遵循AISG2.0協(xié)議的時(shí)分復(fù)用塔頂放大器控制單元設(shè)計(jì)

呂 燚， 高軍燕

(1.電子科技大學(xué) 中山學(xué)院,廣東 中山 528402;2.電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,成都 610500)

0 引 言

為了規(guī)范應(yīng)用日益增多的天線線上設(shè)備(Antenna Line Device，ALD)與基站系統(tǒng)之間的通信，全球主要天線廠家聯(lián)合微波器件廠家共同制定了天線接口標(biāo)準(zhǔn)組(Antenna Interface Standards Group, AISG)協(xié)議。該協(xié)議先后經(jīng)歷1.0、1.1和2.0 3個(gè)版本，最新的2.0版本已經(jīng)與3GPP TS-25.460-466國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。AISG協(xié)議已成為基站與ALD之間通信的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，也是目前ALD設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)的必須跨越的技術(shù)門檻之一。文獻(xiàn)[1]中指出了電調(diào)天線和塔頂放大器等設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的突出作用，文獻(xiàn)[2]中給出了基于AISG協(xié)議的多頻段電調(diào)天線控制器設(shè)計(jì)方案，文獻(xiàn)[3]中提出了AISG協(xié)議上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，文獻(xiàn)[10]中研究了高效ASIG協(xié)議設(shè)備掃描算法的設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[12]中研究了ALD設(shè)備手持控制器的軟硬件設(shè)計(jì)方法。

塔頂放大器(Tower Mounted Amplifier, TMA)是安裝在基站天線底部用于放大上行信號(hào)的低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)，可以改善上行信號(hào)質(zhì)量，提高上行信噪比，是解決基站上下行信號(hào)不平衡問題，提升基站覆蓋距離和覆蓋質(zhì)量的有效手段[2]，是第一批被納入AISG協(xié)議的ALD設(shè)備。在基站選址和建設(shè)成本日益增加的情況下，以最低的成本提升信號(hào)質(zhì)量和覆蓋范圍成為各大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的首選方案[1,5]，因而塔頂放大器的價(jià)值得到了移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的廣泛認(rèn)可。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)制式的不同TMA分為頻分復(fù)用TMA和時(shí)分復(fù)用TMA(Time Division Duplex-TMA，TDD-TMA)兩種，其中TDD-TMA在4G網(wǎng)絡(luò)以及未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)中扮演重要角色。文獻(xiàn)[6]中研究了頻分復(fù)用TMA的設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[4]中提出了帶有駐波檢測(cè)功能的頻分復(fù)用TMA設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步完善了TMA的狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。

本文將從控制和軟件方面給出TDD-TMA嵌入式控制單元的設(shè)計(jì)思路，介紹TDD收發(fā)控制模塊、OOK通信和同步信號(hào)檢測(cè)等模塊的電路設(shè)計(jì)，提出ASIG協(xié)議棧和TMA故障檢測(cè)與處理的設(shè)計(jì)思路和軟件實(shí)現(xiàn)方法，并完成塔頂放大器的OOK通信測(cè)試和故障處理功能的測(cè)試。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

ALD設(shè)備通過TMA與基站相連的示意圖如圖1所示，TMA與基站之間采用射頻饋線連接，通過AISG線纜與其他ALD設(shè)備相連。其內(nèi)部嵌入式控制單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，硬件部分主要包括兩組射頻信號(hào)收發(fā)模塊、OOK通信電路、(收發(fā)模塊)工作狀態(tài)監(jiān)控模塊、過流保護(hù)、電流告警和嵌入式控制器最小系統(tǒng)組成。

AISG通信電路實(shí)現(xiàn)OOK信號(hào)調(diào)制解調(diào)以及基站、TMA和其他ALD之間的互聯(lián)。為了防止由于其他ALD設(shè)備短路故障導(dǎo)致TMA失效，在其AISG接口端設(shè)計(jì)了硬件過流保護(hù)電路，當(dāng)過流時(shí)自動(dòng)切斷對(duì)外供電。收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)上下行信號(hào)的分時(shí)切換，并在上下行通道間提供足夠的隔離度，防止出現(xiàn)閉環(huán)自激和大功率信號(hào)損壞LNA的情況。同步信號(hào)檢測(cè)電路采用了有效值功率檢波的方法完成了從下行信號(hào)中檢測(cè)收發(fā)同步信號(hào)，收發(fā)模塊根據(jù)該同步信號(hào)進(jìn)行上下行通道切換。工作狀態(tài)監(jiān)控電路采用了監(jiān)控TMA上行通道有源器件的工作電流的方式來(lái)判斷其是否處于故障狀態(tài)，由于有源器件是在收發(fā)同步信號(hào)的控制下工作的，因此工作電流檢測(cè)也需要和該信號(hào)同步，保證只在上行時(shí)隙中對(duì)其進(jìn)行采集。為了保證在AISG通信中斷的情況TMA仍具備向基站上報(bào)告警的功能[6]，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了電流告警功能，通過主動(dòng)改變其工作電流來(lái)告知基站相應(yīng)的告警信息。

