一種基于FPGA 消除多天線間PIM 信號(hào)的裝置*

汪毅峰，潘 濤

（上海諾基亞貝爾股份有限公司，江蘇 南京 21003）

0 引言

在一個(gè)無(wú)線通信中心站中，可能由于連接器松動(dòng)、電纜內(nèi)部彎曲或者天線附近的物體干擾等原因，導(dǎo)致射頻系統(tǒng)輸入信號(hào)疊加在某些頻譜上，產(chǎn)生功率發(fā)射泄露。兩個(gè)或更多的發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的不同幅度和頻率的新信號(hào)被稱為互調(diào)信號(hào)（InterModulation，IM）。比如，發(fā)射機(jī)工作的中心頻率分別在fA和fB，由于上述原因，可能會(huì)產(chǎn)生mfA-nfB，nfA-mfB，nfB+mfA或者nfA+mfB信號(hào)，記作±m(xù)fA±nfB，正整數(shù)m+n就記作無(wú)源互調(diào)（Passive Intermodulation，PIM）信號(hào)的階數(shù)，當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)出的幾個(gè)寬帶信號(hào)交織在一起的時(shí)候，這些不同階數(shù)的PIM 信號(hào)會(huì)在一個(gè)很寬的頻譜上展開。三階互調(diào)（IM3）信號(hào)能量相對(duì)于其他高階互調(diào)信號(hào)更大，如果這些互調(diào)信號(hào)落入接收信號(hào)的頻譜內(nèi)，其對(duì)接收信號(hào)的干擾也最為明顯。

此外，在同一基站覆蓋的物理區(qū)域同時(shí)搭建多個(gè)頻段已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)商的主流選擇，當(dāng)這些頻段彼此的頻率接近時(shí)，共站情況下可以選擇共用同一幅寬帶天線，可以達(dá)到節(jié)約硬件成本和減小建站空間的目的，但這樣也帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，就是PIM 信號(hào)會(huì)因?yàn)檫@樣的拓?fù)涠黾?。因此，消除多頻段網(wǎng)絡(luò)中的PIM 干擾，對(duì)于進(jìn)一步突破通信容量瓶頸迫在眉睫。

眾所周知，700 MHz 頻譜因?yàn)槠涓采w范圍廣、穿透能力強(qiáng)、多普勒頻移小等諸多優(yōu)點(diǎn)被稱為黃金頻段。表1 是3GPP TS 36.101 定義的LTE Band 12、Band 14 和Band 29（單發(fā)射頻段）頻段范圍[1]，表2 是3GPP TS 38.101-1 定義的NR Band 12、Band 14 和Band 29（單發(fā)射頻段）頻段范圍[2]。

表1 3GPP TS 36.101 定義的E-UTRA 頻段工作范圍（部分）

表2 3GPP TS 38.101 定義的NR 頻段工作范圍（部分）

當(dāng)運(yùn)營(yíng)商選擇部署B(yǎng)and 12、Band 14 和Band 29 這3 個(gè)10 MHz 小區(qū)在同一個(gè)物理扇區(qū)進(jìn)行無(wú)線覆蓋時(shí)，因?yàn)檫@3 個(gè)小區(qū)發(fā)射頻段的范圍和接收頻段的范圍很接近，根據(jù)IM3 的計(jì)算公式，可見2 倍B12 下行頻點(diǎn)減去B14 下行頻點(diǎn)（2B12-B14）發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的IM3 信號(hào)頻譜范圍會(huì)落在[690 MHz,734 MHz]。很明顯，這樣產(chǎn)生的IM3 信號(hào)頻譜可能和B12 的接收通道的頻段[699 MHz,716 MHz]有很大的重疊范圍，從而IM3 信號(hào)形成的干擾會(huì)造成B12 每根天線的接收靈敏度大大降低，惡化上行信道質(zhì)量。這時(shí)中心站只能選擇用更低的信號(hào)調(diào)制編碼方式調(diào)度終端用戶或者要求終端用戶在相同條件下使用更大的發(fā)射功率，這些顯然都不是運(yùn)營(yíng)商和用戶希望看到的。

1 抑制發(fā)射天線間產(chǎn)生的PIM 信號(hào)硬件裝置

無(wú)線通信系統(tǒng)，通常分為基帶處理單元（Building Baseband Unit，BBU）部分和射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）部分，BBU 負(fù)責(zé)信號(hào)的處理和用戶的調(diào)度，以及與核心網(wǎng)之間協(xié)議棧的維護(hù)，RRU 負(fù)責(zé)信號(hào)的放大和射頻調(diào)制，BBU和射頻拉遠(yuǎn)頭（Remote Radio Head，RRH）之間通過(guò)光纖連接[3]。

