元在啟動時，先搜索PSS，得到5ms的定時信息和OFDM符號時間等信息，然后搜索SSS，得到10ms的定時信息和小區(qū)組ID，然后進行更加精確的時間和頻率同步。接下來為讀取MIB和SIB信息，在SIB信息中得到TDD的上下行時隙比，需要注意的是，SIB并非物理層信息，而是需要解調(diào)相關(guān)的軟件信令才能得到，有了同步信號和上、下行時隙比信息，就能產(chǎn)生同步信號，用來控制設(shè)備的上、下行切換，從而完成TDD LTE系統(tǒng)的正常工作。

圖5 調(diào)解流程圖

2.4.3 有限的傳輸帶寬速率下，最大化的支持多制式的傳輸技術(shù)

4G移動通信LTE采用了MIMO技術(shù)，其數(shù)據(jù)容量增大了幾倍，因此對于光纖數(shù)據(jù)傳輸相應(yīng)的容量要求也更高了，現(xiàn)在XLINX、ALTERA、LATTICE等公司都新推出的各類型的FPGA可以滿足低成本數(shù)據(jù)壓縮設(shè)計的需求。本項目采用了XLINX數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)算法，降低了數(shù)字光模塊的速率要求，滿足了低成本光纖傳輸?shù)脑O(shè)計需求。實現(xiàn)了通過一根網(wǎng)線千兆速率方式實現(xiàn)雙制式系統(tǒng)的集成;1.25G光速率雙制式系統(tǒng)的集成;3.072G光速率多制式（如：GSM&TD-SCDMA&TDD-LTE*MIMO）系統(tǒng)的集成。

2.4.4 射頻硬件一體化技術(shù)及實現(xiàn)方案

由于要求本系統(tǒng)設(shè)備體積盡量小，整機系統(tǒng)子模塊采用高度集成、一體化設(shè)計，并作好結(jié)構(gòu)的散熱分析設(shè)計。為了低成本和小體積的設(shè)計考慮，采用一體化集成RFIC芯片設(shè)計，如ADI 的AD9362，Maxim的MAX2580等一體化集成芯片可以滿足設(shè)計指標要求。其一體化集成芯片設(shè)計主要包括鎖相環(huán)，模擬寬帶上下變頻，ADC、DAC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以及中頻濾波放大等。主要功能是對輸入、輸出數(shù)據(jù)進行各種放大、濾波和頻率變換;由于正交分解后的 I/Q 兩路基帶信號對上述后續(xù)處理往往帶來很大的方便和良好的性能，大部分數(shù)字變頻方案都采用了正交兩路處理的典型結(jié)構(gòu)。

2.4.5 基于FPGA實現(xiàn)自動頻率校正技術(shù)（AFC）

在無線通信系統(tǒng)中，收發(fā)之間為了確保正常通信，必須保證接收端的頻率源信號頻率與發(fā)射頻端的頻率源信號的頻率一致，以達到同步的目的。為了達到同步，收發(fā)兩端都采用了高精度的晶體振蕩器其價格昂貴，同時長時間使用后會出現(xiàn)頻率漂移，收發(fā)兩端就會出現(xiàn)頻偏，需要定期進行人工進行頻率校正。

本項目采用的是一種自動頻率校正方法，包括如下步驟：S1、對接收到的無線信號進行下變頻抽取濾波，得到269.473K的GSM信號;S2、對GSM信號進行FCCH檢測獲取FCCH信號;S3、將FCCH數(shù)據(jù)擬合成直線的斜率并解調(diào)出輸出斜率;S4、將輸出斜率與理想斜率進行比較計算出斜率偏差值相應(yīng)得到頻率偏差值;然后根據(jù)斜率偏差值通過查找表得到同步控制電路的輸入數(shù)據(jù)并將輸入數(shù)據(jù)配置給同步控制電路;S5、同步控制電路根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生輸出電壓控制晶振時鐘脈沖CP實現(xiàn)頻率校正。此方式的特點是可以不需要精準度太高的器件就能實現(xiàn)遠近端傳輸頻率的一致，采用算法方式，運行可靠穩(wěn)定，且成本低。

圖6

2.5 項目的特色或創(chuàng)新點

（1）多業(yè)務(wù)、多制式同時傳輸

系統(tǒng)能同時支持2G、3G、4G以及WLAN系統(tǒng)同時傳輸，最大滿足多用戶需求。

（2）采用POE遠程供電技術(shù)

系統(tǒng)采用大功率POE標準協(xié)議供電方式，實現(xiàn)統(tǒng)一供電，施工方便

（3）采用自動頻率校正技術(shù)（AFC）

系統(tǒng)采用自動頻率校正技術(shù)，實現(xiàn)低成本、高可靠性，滿足實際應(yīng)用需求

（4）采用基帶調(diào)解技術(shù)實現(xiàn)TD LTE同步

系統(tǒng)中采用了軟件算法，實現(xiàn)TD LTE同步信號的獲取，實現(xiàn)可靠及成本低

（5）采用集成化、一體化設(shè)計方式，實現(xiàn)小體積、低功耗的產(chǎn)品要求

系統(tǒng)采用采用一體化集成RFIC芯片設(shè)計方案，實現(xiàn)低功耗及小型化的產(chǎn)品設(shè)計理念，也起到了節(jié)能減排的效果

2.6 以太網(wǎng)透傳技術(shù)

系統(tǒng)除滿足行業(yè)規(guī)定的標準（光纖分布系統(tǒng)具有接入固網(wǎng)寬帶和WLAN功能，為固網(wǎng)寬帶和WLAN提供透明的傳輸通道。系統(tǒng)與駐地網(wǎng)融合時提供最大接入帶寬能力為1000Mbps，WLAN提供最大接入能力為100M/1000Mbps。）外，還支持由POE交換機輸入的饋電透傳至遠端再轉(zhuǎn)到所連接的AP設(shè)備。保留了POE交換機對AP設(shè)備原電量計算，電源監(jiān)控等功能。

3.總結(jié)

新一代基于光傳輸?shù)臄?shù)字分布系統(tǒng)，與傳統(tǒng)2G、3G直放站相比，具有一定的技術(shù)創(chuàng)新和更出色的技術(shù)指標和性能，以及其體積小、功耗低、覆蓋質(zhì)量好，智能性更高。其多種技術(shù)的融合能適合各種工程應(yīng)用場合的無線通信信號的深入覆蓋，并將成為移動通信信號深入覆蓋的非常具有競爭力的產(chǎn)品。