圖1 TDD-TMA系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 AISG通信接口電路

AISG協(xié)議物理層支持485和OOK載波通信兩種方式。TMA直接與射頻饋線相連，所以將ASIG通信信號(hào)通過OOK方式耦合到射頻饋線上是目前TMA的主流設(shè)計(jì)方法。TMA通過射頻饋線與基站系統(tǒng)相連，通過AISG端口與其他ALD設(shè)備采用菊花鏈的方式相連，因而TMA中的OOK調(diào)制解調(diào)電路應(yīng)實(shí)現(xiàn)基站、TMA控制器和其他ALD設(shè)備之間的信號(hào)互聯(lián)。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的OOK通信電路如圖2所示，圖中OOK端口為載波信號(hào)，通過高壓耦合電容與射頻饋線相連，MCU-TX和MCU-RX分別與單片機(jī)的UART模塊相連，485A和485B和AISG接口相連，圖中HMC349為射頻開關(guān)，AD8310為對(duì)數(shù)放大器。該電路處于接收狀態(tài)時(shí)，OOK信號(hào)經(jīng)過AD8310進(jìn)行檢波，其輸出VOUT與OOK信號(hào)的功率成正比，通過比較器U4-A與閾值檢測(cè)電壓比較得到接收信號(hào)，該接收信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)和AISG端口，U7-A為74HC123，用于構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，其輸出與U15的收發(fā)控制端相連。數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下，U1-B的輸出TX將控制射頻開關(guān)是否輸出OOK載波信號(hào)。為了防止TX的發(fā)送信號(hào)繞回到接收端RX，設(shè)計(jì)了由D3、D4、R13、R14和C7組成的非對(duì)稱充放電電路，當(dāng)TX為低電平時(shí)，R14電阻小，放電速度快，TX為高電平時(shí)C7的充電速度則要慢得多，實(shí)現(xiàn)了在信號(hào)發(fā)送期間比較器U4-B的同相端電壓低于反相端，拉低其輸出信號(hào)，即保證了在TX發(fā)送信號(hào)過程中RX始終為空閑狀態(tài)高電平。

圖2 OOK通信電路

2.2 收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

TDD-TMA中上下行信號(hào)頻率相同，而是采用不同的時(shí)隙來(lái)完成信號(hào)收發(fā)，因而需要其與基站信號(hào)保持同步，在接收和發(fā)送兩種狀態(tài)之間切換，并保證上行時(shí)隙內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生閉環(huán)自激，下行時(shí)隙內(nèi)不會(huì)有大功率信號(hào)進(jìn)入LNA。本設(shè)計(jì)中的收發(fā)控制模塊示意圖如圖3所示，該模塊有下行通道、上行通道和(上行)旁路通道構(gòu)成，圖中L1～L4為1/4波長(zhǎng)微帶線，D1和D2為PIN二極管，控制S1和S2的電壓調(diào)節(jié)PIN二極管的偏置實(shí)現(xiàn)射頻開關(guān)的功能。A1和A2為環(huán)行器，S3和S4為大功率射頻單刀雙擲開關(guān)，其開關(guān)狀態(tài)受同步信號(hào)控制，如圖所示，S3和S4共同決定LNA是否接入到上行通道中，上行時(shí)隙內(nèi)，上行信號(hào)經(jīng)過A2、S4進(jìn)入LNA，放大后經(jīng)過S3和A1回到基站，為了防止產(chǎn)生閉環(huán)自激，期間S1保持高電平，即切斷下行通道。圖中的壓控增益衰減器主要用于對(duì)LNA的放大倍數(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，保證在TMA整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保持恒定的上行增益。當(dāng)LNA、S3或S4發(fā)生故障時(shí)，要通過S3和S4切斷上行通道，并將S2變?yōu)榈碗娖剑油ㄅ月吠ǖ?，并通過AISG命令或是電流告警方式向基站上報(bào)告警信息。

