多模分布式數(shù)字通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究

周進(jìn)青

摘 要：文章首先概述了多模分布式數(shù)字通信系統(tǒng)的原理和框架，介紹了相比傳統(tǒng)室內(nèi)移動(dòng)通信覆蓋系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，而后重點(diǎn)介紹了多模分布式數(shù)字通信系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，并提供技術(shù)解決方案，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：分布式通信系統(tǒng)；多模；同步；數(shù)據(jù)壓縮；同小區(qū)；單線回傳

當(dāng)前移動(dòng)通信5G開(kāi)始嶄露頭角，4G正如火如荼地建設(shè)著，2G，3G繼續(xù)承擔(dān)語(yǔ)音業(yè)務(wù)重任，移動(dòng)蜂窩通信呈現(xiàn)多制式并存局面。各運(yùn)營(yíng)商普遍存在兩種以上的通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本高。同時(shí)無(wú)線數(shù)據(jù)流量飛速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)室內(nèi)移動(dòng)通信覆蓋系統(tǒng)存在容量不足、性能差、不支持演進(jìn)、運(yùn)維效率低等諸多弊端，難以應(yīng)對(duì)新時(shí)期通信需求的挑戰(zhàn)。

分布式多模數(shù)字通信系統(tǒng)具備多網(wǎng)融合、數(shù)字化、IP化等特征，作為新一代室分系統(tǒng)目前已經(jīng)逐漸成為通信行業(yè)的共識(shí)，開(kāi)始取代傳統(tǒng)室分系統(tǒng)。分布式數(shù)字通信系統(tǒng)技術(shù)門(mén)檻較高，要取得優(yōu)異性能，需要在相關(guān)技術(shù)上取得突破。

1 多模分布式數(shù)字通信系統(tǒng)

多模分布式數(shù)字通信系統(tǒng)作為一種新型室內(nèi)分布式蜂窩系統(tǒng)，采用3級(jí)架構(gòu)，分別由基帶單元、擴(kuò)展單元和多模數(shù)字射頻單元組成。其中基帶單元主要完成物理層、無(wú)線資源管理、移動(dòng)性管理和系統(tǒng)操作維護(hù)等功能，擴(kuò)展單元主要完成信號(hào)分發(fā)和疊加，延伸覆蓋距離功能，多模數(shù)字射頻單元主要完成多制式信號(hào)收發(fā)機(jī)和數(shù)字化功能。

如圖1所示，基帶單元包含各制式通信基帶模塊，電信運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)制式需求進(jìn)行靈活組合，配置不同制式的基帶單元模塊，其中支持系統(tǒng)回傳口的基帶單元定義為主基帶單元，基帶單元都支持IP回傳。擴(kuò)展單元之間通過(guò)光纖可級(jí)聯(lián)M級(jí)，每個(gè)擴(kuò)展單元可接入N個(gè)多模數(shù)字射頻單元。相比單點(diǎn)微蜂窩小基站，從單一天線演變成M×N個(gè)天線頭的分布式基站，不僅擴(kuò)大了覆蓋距離，而且其靈活的組網(wǎng)方式更適合于各種室內(nèi)復(fù)雜場(chǎng)景應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、優(yōu)化、運(yùn)維責(zé)任主體統(tǒng)一，提供一站式整體交鑰匙解決方案，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)效率高；多種通信網(wǎng)絡(luò)一次建成，避免重復(fù)建設(shè)、極大節(jié)省建設(shè)成本。同時(shí)，本通信系統(tǒng)支持端到端可視化管理、可擴(kuò)容，可演進(jìn)，節(jié)省運(yùn)維投入，保護(hù)投資。

2 關(guān)鍵技術(shù)解決

2.1 時(shí)延對(duì)齊技術(shù)

如前文所示，分布式多模數(shù)字通信系統(tǒng)由3級(jí)架構(gòu)組成，各級(jí)單元之間通過(guò)光纖和網(wǎng)線連接，由于數(shù)字化設(shè)備本身會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)延，光纖傳輸介質(zhì)也具有一定的時(shí)延特性，通常1 km約5 μs的時(shí)延。所以從基帶單元到每個(gè)數(shù)字射頻單元之間的時(shí)延都不相同，在多個(gè)數(shù)字射頻單元覆蓋的區(qū)域相當(dāng)于形成多徑干擾信號(hào)。

