基于CWDM實(shí)現(xiàn)高速LTE無線信號(hào)覆蓋的低成本室內(nèi)分布系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

李廣

【摘要】 文章分析了目前2G、3G室內(nèi)無線分布系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和弊端，提出了基于粗波分復(fù)用（CWDM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速LTE無線信號(hào)覆蓋的低成本室內(nèi)分布系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)，并給出了其組網(wǎng)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】 CWDM LTE 室內(nèi)分布組網(wǎng) 高速無線通信 Radio over Fiber

Research of Low Cost Indoor Distribution Networking Architecture Realized High Speed LTE Radio Signal Covering which Based on CWDM Technology

Li Guang Guang Dong Institute of Science and Technology

Abstract：In the paper，we analysed the advantages and disadvantages of the current 2G and 3G mobile communication indoor distributed networking architecture，we proposed a low cost indoor LTE radio signal distribution networking architecture which based on CWDM technology，and we gave its advantages.

Key Words：CWDM，LTE，Indoor Distribution Networking，Super High Speed Radio Communication，Radio over Fiber

一、前言

當(dāng)今移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展幾乎以每5年發(fā)展一代、更新一代、預(yù)研一代[1]。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的高速發(fā)展，無線通信頻段逐漸提高，TD-LTE頻段已經(jīng)規(guī)劃到了2690MHz，50GHz以上頻段也在研究探討當(dāng)中。頻段越高，波長(zhǎng)越短，微波信號(hào)跨越障礙物的能力越弱，基站有效覆蓋范圍就會(huì)大大降低，只用室外基站來滿足室內(nèi)無線信號(hào)的覆蓋，在如今的大都市已經(jīng)是不可能的了[2]。

二、室內(nèi)分布系統(tǒng)組網(wǎng)現(xiàn)狀

移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展到今天，無線信號(hào)室內(nèi)分布技術(shù)大致經(jīng)歷了兩個(gè)階段，一是：2G通信時(shí)代直放機(jī)+無源饋電分布系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；二是：3G通信時(shí)代BBU+RRU+無源饋電分布系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

2.1 直放機(jī)設(shè)備及其室內(nèi)分布系統(tǒng)

直放機(jī)設(shè)備主要應(yīng)用于室外基站不能覆蓋的區(qū)域，如賓館、酒店、地下停車場(chǎng)、隧道、電梯井、山區(qū)丘陵地帶。較低的價(jià)格成本、簡(jiǎn)易的工程施工、安裝、調(diào)測(cè)優(yōu)勢(shì)使得直放機(jī)在2G通信時(shí)代得到廣泛應(yīng)用，以至于移動(dòng)信號(hào)100%全覆蓋變成了現(xiàn)實(shí)。

2.2 BBU+RRU室內(nèi)分布組網(wǎng)系統(tǒng)及其設(shè)備

在2G移動(dòng)通信后期，通信器件成本逐漸降低，尤其是數(shù)字處理芯片F(xiàn)PGA、DSP的價(jià)格大幅度下降，數(shù)字光纖基帶拉遠(yuǎn)（BBU+RRU）技術(shù)運(yùn)用到了室內(nèi)無線信號(hào)分布系統(tǒng)中。BBU+RRU+無源饋電分布系統(tǒng)克服了2G時(shí)代使用的直放站室內(nèi)分布組網(wǎng)系統(tǒng)解決基站和直放站一體化監(jiān)控困難的問題，并且解決了由于工程設(shè)計(jì)不當(dāng)造成直放站上行信號(hào)干擾附近基站的問題。

2.3 BBU和RRU間數(shù)據(jù)傳輸帶寬分析

第三代移動(dòng)通信室內(nèi)分布系統(tǒng)延續(xù)了2G后期BBU+RRU組網(wǎng)機(jī)構(gòu)，其BBU和RRU間數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求比較高，尤其第四代移動(dòng)通信——LTE。