圖3 收發(fā)控制模塊電路結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 電流告警電路

當(dāng)TMA和基站無(wú)法進(jìn)行AISG通信的情況下，TMA需要通過電流告警方式向基站上報(bào)故障信息。電流告警是指當(dāng)TMA故障時(shí)，在其正常工作電流基礎(chǔ)上額外增加一定的電流消耗，額外增加的電流消耗量代表告警等級(jí)，基站通過檢測(cè)其電流的突變來(lái)感知TMA是否發(fā)生故障。TMA的供電電壓范圍為10～30 V,因而要求電流告警電路能夠在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)準(zhǔn)確控制電流消耗。電流告警電路如圖4所示，PWM_A為單片機(jī)的PWM信號(hào)輸出，經(jīng)過由運(yùn)放和R5、R6、C1、C2構(gòu)成的2階Butterworth低通濾波電路得到模擬電壓Upwm，該低通濾波電路的傳遞函數(shù)為1/(RCs+1)2,其帶內(nèi)增益為1，截至頻率為160 Hz，得到Upwm=Q×5 V，Q為PWM信號(hào)占空比。運(yùn)放U2-A和R8、R9、R4、R10、Q1和R11構(gòu)成了電壓-電流變換電路，其中Q1為達(dá)林頓管，R11為2512封裝的功率電阻，由電流負(fù)反饋電路關(guān)系可得Upwm×0.55=I×11,化簡(jiǎn)得I=0.05×Upwm，即該電路的電流消耗由PWM信號(hào)的占空比決定，而與電源電壓無(wú)關(guān)，實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)占空比，改變?cè)撾娏鞲婢娐返碾娏飨腫5-7]。由于故障時(shí)關(guān)閉了LNA和射頻開關(guān)，因而告警時(shí)該電路總的電流消耗應(yīng)等于告警電流和LNA與射頻開關(guān)工作電流之和，圖中的U3用于檢測(cè)LNA和射頻開關(guān)的正常工作電流。在AISG工作模式，通過將DISABLE置為高點(diǎn)平，徹底關(guān)閉電流告警功能。

圖4 電流告警電路

2.4 過流保護(hù)電路

TMA通過其AISG接口則與其他ALD設(shè)備通過菊花鏈形式相連，例如實(shí)際中最常見的電調(diào)天線控制器，TMA需要為AISG接口提供電源，為了防止由于ALD設(shè)備過流或者短路而造成TMA不能正常工作的情況出現(xiàn)，在TMA中集成了過流保護(hù)電路[7-9]。當(dāng)AISG總線輸出電流超過規(guī)定閾值(3 A)時(shí)，便認(rèn)為發(fā)生過流，切斷對(duì)外電源輸出。過流保護(hù)電路如圖5所示，R1采用50 mΩ的合金電阻，PNP對(duì)管BCM857構(gòu)成了鏡像電流源電路[10-11]，由鏡像電流源特性可知，I3=I1/1 000，U1=I3×R5，因而當(dāng)電流i1超過3 A時(shí)，U1為高電平，T2輸出低電平，Q3截至，從而Q2關(guān)閉，切斷對(duì)外AISG供電。圖中的U1和U2與單片機(jī)相連，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到U2為低電平時(shí)，表明發(fā)生過流，此時(shí)單片機(jī)通過U1端口輸出高電平，徹底切斷AISG接口的電源。

圖5 過流保護(hù)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 AISG協(xié)議棧

AISG協(xié)議采用3層網(wǎng)絡(luò)模型，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。物理層為OOK Modem或485通信，在本設(shè)計(jì)中基站與TMA之間采用OOK方式將電源信號(hào)和AISG信號(hào)耦合到射頻饋線上，簡(jiǎn)化安裝并降低了成本，從TMA到其他RET設(shè)備之間的通信采用485方式。AISG協(xié)議規(guī)定了3種通信波特率，并要求通信字節(jié)之間的時(shí)間間隔小于3 ms，本設(shè)計(jì)中為了避免通信過程中UART模塊頻繁中斷處理器，采用了DMA方式實(shí)現(xiàn)了通信數(shù)據(jù)的自動(dòng)收發(fā)，大大提高了執(zhí)行效率。數(shù)據(jù)鏈路層采用了非平衡方式的HDLC規(guī)范[12]，通信主體有主從之分，基站是主機(jī)，ALD為從機(jī)。圖6中數(shù)據(jù)鏈路層共實(shí)現(xiàn)3種格式的數(shù)據(jù)幀，其中XID幀主要用于設(shè)備掃描以及鏈路的建立與維護(hù)[12]，I幀則用于應(yīng)用層通信，U幀則主要用于在非平衡鏈路方式下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的告警主動(dòng)上報(bào)功能。應(yīng)用層中的AISG命令解析接口負(fù)責(zé)從接收到的AISG幀中解析命令參數(shù)并將執(zhí)行結(jié)果封裝到I幀中，TMA狀態(tài)監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)TMA狀態(tài)查詢、設(shè)置以及故障情況下的自恢復(fù)等，AISG參數(shù)模塊完成TMA射頻參數(shù)、配置參數(shù)的存儲(chǔ)與讀取，固件更新模塊用于TMA固件的遠(yuǎn)程升級(jí)[13]。本設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照分層思想設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用DMA收發(fā)和零拷貝技術(shù)，有效提高了協(xié)議的執(zhí)行效率。