要解決空口上時(shí)延不對(duì)齊問(wèn)題，首先要測(cè)量每個(gè)數(shù)字射頻單元到基帶單元之間的時(shí)延，然后，根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)延進(jìn)行對(duì)齊，補(bǔ)償其中的傳輸時(shí)延差。

基準(zhǔn)時(shí)延設(shè)計(jì)方法有兩種：（1）最大時(shí)延值法：取主基帶單元到數(shù)字射頻單元的時(shí)延值最大的值；（2）固定時(shí)延值法：設(shè)置一個(gè)固定時(shí)延值Tdelay，該值要大于主基帶單元到數(shù)字射頻單元最大的時(shí)延值。

2.2 頻率同步技術(shù)

該系統(tǒng)由多個(gè)數(shù)字射頻單元組成，各單元之間信號(hào)存在重疊覆蓋情況，如果每個(gè)單元的信號(hào)頻率沒(méi)有與基準(zhǔn)頻率進(jìn)行同步，相互之間形成的頻偏會(huì)導(dǎo)致干擾，輕者影響手機(jī)終端業(yè)務(wù)性能，頻偏更大情況下，甚至導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。

為保證基站性能，3GPP定義了各種基站下的頻率同步的要求，如表1所示，本系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景可適合于Local Area BS。

表1 各種蜂窩基站頻率穩(wěn)定性要求

BS class Accuracy

Wide Area BS ± （0.05 ppm + 12 Hz）

Medium Range BS ± （0.1 ppm + 12 Hz）

Local Area BS ± （0.1 ppm + 12 Hz）

Home BS ± （0.25 ppm + 12 Hz）

當(dāng)前頻率同步有GPS，IEEE1588，空口偵聽(tīng)等方式，如果對(duì)于每一個(gè)數(shù)字射頻單元都進(jìn)行單獨(dú)同步，無(wú)論采取哪種方式，成本都會(huì)非常高，而且工程部署困難，不易于大規(guī)模部署應(yīng)用。本系統(tǒng)采用“單級(jí)源輸入+3級(jí)線路分發(fā)提取”的解決方案。該方法不僅保證了3GPP的同步要求，而且成本低、部署簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的實(shí)用參考價(jià)值。

首先，基帶單元通過(guò)GPS或IEEE1588方式，獲取時(shí)鐘頻率基準(zhǔn)源；其次，擴(kuò)展單元通過(guò)光纖線路從基帶單元提取頻率同步信息，并注入下一級(jí)的傳輸線上；最后，多模數(shù)字射頻單元通過(guò)光纖或同步以太網(wǎng)提取頻率同步信息，用于射頻信號(hào)的參考基準(zhǔn)源。

2.3 同小區(qū)技術(shù)

在多個(gè)射頻單元覆蓋區(qū)域內(nèi)，如果每個(gè)覆蓋區(qū)不屬于同一個(gè)蜂窩小區(qū)，手機(jī)終端頻繁重選切換，不僅影響用戶體驗(yàn)，而且給核心網(wǎng)產(chǎn)生過(guò)多的信令交互負(fù)荷。

為解決上述問(wèn)題，多個(gè)覆蓋射頻單元要同屬一個(gè)蜂窩小區(qū)，使得手機(jī)終端在連續(xù)覆蓋區(qū)域內(nèi)不會(huì)發(fā)生切換，具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

下行信號(hào)：擴(kuò)展單元收到基帶單元的數(shù)據(jù)后，以廣播形式發(fā)到其下面的每個(gè)多模數(shù)字射頻單元和其下一級(jí)擴(kuò)展單元，確保手機(jī)終端收在移動(dòng)過(guò)程中收到同樣的下行信號(hào)。

上行信號(hào)：擴(kuò)展單元把本級(jí)每個(gè)多模數(shù)字射頻單元的基帶數(shù)據(jù)分別進(jìn)行IQ疊加，I= ， Q=，然后再發(fā)到上一級(jí)擴(kuò)展單元，上一級(jí)擴(kuò)展單元不僅要把其下的每個(gè)多模數(shù)字射頻單元IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，還要和下一級(jí)的IQ基帶數(shù)據(jù)再疊加，以此類推。

通過(guò)對(duì)多路基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行廣播分發(fā)、疊加處理，實(shí)現(xiàn)在多個(gè)收發(fā)覆蓋區(qū)域內(nèi)移動(dòng)始終為一個(gè)蜂窩小區(qū)，避免多蜂窩小區(qū)的頻繁重選切換和系統(tǒng)內(nèi)干擾，改善用戶體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸壓縮技術(shù)