第四代移動(dòng)通信普遍采用多進(jìn)多出（MIMO）技術(shù)，如果室內(nèi)分布系統(tǒng)采用BBU+RRU+無源饋電分布系統(tǒng)組網(wǎng)，其BBU和RRU間數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求比較苛刻。在采用20M帶寬的情況下采樣速率為30.72Mbps，此時(shí)在2×2 MIMO情況下，BBU和RRU間數(shù)據(jù)傳輸帶寬為：30.72Mbps（采樣速率）×16（采樣精度）×2（I/Q兩路）×2（天線數(shù)）=1966.08Mbps；3扇區(qū)容量配置下，BBU和RRU間總數(shù)據(jù)傳輸帶寬為：1966.08Mbps×3=5898.24Mbps。在采用4×4 MIMO的情況下，接口速率將加倍。對(duì)于如今的主流的2.5Gbps的數(shù)字SFP光模塊來說已經(jīng)顯得力不從心。而且高速的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)備的傳輸時(shí)延要求極其苛刻，無線信號(hào)數(shù)字化光纖傳輸技術(shù)將面臨更多的難題是待解決[3]。

三、低成本高速LTE室分系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

未來移動(dòng)通信，其室內(nèi)信號(hào)分布系統(tǒng)在滿足通信質(zhì)量、帶寬傳輸要求的基礎(chǔ)上，盡可能地降低其運(yùn)營(yíng)成本是一個(gè)發(fā)展方向。

基于此，文章提出了：基于CWDM實(shí)現(xiàn)高速LTE無線信號(hào)覆蓋的低成本室內(nèi)分布系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)。

3.1 低成本高速LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)

該室內(nèi)分布系統(tǒng)架構(gòu)由近端主機(jī)、單纖光纜、遠(yuǎn)端機(jī)群及多個(gè)室內(nèi)射頻無源分配網(wǎng)絡(luò)組成。

近端主機(jī)由：雙工器、射頻多路功分器、多個(gè)不同中心頻段的一體化光調(diào)制解調(diào)收發(fā)模塊、粗波分復(fù)用器；遠(yuǎn)端從機(jī)設(shè)備由：粗波分復(fù)用器、多個(gè)不同中心頻段的一體化光調(diào)制解調(diào)收發(fā)模塊、一體化射頻功率放大模塊組成。系統(tǒng)主機(jī)設(shè)備和從機(jī)機(jī)群設(shè)備由一根單模光纖光纜鏈接。室內(nèi)分布系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

3.2 低成本高速LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)性能分析

3.2.1 鏈路計(jì)算

下行鏈路計(jì)算：進(jìn)入光模塊的基站射頻信號(hào)強(qiáng)度要求：-10～2dBm（目前工程設(shè)計(jì)要求指標(biāo)），F(xiàn)P激光器輸出光功率4±1dBm，八端口粗波分復(fù)用器（CWDM）最大插入損耗為3dB，單模光纖及接頭平均插損為0.35dB/km， PIN光電探測(cè)管接收范圍為-10～7dBm，傳輸10公里計(jì)算光路鏈路預(yù)算冗余量為：

OPDowm=4dBm-3x2dB-0.35dB/km×10km-（-10dBm）

=4.5dBm

傳輸10公里，光路共計(jì)損耗為9.5dB，在遠(yuǎn)端接收處有4.5dBm的光路預(yù)算冗余量。在工程上，當(dāng)光路損耗1dB時(shí)，其射頻損耗為2dB，假設(shè)近端機(jī)的射頻信號(hào)輸入功率為-5dBm，則經(jīng)遠(yuǎn)端機(jī)的光模塊輸出射頻信號(hào)功率為：

RFPDown=-5dBm-9.5dB×2=-24dBm

經(jīng)過遠(yuǎn)端功放模塊（PA）65dB的增益放大，每個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)就會(huì)有65dBm-24dB=41dBm功率輸出，滿足移動(dòng)通信室內(nèi)分布系統(tǒng)工程規(guī)范要求[5]。

上行鏈路計(jì)算：目前工程室內(nèi)覆蓋天線接收到手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度一般在-70dBm以上，也就是說上行射頻信號(hào)進(jìn)入遠(yuǎn)端機(jī)中的低噪放模塊（LAN）的射頻信號(hào)強(qiáng)度為-70dB以上，經(jīng)過增益為63dB的低噪聲放大，進(jìn)入遠(yuǎn)端光模塊的射頻信號(hào)為-7dBm（滿足光模塊射頻信號(hào)輸入-10～2dBm的功率要求），光路損耗通上行鏈路計(jì)算，即是光路損耗為-9.5dB，按照光路損耗1dB時(shí)，其射頻損耗2dB的工程經(jīng)驗(yàn)，近端機(jī)光模塊的PIN光電探測(cè)端射頻信號(hào)輸出功率為：RFPUp=-7dBm-9.5dB×2=-26dBm