圖6 AISG協(xié)議棧設(shè)計(jì)模型

3.2 過流故障檢測(cè)與處理

本設(shè)計(jì)中通過監(jiān)控TMA中關(guān)鍵有源射頻元件的電流來(lái)判別其工作狀態(tài)，包括圖3中所示的LNA芯片A3和大功率射頻開關(guān)S3和S4。當(dāng)其工作電流超過正常工作電流±50%便認(rèn)為其電流異常，為故障狀態(tài)。當(dāng)LNA故障時(shí)程序需要立即關(guān)斷LNA電源，上行通道切換到旁路狀態(tài)，并進(jìn)行電流告警或是通過AISG向基站上報(bào)LNA故障告警信息。為了避免故障由有源器件非永久失效觸發(fā)而導(dǎo)致TMA長(zhǎng)時(shí)間處于旁路狀態(tài)，本系統(tǒng)中設(shè)定了定時(shí)復(fù)檢的功能。故障檢測(cè)流程如圖7所示，復(fù)檢定時(shí)器溢出后會(huì)重新啟動(dòng)上行通道，再次對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

TMA控制單元的系統(tǒng)測(cè)試主要包括AISG物理層電氣性能測(cè)試和應(yīng)用層協(xié)議對(duì)接測(cè)試，其中TMA故障檢測(cè)與處理功能測(cè)試是對(duì)接測(cè)試的重點(diǎn)[14-15]。OOK電路測(cè)試波形如圖8所示，1號(hào)通道為OOK通信信號(hào)，2、3號(hào)通道分別為圖2中的485A和485B信號(hào)。調(diào)節(jié)圖2中R8和R9的電阻值可以O(shè)OK模塊的解調(diào)靈敏度，調(diào)節(jié)由R5、R6和R50構(gòu)成的衰減電路可以改變其發(fā)射功率，本設(shè)計(jì)中最終實(shí)測(cè)解調(diào)靈敏度為-18 dBm，ON狀態(tài)調(diào)制發(fā)射功率為+4 dBm，OFF狀態(tài)為-40 dBm，滿足AISG規(guī)范要求。

圖7 故障檢測(cè)與處理流程圖

圖8 OOK調(diào)制解調(diào)電路測(cè)試波形

應(yīng)用層測(cè)試主要完成了TMA正常狀態(tài)下與基站系統(tǒng)的通信，實(shí)現(xiàn)了包括設(shè)備掃描、建立連接、參數(shù)配置、固件更新、TMA狀態(tài)設(shè)置、狀態(tài)反饋和獲取告警信息等功能。為驗(yàn)證TMA的故障處理性能，測(cè)試中模擬了LNA、射頻開關(guān)工作電流異常和同步信號(hào)丟失3種故障，AISG模式下射頻開關(guān)故障上報(bào)次要告警，LNA故障上報(bào)主要告警，同步信號(hào)丟失則反復(fù)上報(bào)兩種告警信息，上報(bào)時(shí)間間隔為2 s。當(dāng)AISG通信中斷時(shí)，TMA自動(dòng)切換到電流告警模式下，電流告警閾值分別為50 mA和90 mA，分別對(duì)應(yīng)AISG次要和主要告警。該故障處理模式得到了基站廠家的一致認(rèn)可，長(zhǎng)期工作穩(wěn)定。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從控制電路和軟件實(shí)現(xiàn)兩方面詳細(xì)介紹了遵循AISG規(guī)范的TDD-TMA控制器的設(shè)計(jì)思路。首先介紹了基站與包括TMA在內(nèi)的ALD設(shè)備互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，給出了TDD-TMA的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)并分析各功能模塊的作用，然后從OOK通信電路、收發(fā)控制模塊、電流告警和過流保護(hù)電路4個(gè)方面闡述控制器的硬件設(shè)計(jì)，軟件部分主要介紹了在嵌入式平臺(tái)上AISG協(xié)議棧的設(shè)計(jì)思路和TMA狀態(tài)監(jiān)控和故障處理功能的實(shí)現(xiàn)方法，最后給出了控制器硬件及協(xié)議對(duì)接測(cè)試結(jié)果。本設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了與基站系統(tǒng)的協(xié)議測(cè)試和TMA功能測(cè)試，并且已經(jīng)量產(chǎn)應(yīng)用于中國(guó)移動(dòng)4G基站系統(tǒng)中，狀態(tài)監(jiān)控功能完善，長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定可靠。