在本系統(tǒng)中，無(wú)論是光纖還是網(wǎng)線，傳輸?shù)亩际荌Q基帶數(shù)據(jù)，以1個(gè)20 M的LTE雙天線傳輸為例，傳輸帶寬=基帶采樣率×bit位寬×IQ通道×天線數(shù)×載波數(shù)=30.72×16×2×2×1=1 966.08 Mbps，如果需要傳輸多個(gè)載波或多個(gè)制式信號(hào)，需要的光纖硬件成本會(huì)非常高昂，普通網(wǎng)線無(wú)法承載高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。

上述公式中，由于IQ通道、天線數(shù)、載波數(shù)是剛性需求，無(wú)法進(jìn)行壓縮，否則容量和性能就達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。為此，數(shù)據(jù)壓縮重點(diǎn)在于基帶采樣率和bit位寬。其中20 M信號(hào)對(duì)應(yīng)的基帶采樣率30.72，實(shí)際LTE信號(hào)有效帶寬只有18 MHz，所以用20.48 Msps采樣率不會(huì)引起信號(hào)損傷。對(duì)于室內(nèi)移動(dòng)覆蓋，通常60 dB信號(hào)動(dòng)態(tài)即可滿足手機(jī)終端移動(dòng)應(yīng)用，其對(duì)應(yīng)位寬為10 bit，所以bit位寬可由16 bit壓縮到10 bit。壓縮后的傳輸帶寬=20.48×10×2×2×1=819.2 Mbps，相比壓縮之前節(jié)省58%的傳輸帶寬。其他通信制式壓縮也參考上述原理。

2.5 單線回傳多模技術(shù)

回傳包括前傳和系統(tǒng)回傳，前傳是多模數(shù)字射頻單元到擴(kuò)展單元的傳輸，系統(tǒng)回傳是基帶單元到核心網(wǎng)的傳輸。單線回傳多模技術(shù)是指在一根傳輸線上，同時(shí)傳輸多個(gè)通信制式信號(hào)的技術(shù)。

前傳通常用光纖或網(wǎng)線進(jìn)行傳輸，當(dāng)用光纖傳輸時(shí)，可利用通用公共無(wú)線電接口（Common Public Radio Interface，CPRI）幀協(xié)議，在CPRI凈荷空間內(nèi)存放不同制式的IQ數(shù)據(jù)。當(dāng)用網(wǎng)線傳輸時(shí)，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)幀協(xié)議不適合傳輸IQ數(shù)據(jù)，需要重新定義以太網(wǎng)幀，能滿足多個(gè)通信制式IQ數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸。

系統(tǒng)回傳的數(shù)據(jù)不是IQ數(shù)據(jù)，是經(jīng)過(guò)基帶單元解調(diào)解碼完后的IP數(shù)據(jù)，如果要實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)線傳輸多個(gè)制式的IP回傳數(shù)據(jù)，可以通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)。

單IP方式：主基帶單元對(duì)外只有一個(gè)網(wǎng)口和一個(gè)外部IP，并為其他基帶單元分配內(nèi)部局域網(wǎng)IP1，IP2，IP3等內(nèi)部地址，各基帶單元回傳數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，NAT）后，統(tǒng)一從系統(tǒng)回傳口發(fā)送數(shù)據(jù)。反之，從外部接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過(guò)PORT端口號(hào)區(qū)別，分別發(fā)給不同的基帶單元。

多IP方式：主基帶單元對(duì)外只有一個(gè)物理網(wǎng)口，但有多個(gè)對(duì)外IP。這些對(duì)外IP為每個(gè)基帶單元獨(dú)立獲取的傳輸IP，主基帶單元實(shí)現(xiàn)匯聚交換功能，使得各基帶單元共享一個(gè)物理回傳端口。

3 結(jié)語(yǔ)

本文給出了多模分布式數(shù)字通信系統(tǒng)架構(gòu)和組成，重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)下需要解決的時(shí)延對(duì)齊、時(shí)鐘頻率同步、同小區(qū)、數(shù)據(jù)壓縮、單線回傳多模通信關(guān)鍵重點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題，并相應(yīng)提出了解決方法，對(duì)于分布式多模數(shù)字通信系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)部署有重要的參考和指導(dǎo)意義。