再經(jīng)過射頻八功分器（插損9.5dB）、射頻雙工器（插損0.5dB）和耦合饋線（大約有53dB衰減），則上行射頻信號(hào)到基站接收端的功率P=-26dBm-9.5dB-0.5dB-53dB=

-90dBm。滿足移動(dòng)通信室內(nèi)分布系統(tǒng)工程規(guī)范要求[5]。

3.2.2 器件分析

在工程上，基站上行噪聲一般要求控制在-120dBm以下，上行噪聲電平計(jì)算公式[4]：

NV=-174+NF+G+10LgRBW

=-174+4+50+10Lg（20000000）=-47（dBm）

噪聲系數(shù)NF取值為4；上行增益G取值為50；RBW為L(zhǎng)TE制式信號(hào)，取值為20MHz；

基站上行噪聲要求控制在-120dBm以下，則基站到近端主機(jī)間的路間損耗=-47-（-120）=73dB。工程人員可通過衰減器來適當(dāng)?shù)卦龃筮@個(gè)路間損耗，進(jìn)而為系統(tǒng)設(shè)備上行噪聲留出更多的余量。

粗波分復(fù)用器：其信道間隔為20nm，技術(shù)成熟，器件成本較低，信道間隔帶寬很寬，波間干擾問題幾乎不存在，不會(huì)對(duì)射頻上行噪聲的疊加做貢獻(xiàn)，其上行每路光載波解調(diào)后的射頻信號(hào)中的上行噪聲為-65dBm ～ -68dBm，符合移動(dòng)通信室內(nèi)分布系統(tǒng)工程規(guī)范要求[5]。

射頻八路功分器：每路理論插損=-10Lg（1/8）=9dB（實(shí)際插損9.5 dB），每路信號(hào)強(qiáng)度為-65dBm，則八路射頻信號(hào)通過功分器后的輸出功率=-65-9.5+9.5=-65dBm，此說明多路射頻通過功分器合路后的上行噪聲與實(shí)際每路噪聲電平幾乎一樣，沒有造成上行噪聲電平的疊加。

3.2.3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

（1）實(shí)現(xiàn)信號(hào)多路分配傳輸；（2）信號(hào)多路分配，其上行噪聲不會(huì)對(duì)對(duì)基站產(chǎn)生干擾，可克服目前工程用機(jī)一拖多上行噪聲干擾基站的問題；（3）只需一條主干傳輸光纖，其減少地下光纖光纜鋪設(shè)，降低工程組網(wǎng)、施工成本；（4）不用數(shù)字基帶處理，大大降低設(shè)備成本；（5）利用CWDM射頻光纖傳輸技術(shù)（Radio over Fiber）實(shí)現(xiàn)高速大容量通信，突破數(shù)字光模塊對(duì)調(diào)制速率、帶寬限制瓶頸，具有很好的成本控制優(yōu)勢(shì)；（6）對(duì)于載波寬帶較寬的LTE通信制式具有更明顯的成本控制優(yōu)勢(shì)、高速率高帶寬傳輸優(yōu)勢(shì)及大大降低時(shí)延優(yōu)勢(shì)。

四、結(jié)束語

未來移動(dòng)通信，其更多的業(yè)務(wù)將會(huì)發(fā)生在室內(nèi)，室內(nèi)高速、高質(zhì)量的信號(hào)覆蓋是未來移動(dòng)通信系統(tǒng)布網(wǎng)的重中之重。本文提出的基于CWDM實(shí)現(xiàn)高速LTE無線信號(hào)覆蓋的低成本室內(nèi)分布系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)，其在解決未來移動(dòng)通信室內(nèi)信號(hào)分布組網(wǎng)研究方面會(huì)起到一定的探討作用，但更多的設(shè)備技術(shù)細(xì)節(jié)問題還需要完善，設(shè)備組網(wǎng)后可能會(huì)遇到新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)問題，需要進(jìn)一步的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。