傳統(tǒng)的交調(diào)信號(hào)消除（Passive Inter-Modulation Cancellation，PIMC）裝置基于一根物理天線，這根天線同時(shí)包含發(fā)射和接收功能。在每一根物理天線發(fā)射方向上加載一個(gè)有特征的信號(hào)1，并且在該物理天線接收方向上捕捉返回的信號(hào)2。根據(jù)信號(hào)1和信號(hào)2 的差異來(lái)得到PIM 信號(hào)特征，從而建立一個(gè)PIMC Modeling[4]。此外，也可以得到PIM 相對(duì)于加載信號(hào)的延時(shí)。這樣RRU 就可以根據(jù)基帶輸入功率、PIMC Modeling 產(chǎn)生一個(gè)延時(shí)恒定、幅度相反的-IM3，來(lái)抵消系統(tǒng)產(chǎn)生的IM3 信號(hào)。

因?yàn)閭鹘y(tǒng)PIMC 裝置處理插入和捕捉的信號(hào)只是基于每一根物理天線，所以它不可能處理天線間產(chǎn)生的PIM 信號(hào)[5]。新設(shè)計(jì)的裝置是在BBU和RRU 之間增加一個(gè)數(shù)據(jù)PIMC 設(shè)備，該設(shè)備為增強(qiáng)型交調(diào)消除裝置（Enhancement Passive Inter-Modulation Cancellation，EPIMC），其在無(wú)線系統(tǒng)中的拓?fù)湮恢靡妶D1。該設(shè)備有兩個(gè)功能，功能一是負(fù)責(zé)BBU 到RRH 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，功能二是在這個(gè)設(shè)備上處理RRH 產(chǎn)生的PIM 信號(hào)。因?yàn)樵撛O(shè)備可以了解所有發(fā)射通道的信號(hào)特征，也可以抓取所有接收通道的數(shù)據(jù)特征，所以可以處理每個(gè)天線內(nèi)部以及天線間產(chǎn)生的PIM 干擾信號(hào)，而且所有的PIMC 算法在該設(shè)備中進(jìn)行，對(duì)RRU 來(lái)說(shuō)也減少了運(yùn)行負(fù)擔(dān)。使用該設(shè)備的目的是最大限度地抑制PIM 信號(hào)，提高上行信號(hào)的信噪比，從而BBU可以提高解碼數(shù)據(jù)的效率，進(jìn)而調(diào)度選擇時(shí)可以用更高的編碼調(diào)制方式（Modulation Coding Scheme，MCS），從而達(dá)到更高的上行頻譜效率。

圖1 EMPIC 設(shè)備在無(wú)線系統(tǒng)中的拓?fù)湮恢?/p>

典型的B12 RRU 設(shè)備為4TX4RX，B14 RRU 設(shè)備為4TX4RX，B29 RRU 設(shè)備為2TX，在一個(gè)扇區(qū)部 署B(yǎng)12(TX1-TX4,RX1-RX4) 的RRU、B14(TX5-TX8,RX5-RX8) 的RRU 和B29(TX9-TX10) 的RRU共3 個(gè)頻段進(jìn)行覆蓋。這樣一共有10 根發(fā)射天線和8 根接收天線，EPIMC 的工作目的就是盡可能多地消除這10 根發(fā)射天線不同組合下產(chǎn)生的PIM 信號(hào)對(duì)8 根接收天線產(chǎn)生的影響。

選用的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）物理能力需要和接收天線的根數(shù)相匹配。根據(jù)當(dāng)前配置，F(xiàn)PGA 的每個(gè)分組控制單元（Package Control Unit，PCU）有8 個(gè)NL BLOCK RX，每個(gè)NL BLOCK RX 對(duì)應(yīng)1 根物理接收天線，記作NL BLOCK RX[1]-NL BLOCK RX[8]，其映射關(guān)系如圖2。

圖2 FPGA 的NL BLOCK 通道資源和RRU 接收天線的映射關(guān)系

因?yàn)槊總€(gè)NL BLOCK RX 需要獨(dú)立處理10 根發(fā)射天線組合下產(chǎn)生的PIM 信號(hào)，10 根天線IM3的PIM 信號(hào)多達(dá)1 000 個(gè)，這里面有一部分落入到RX 接收頻段范圍內(nèi)。考慮到效率和收益之間的平衡，在1 000 個(gè)所有可能產(chǎn)生PIM 信號(hào)的組合里面，選取PIM 信號(hào)最大的35 個(gè)進(jìn)行消除。每個(gè)NL BLOCK RX 有36 個(gè)NL BLOCK IM3 項(xiàng)的資源，記作 NL BLOCK IM3[1]-NL BLOCK IM3[36]，其中NL BLOCK IM3[36]用作加速捕獲時(shí)間，BLOCK IM3[1]-NL BLOCK IM3[35]用來(lái)產(chǎn)生PIM 消除的-IM3 信號(hào)。圖3 展示了每個(gè)NL BLOCK RX 通道和NL BLOCK IM3 資源塊的映射關(guān)系。

