5G自激對消直放站系統設計與實踐

摘 要：5G無線直放站接收信號和發射信號同頻。當接收端和發射端之間的增益大于隔離度時，系統就會自激。此時，不僅直放站覆蓋區域通信異常，而且整個網絡都會受到干擾。5G自激對消直放站能夠消除因隔離度不足而產生的自激。一方面，降低了直放站工程安裝的隔離度要求;另一方面，直放站系統增益可以設置得更高，從而增加了直放站的覆蓋功率和覆蓋范圍。

關鍵詞：直放站;自激;隔離度

0? ? 引言

隨著移動通信的高速發展，各行業對移動通信的要求越來越高。物聯網行業將萬物互聯，這些被連接的終端需要通過移動網絡通信。如水表和電表等終端，需要定期將相關數據通過移動網絡傳輸到專業服務器。由于這些水表和電表分布比較廣泛，而且一般都在建筑物內部，直接使用5G基站進行廣覆蓋，必定會存在一些區域因路勁損耗過大而不能有效連接。5G（NB-IoT）直放站可以作為輔助手段解決5G（NB-IoT）基站的廣覆蓋延伸問題。

筆者曾在專利[1-2]中描述了一種典型的直放站。該直放站作為有效的延伸網絡信號覆蓋的手段，具備成本低、建站快、安裝簡單、應用靈活等優點。實驗室測試表明，無線直放站接收端和發射端隔離度大于或者等于系統增益15 dB，系統自激信號干擾對EVM的影響才可以忽略。實際工程中為了避免系統自激，往往需要限制收發天線的方向、距離等參數，擴大收發天線隔離或者適當降低系統增益。為了進一步擴大無線直放站的應用，本文提出了一種5G自激對消直放站系統，該系統有效地抑制了由于收發隔離度不夠導致的系統自激，放寬了無線直放站對隔離度的要求，在相同的隔離度下，系統增益可以進一步提高、覆蓋范圍可以進一步加大。

1? ? 理論推導

自激對消功能原理如圖1所示。下面以5G直放站下行鏈路為例說明自激對消的原理。主信號通道的下行輸入信號? ? ? d（n）不僅包含需要放大的有用信號s（n），還包含有害的自激信號x0（n）。x0（n）是MT（用戶天線）端輸出的下行信號經延遲和衰減后進入DT（施主天線）端接端的，如圖1所示。當隔離度較小時，x0（n）相對于s（n）而言不可忽略。

參考通道的用于檢測和提取信號x（n）。由于傳輸通道非線性，參考通道檢測到的x（n）與DT端接收的自激信號? ?x0（n）不完全一致，但它們是同源的，所以兩者具有相關性。x（n）信號通過自適應濾波器進行加權濾波后輸出參考信號y（n），y（n）在某一最佳準則下（如最小均方準則）最接近x0（n）。然后通過求和器將x0（n）和y（n）進行相減運算，就可以將DT端接收的信號中的x0（n）對消掉。

系統對于基準輸入的調整是在剩余信號（即誤差信號）的控制下，依據某一準則來進行的。由自激對消處理的基本原理可得誤差信號ε（n）為：

當x0（n）和y（n）等幅同相時，ε（n）=s（n）。由于存在誤差，按照最小均方準則優化自適應濾波器系數，使誤差信號的均方值為E{ε2（n）}最小。此時，在最小均方意義下，誤差信號ε（n）最小，y（n）最接近主x0（n），誤差信號ε（n）最接近有用信號s（n），干擾信號最接近被完全抵消。即：

顯然，誤差信號的均方誤差是權系數矢量W的二次函數，可利用梯度法計算出誤差信號的極值。將式（5）對W求導數，導數為零時得到誤差信號的極值。因此，誤差信號均方達到最小值時的權矢量為：

Wopt=R-1XXRXd（6）

利用上式求最佳權矢量需要知道RXd和RXd的先驗知識，還需要矩陣求逆運算。實際中這些先驗知識都是未知的，而且矩陣求逆運算也相當麻煩，因此，人們經常采用一種基于最速下降法的近似算法：Widrow2Hoff LMS 算法來求最佳權矢量。

