基于LTE數字多模光纖分布系統的技術研究及系統應用

何勁財

【摘要】本文介紹了基于LTE數字多模光纖分布系統的技術研究及系統應用。文章首先分析了數字分布系統的內部原理和核心技術，然后描述了其系統主要功能和指標，最后介紹了其系統應用。

【關鍵詞】光纖;數字直放站;室分

1.引言

目前中國移動已經建立了多種通信制式的網絡，包括GSM900、DCS1800、TD-SCDMA、WLAN等不同制式的移動通信網絡和寬帶網絡，多網建設重復投資嚴重、施工困難，統一解決多種網絡共享建筑物室內的覆蓋問題成為網絡建設者的題。

同時大型無線覆蓋系統的路由問題越來越突出，寬帶網絡和無線網絡的一體化建設是未來發展的必然趨勢.目前大型無線覆蓋系統的有以下幾大問題：饋線成本太高，業主協調難，突發業務的載頻調度，放大器帶來的網絡干擾，節能減排的日益趨勢。

另外大量采用了以同軸電纜為傳輸介質、以基站射頻信號直接放大的方法解決室內信號覆蓋問題，此類解決方案為了實現建筑物，尤其是大型場館及院校的室內覆蓋，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的數字分布系統，其產品主要就為了解決了施工成本、業主協調、多業務、無線干擾等問題。

2.整體架構

2.1 系統

2.1.1 組網圖（圖1）

主單元可拖4個擴展單元，每個擴展單元可再級聯一級擴展單元，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

系統由主單元、擴展單元、遠端單元三部分組成。

主單元主要實現射頻信號的接入、信號處理轉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字射頻信號進行分路，傳輸到不同的遠端射頻單元;在上行鏈路中對來自不同遠端的數字射頻信號進行合路處理后傳輸到主單元。擴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。擴展單元內置供電功能，具備向遠端射頻單元供電的能力。五類線型設備的遠程供電必須符合標準的POE規范，以提高網線型設備的安全性。

遠端單元將接收到的下行信號后，將不同系統的信號分離，經過數模轉換、調制后變成終端所需要的射頻信號，再通過天饋系統分布到覆蓋區域。同時將收到的來自不同系統的上行信號，經過信號轉換處理后將多個系統的上行信號進行組幀，發送到擴展單元。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 系統工作原理

系統射頻工作原理：

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，通過介質雙工器過濾信號，經主單元混頻變至低頻，再經ADC數字量化輸入到FPGA轉換為DRSI協議數據，數據流經光電轉換器轉換為光信號傳輸，擴展單元的光電轉換器接收光信號，還原為DRSI數據流，經FPGA解包，再將TCP/IP透傳的網絡數據流一同打包為八路DRSI數據流，饋上48V電壓分別從8個RJ45傳輸口或8個CPRI-2接口發送，48V電壓和DRSI數據流在網絡線上傳輸至遠端單元的RJ45傳輸口1（或48V電壓和DRSI數據流在光電混合纜傳輸至遠端單元的CPRI-2接口，經光電轉換器），送入FPGA解包，再通過DAC還原為模擬中頻信號，中頻信號再經混頻變為工作頻段的信號后重新發射覆蓋。

上行工作原理：遠端單元的MS端接收客戶信號，通過介質或雙工器過濾信號，經混頻變至低頻中頻信號后，經ADC數字量化進行FPGA轉換為DRSI協議，經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）接收數據，經FPGA處理轉換再經光電轉換器轉為光信號傳輸至主單元，主單元的光電轉換器接收光信號轉換為數字信號后經FPGA處理后再經DAC模擬還原為低頻中頻信號再經混頻還原為工作頻段通過介質雙工器上傳至基站端。

系統網絡工作原理：

用戶接收端：

公網網絡經擴展單元的PSE板的RJ4傳輸口A接入，經過變壓器分離數據和饋電，其中數據通過RJ45傳輸口B與擴展單元數字板的RJ45傳輸口C相連，傳輸至FPGA。通過FPGA處理將數據分別傳向光電轉換器轉換經CPRI-2接口或網絡PHY芯片民換經RJ45傳輸口傳輸。數據和饋電通過KE電源接口、CPRI-2接口（或RJ45傳輸口）傳輸至遠端單元，遠端單元經接口接收，通過FGPA處理數據分離，通過PD分離出的饋電一同經RJ45傳輸口2傳輸給用戶端。