圖3 NL BLOCK RX 通道資源和NL BLOCK IM3 資源塊的映射關(guān)系

2 抑制發(fā)射天線間產(chǎn)生的PIM 信號(hào)軟件流程

EPIMC 設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)主要分為兩個(gè)部分，第一部分是初始校準(zhǔn)（Calibration Mode），這一部分主要包括根據(jù)BBU 配置的載波信息得到的小區(qū)信息，發(fā)現(xiàn)寫入的NLB BLOCK IM3[*]項(xiàng)、計(jì)算IM3相對(duì)發(fā)射信號(hào)的時(shí)延、計(jì)算NLB BLOCK IM3[*]項(xiàng)的濾波系數(shù)ωn、初始校準(zhǔn)模型的數(shù)據(jù)存貯等。第二部分是在初始校準(zhǔn)結(jié)束后，開啟EPIMC 設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)（Run Mode），在EPIMC 設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行過(guò)程后，不再插入其他訓(xùn)練數(shù)據(jù)以保證正常終端下行業(yè)務(wù)不被打斷，只是根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并且結(jié)合EPIMC 的消除PIM 的性能進(jìn)行時(shí)延參數(shù)和濾波系數(shù)ωn的微調(diào)。EPIMC 設(shè)備校準(zhǔn)和運(yùn)行的流程如圖4所示。

圖4 EPIMC 設(shè)備軟件流程

2.1 三階互調(diào)信號(hào)發(fā)現(xiàn)和消除信號(hào)的時(shí)延對(duì)齊流程

首先，在EPIMC 的eeprom 存儲(chǔ)10 個(gè)彼此正交的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有兩個(gè)特征：一是這些信號(hào)經(jīng)過(guò)RRU 的TX 通道后，在天線口發(fā)出的功率是滿功率，這樣保證發(fā)射天線產(chǎn)生的PIM 信號(hào)足夠大；二是插入不同TX 通道時(shí)，用彼此正交訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行插入，更好地得到產(chǎn)生的PIM 信號(hào)跟初始信號(hào)的關(guān)聯(lián)特性。與此同時(shí)，EPIMC 設(shè)備會(huì)通過(guò)L3 消息從BBU 側(cè)知道配置的3 個(gè)小區(qū)的載波信息，這里面包括TX 的頻段范圍、RX 的頻段范圍、小區(qū)的發(fā)射功率等信息。

其次，EPIMC 設(shè)備根據(jù)載波配置信息，按照TX 的頻段范圍的組合落在RX 通道的多少，對(duì)所有可能的IM3 項(xiàng)進(jìn)行降序排列。簡(jiǎn)化起見，先假設(shè)本扇區(qū)多個(gè)RRU 合起來(lái)共有2RX、4TX，EPIMC 消除的目標(biāo)就是這4 根發(fā)射天線彼此組合產(chǎn)生的PIM 信號(hào)對(duì)2 個(gè)RX 通道的影響。根據(jù)BBU 的載波配置信息得到覆蓋RX1 頻段最多的前3 個(gè)IM3 項(xiàng)組合為IM3_1=RX1(TX1,TX2,TX3)，IM3_2=RX1(TX1,TX2,TX2)，IM3_1=RX1(TX1,TX3,TX3)。將這些TX 的組合寫入到RX BLOCK IM[*]，則RX1: NLB BLOCK IM[1]=(TX1,TX2,TX3)，NLB BLOCK IM[2]=(TX1,TX2,TX2)，NLB BLOCK IM[3]=(TX1,TX3,TX3)。

再次，比如NLB BLOCK IM[1]=(TX1,TX2,TX3)，在EMPIC 的 第1 個(gè)NLB BLOCK IM[1]插入3 組相互正交的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在RX1 口捕獲PIM 數(shù)據(jù)。根據(jù)捕獲PIM 數(shù)據(jù)的特征，利用正交向量估計(jì)（Orthogonal Vector Estimation，OVS）算法，可以得到RX1 相對(duì)于TX1 到TX3 的延遲信息。如果該組IM3 組合相關(guān)運(yùn)算產(chǎn)生的OVS 很小，表明當(dāng)前硬件拓?fù)湎聦?shí)際產(chǎn)生PIM 信號(hào)小，可丟棄該TX 組合，用后續(xù)的IM3 項(xiàng)進(jìn)行填充NLB，以達(dá)到最佳的PIM 消除效果。這些PIM 信號(hào)相對(duì)TX 信號(hào)的時(shí)延信息會(huì)寫入NL BLOCK IM3[*]，NLB 通過(guò)如下的濾波器系數(shù)設(shè)置產(chǎn)生的-IM3 來(lái)抑制IM3 信號(hào)。