2? ? 產品實現和工程驗證

5G自激對消直放站包括上行通路和下行通路，如圖2所示。上行通路包括：MT端天線、雙工器系統、上行低噪聲放大器系統、下變頻系統、上行數字處理系統、上變頻系統、功放系統和DT端雙工器系統。下行通路包括：DT端天線、雙工器系統、下行低噪聲放大器系統、下變頻系統、下行數字處理系統、上變頻系統、功放系統和MT端雙工器系統。數字處理系統采用自適應濾波技術，完成上下行的自激對消功能。

為了驗證產品的自激對消效果，對普通直放站和5G自激對消直放站進行了對比試驗。選取一個隧道作為試驗場景，隧道長約1.2 km。系統DT（施主天線）選取一個定向板狀天線A作為信源的引入。MT（用戶天線）端接一個八木天線B作為用戶覆蓋天線。用戶天線B離地高約為3.5 m安裝在隧道側墻上，離高速移動車輛水平距離約2.5 m。

調整天線B，使天線B和天線A的隔離度為95 dB。調整普通直放站，使系統上下行增益均為80 dB。此時，天線之間隔離度大于系統增益15 dB，系統能夠正常工作。使用EPC對天線B的覆蓋區域進行速率測試，上行速率為16.377 kbps，下行速率為24.049 kbps。

將普通直放站換成5G自激對消直放站，調整天線B，使天線B和天線A的隔離度為70 dB，設置自激對消直放站系統上下行增益均為80 dB。此時，天線之間隔離度比系統增益小10 dB。如果沒有自激對消功能，系統將不能正常工作。開啟自激對消直放站，使用EPC對天線B的覆蓋區域進行速率測試，上行速率為16.892 kbps，下行速率為24.126 kbps。

以上實驗表明，在施主天線和用戶天線最小隔離度大于系統增益減10 dB，5G自激對消直放站可以正常工作。其速率略好或者相當于普通直放站工作在隔離度大于增益15 dB時的效果。

對于普通的直放站，施主天線和用戶天線需要相隔很遠或需要增加其他物體進行阻擋。由于工程安裝條件的限制，大大限制了直放站應用。5G自激對消直放站可以在隔離度比普通直放站小25 dB的情況下進行安裝使用。大大降低了無線直放站安裝的隔離度和空間要求。即使將施主天線和用戶天線安裝在同一個抱桿上，只要垂直距離大于1 m，兩個天線較好的方向性，主波束方向相反，它們之間的隔離度也能夠滿足自激對消直放站的安裝要求。不但降低了安裝的場地要求，而且節約了抱桿等安裝配件和抱桿的安裝時間[3]。

對于有些實際工程場景，由于安裝位置限制，施主天線和用戶天線相距不能太遠。如果下行接收到的信號較弱，需要較大增益才能將信號放大到滿足覆蓋區域的要求。這種場景，往往由于增益不能開高，導致覆蓋信號很低，覆蓋距離很近。如果使用5G自激對消直放站，能夠將增益開得更高，使得覆蓋距離進一步延長，確保覆蓋區域的信號質量。

對于應急通信，由于安裝時間要求很短，要求覆蓋距離盡可能遠，而安裝空間可能僅僅只限于應急通信車。為了達到以上苛刻的要求，需要使用自激對消直放站。

3? ? 結語

該5G自激對消直放站系統利用了自適應濾波技術，通過對比耦合采樣輸出信號、采樣信號和系統自激信號特征，消除自激信號，有效地降低了自激情況下的自激信號強度。在隔離度比增益小10 dB的強自激條件下，也能有效消除自激信號，確保信號通信質量，長期穩定工作。降低了5G直放站系統對于工作條件和安裝條件的要求，擴大了5G直放站的使用范圍，降低了5G直放站的選址難度和安裝成本，提升了系統抗自激的能力。

[參考文獻]

[1]劉志敏，葉祖銓，阮連順.無線通信網絡的動態優化裝置及無線通信系統：201120089157.8[P].2011-3-30.

[2]趙建平，劉志敏，秦海俊.GSM數字無線直放站及其上行載波時隙關斷方法：200810027021.7[P].2008-3-25.

[3]鄭寶玉.自適應濾波器原理[M].北京：電子工業出版社，2010.

（編輯 姚 鑫）