用戶上傳端：

用戶經如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的RJ45傳輸口，經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 技術發展現狀

本項目是基于數字化處理，即射頻信號進行數字化，并通過FPGA算法實現數據傳輸打包及分包，采用CPRI協議將無線信號轉換為可在網線或光纖上傳輸的數字信號實現傳輸，并在終端轉換為原射頻信號重新覆蓋。在該技術下，使原傳統的無線覆蓋系統通過直徑大，成本高的饋線傳輸方式轉變為易施工、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，融入以太網透傳技術，將接入系統與覆蓋系統兩個不同的通信領域便捷的融合在一起，實現共網共建的目的。

2.3 技術瓶頸

在有限的光纖或網線傳輸帶寬下，需要傳輸多種制式，由此產生的高速率、大帶寬問題，是目前產品的技術難關。

2.4 產品技術

2.4.1 大功率POE遠供饋電技術研究

POE標準供電系統的主要供電特性參數為：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的問題。

2.4.2 TDD-LTE同步解調技術

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，因此采用傳統的檢波方式，可靠性及穩定性都無法滿足工程應用的需求，因此我司采用了基帶解調方式，需要對空中接收的射頻信號進行解碼，大體解調步驟是內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，而是需要解調相關的軟件信令才能得到，有了同步信號和上、下行時隙比信息，就能產生同步信號，用來控制設備的上、下行切換，從而完成TDD LTE系統的正常工作。

圖5 調解流程圖

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

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

2.4.4 射頻硬件一體化技術及實現方案

由于要求本系統設備體積盡量小，整機系統子模塊采用高度集成、一體化設計，并作好結構的散熱分析設計。為了低成本和小體積的設計考慮，采用一體化集成RFIC芯片設計，如ADI 的AD9362，Maxim的MAX2580等一體化集成芯片可以滿足設計指標要求。其一體化集成芯片設計主要包括鎖相環，模擬寬帶上下變頻，ADC、DAC數據轉換，以及中頻濾波放大等。主要功能是對輸入、輸出數據進行各種放大、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處理往往帶來很大的方便和良好的性能，大部分數字變頻方案都采用了正交兩路處理的典型結構。

2.4.5 基于FPGA實現自動頻率校正技術（AFC）

在無線通信系統中，收發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頻率漂移，收發兩端就會出現頻偏，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數據擬合成直線的斜率并解調出輸出斜率;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得到頻率偏差值;然后根據斜率偏差值通過查找表得到同步控制電路的輸入數據并將輸入數據配置給同步控制電路;S5、同步控制電路根據輸入數據產生輸出電壓控制晶振時鐘脈沖CP實現頻率校正。此方式的特點是可以不需要精準度太高的器件就能實現遠近端傳輸頻率的一致，采用算法方式，運行可靠穩定，且成本低。

圖6

2.5 項目的特色或創新點

（1）多業務、多制式同時傳輸

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

（2）采用POE遠程供電技術

系統采用大功率POE標準協議供電方式，實現統一供電，施工方便

（3）采用自動頻率校正技術（AFC）

系統采用自動頻率校正技術，實現低成本、高可靠性，滿足實際應用需求

（4）采用基帶調解技術實現TD LTE同步

系統中采用了軟件算法，實現TD LTE同步信號的獲取，實現可靠及成本低

（5）采用集成化、一體化設計方式，實現小體積、低功耗的產品要求

系統采用采用一體化集成RFIC芯片設計方案，實現低功耗及小型化的產品設計理念，也起到了節能減排的效果

2.6 以太網透傳技術

系統除滿足行業規定的標準（光纖分布系統具有接入固網寬帶和WLAN功能，為固網寬帶和WLAN提供透明的傳輸通道。系統與駐地網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到所連接的AP設備。保留了POE交換機對AP設備原電量計算，電源監控等功能。

3.總結

新一代基于光傳輸的數字分布系統，與傳統2G、3G直放站相比，具有一定的技術創新和更出色的技術指標和性能，以及其體積小、功耗低、覆蓋質量好，智能性更高。其多種技術的融合能適合各種工程應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品。