至此，就完成了EPIMC 的IM3 項(xiàng)的發(fā)現(xiàn)以及PIM 信號(hào)和PIMC 信號(hào)的時(shí)延對(duì)齊流程。

2.2 三階NLB 濾波器系數(shù)估計(jì)

無(wú)源互調(diào)消除設(shè)備EPIMC 在完成NL BLOCK IM3[*]級(jí)別的時(shí)延對(duì)齊后，就需要配置每個(gè)NL BLOCK IM3[*]濾波系數(shù)，產(chǎn)生1 個(gè)抑制信號(hào)-IM3，起到抑制PIM 信號(hào)的效果。無(wú)源互調(diào)設(shè)備EPIMC中每一個(gè)NL BLOCK IM3[*]都是一個(gè)3 階濾波器（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）[6]，它們的抽頭系數(shù)共同組成了系數(shù)向量，記作W，矩陣表達(dá)式為：

無(wú)源互調(diào)消除設(shè)備EPIMC 將總共X個(gè)PIM 干擾分量對(duì)應(yīng)的所述3 階FIR 的輸入信號(hào)組成行數(shù)為3X的矩陣Y，其中第x個(gè)PIM 干擾分量上捕獲的3 階FIR 濾波器輸入序列yn,k(k)組成了矩陣Y的第(3x-2)行到3x行，其表達(dá)式為：

式中：K為信號(hào)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

根據(jù)FIR 濾波器特性可知，第x個(gè)PIM 干擾分量對(duì)應(yīng)的3 階FIR 濾波器系統(tǒng)方程可表示為：

式中：y(k)為所述3 階FIR 濾波器的輸入信號(hào)序列；h(k)為所述3 階FIR 濾波器的輸出信號(hào)序列。結(jié)合離散系統(tǒng)響應(yīng)的表達(dá)方式，可以得到所述第n路PIM 干擾信號(hào)仿真單元的輸出矩陣方程為：

利用最小二乘法運(yùn)算可得W的最小平方差估計(jì)值W^=(YY-1)HYT，最后將計(jì)算結(jié)果配置到第n路上行，對(duì)應(yīng)PIM 干擾信號(hào)仿真單元的NLB 濾波矩陣中去。如圖5 是一個(gè)NL BLOCK IM3 的結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)。

圖5 NLB FIR 濾波器參數(shù)定義

2.3 本裝置仿真結(jié)果

圖6 是EPIMC 裝置功能開啟和關(guān)閉的仿真圖，仿真環(huán)境是Band12 的RRU 有4TX4RX 配置的小區(qū)，發(fā)射頻段范圍是[732.5 MHz,742.5 MHz]，接收頻段范圍是[707.5 MHz,717.5 MHz]，最大發(fā)射功率是46 dBm；以 及Band14 的RRU 有2TX2RX 配 置的小區(qū)，發(fā)射頻段范圍是[758 MHz,768 MHz]，接收頻段范圍是[788 MHz,798 MHz]，最大發(fā)射功率是46 dBm。圖6 中，短線-點(diǎn)曲線表示只有Band12 RRU 發(fā)射開啟，關(guān)閉Band14 小區(qū)，沒有PIM 信號(hào)；點(diǎn)曲線表示Band12 和Band14 的RRU 同時(shí)發(fā)射開啟，共用一幅寬帶天線，EPIMC 設(shè)備功能未啟用；短線曲線表示Band12 和Band14 的RRU 同時(shí)發(fā)射開啟，共用一幅寬帶天線，EPIMC 設(shè)備功能啟用。比較在上述3 種情況下，EPIMC 對(duì)Band14 的第1根接收天線接收到的干擾信號(hào)的抑制情況。很明顯在EPIMC 功能開啟的情況下，上行干擾信號(hào)有4.7～5.3 dB的性能增益[7]，改善了上行接收信道質(zhì)量。

圖6 EPIMC 裝置性能仿真比較

3 結(jié)語(yǔ)

本文以3GPP在LTE和NR制式下劃分的700 MHz左右的頻段作為研究對(duì)象，提出了一種基于FPGA的NLB 資源來(lái)消除不同頻段的天線間的PIM 信號(hào)的硬件裝置及其軟件實(shí)現(xiàn)，并且通過(guò)仿真給出了EPIMC 設(shè)備對(duì)700 MHz 頻段產(chǎn)生的PIM 信號(hào)的消除效果。移動(dòng)端的發(fā)射功率受限是小區(qū)覆蓋的短板，由本文研究可知，在FDD 多頻段多天線同時(shí)部署無(wú)線覆蓋時(shí)，采用本文所提裝置可以在優(yōu)化上行信道質(zhì)量的同時(shí)，擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍。