基于LTE数字多模光纤分布系统的技术研究及系统应用

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【摘要】本文介绍了基于lte数字多模光纤分布系统的技术研究及系统应用。文章首先分析了数字分布系统的内部原理和核心技术，然后描述了其系统主要功能和指标，最后介绍了其系统应用。

【关键词】光纤;数字直放站;室分

1.引言

目前中国移动已经建立了多种通信制式的网络，包括GSM900、DCS1800、TD-SCDMA、WLAN等不同制式的移动通信网络和宽带网络，多网建设重复投资严重、施工困难，统一解决多种网络共享建筑物室内的覆盖问题成为网络建设者的题。

同时大型无线覆盖系统的路由问题越来越突出，宽带网络和无线网络的一体化建设是未来发展的必然趋势.目前大型无线覆盖系统的有以下几大问题：馈线成本太高，业主协调难，突发业务的载频调度，放大器带来的网络干扰，节能减排的日益趋势。

另外大量采用了以同轴电缆为传输介质、以基站射频信号直接放大的方法解决室内信号覆盖问题，此类解决方案为了实现建筑物，尤其是大型场馆及院校的室内覆盖，一般采用大功率的基站作信号源，使用干线放大器补偿同轴电缆对射频信号的损耗，使的噪声引入严重，尤其是上行信号的噪声。上行信号噪声的引入将直接影响基站的接收灵敏度和覆盖范围，降低系统的用户容量;同时，大量同轴电缆布放施工困难等问题非常突出。在此背景下，而引入的基于光传输的数字分布系统，其产品主要就为了解决了施工成本、业主协调、多业务、无线干扰等问题。

2.整体架构

2.1 系统

2.1.1 组网图（图1）

主单元可拖4个扩展单元，每个扩展单元可再级联一级扩展单元，星型3个扩展单元;每个扩展单元支持8个远端接入。

2.1.2 系组组成

系统由主单元、扩展单元、远端单元三部分组成。

主单元主要实现射频信号的接入、信号处理转换并通过光纤传至扩展单元。

下行链路中主要功能是将来自主单元的数字射频信号进行分路，传输到不同的远端射频单元;在上行链路中对来自不同远端的数字射频信号进行合路处理后传输到主单元。扩展单元可以通过光纤、五类线或者同轴电缆传至远端射频单元。扩展单元内置供电功能，具备向远端射频单元供电的能力。五类线型设备的远程供电必须符合标准的POE规范，以提高网线型设备的安全性。

远端单元将接收到的下行信号后，将不同系统的信号分离，经过数模转换、调制后变成终端所需要的射频信号，再通过天馈系统分布到覆盖区域。同时将收到的来自不同系统的上行信号，经过信号转换处理后将多个系统的上行信号进行组帧，发送到扩展单元。单台远端射频单元同时支持2G、3G和LTE MIMO（双通道）。

2.1.3 各单元框架

2.1.3.1 主单元（图2）

2.1.3.2 扩展单元（图3）

2.1.3.3 远端单元（图4）

2.1.4 系统工作原理

系统射频工作原理：

下行工作原理：主单元的BS（施主天线）端作为施主端，接收信号，通过介质双工器过滤信号，经主单元混频变至低频，再经ADC数字量化输入到FPGA转换为DRSI协议数据，数据流经光电转换器转换为光信号传输，扩展单元的光电转换器接收光信号，还原为DRSI数据流，经FPGA解包，再将TCP/IP透传的网络数据流一同打包为八路DRSI数据流，馈上48V电压分别从8个RJ45传输口或8个CPRI-2接口发送，48V电压和DRSI数据流在网络线上传输至远端单元的RJ45传输口1（或48V电压和DRSI数据流在光电混合缆传输至远端单元的CPRI-2接口，经光电转换器），送入FPGA解包，再通过DAC还原为模拟中频信号，中频信号再经混频变为工作频段的信号后重新发射覆盖。

上行工作原理：远端单元的MS端接收客户信号，通过介质或双工器过滤信号，经混频变至低频中频信号后，经ADC数字量化进行FPGA转换为DRSI协议，经RJ45传输口1（或CPRI-2接口）上传，扩展单元的RJ45传输口（或CPRI-2接口）接收数据，经FPGA处理转换再经光电转换器转为光信号传输至主单元，主单元的光电转换器接收光信号转换为数字信号后经FPGA处理后再经DAC模拟还原为低频中频信号再经混频还原为工作频段通过介质双工器上传至基站端。

系统网络工作原理：

用户接收端：

公网网络经扩展单元的PSE板的RJ4传输口A接入，经过变压器分离数据和馈电，其中数据通过RJ45传输口B与扩展单元数字板的RJ45传输口C相连，传输至FPGA。通过FPGA处理将数据分别传向光电转换器转换经CPRI-2接口或网络PHY芯片民换经RJ45传输口传输。数据和馈电通过KE电源接口、CPRI-2接口（或RJ45传输口）传输至远端单元，远端单元经接口接收，通过FGPA处理数据分离，通过PD分离出的馈电一同经RJ45传输口2传输给用户端。

用户上传端：

用户经如AP等接收通过RJ45传输口2接入后，通过FPGA打包通过RJ45传输口1（或CPRI-2接口）传送至扩展单元，扩展单元解包后通过对应的RJ45传输口，经RJ45传输口C、B、A上传到接收端。

图2 主单元

图4 远端单元

2.2 技术发展现状

本项目是基于数字化处理，即射频信号进行数字化，并通过FPGA算法实现数据传输打包及分包，采用CPRI协议将无线信号转换为可在网线或光纤上传输的数字信号实现传输，并在终端转换为原射频信号重新覆盖。在该技术下，使原传统的无线覆盖系统通过直径大，成本高的馈线传输方式转变为易施工、造价低的光纤或五类线进行传输及覆盖。在无线覆盖的同时，融入以太网透传技术，将接入系统与覆盖系统两个不同的通信领域便捷的融合在一起，实现共网共建的目的。

2.3 技术瓶颈

在有限的光纤或网线传输带宽下，需要传输多种制式，由此产生的高速率、大带宽问题，是目前产品的技术难关。

2.4 产品技术

2.4.1 大功率POE远供馈电技术研究

POE标准供电系统的主要供电特性参数为：电压在44～57V之间，典型值为48V;允许最大电流为550mA，最大启动电流为500mA;典型工作电流为10～350mA，超载检测电流为350～500mA;在空载条件下，最大需要电流为5mA;为PD设备提供3.84～12.95W三个等级的电功率请求，最大不超过13W。由于光纤分布系统的远端功耗最大可达到60W，因此按原有的标准无法满足长距离传输需要，因此在此项目中我们引进了大功率POE专用芯片，PSE最大可支持90W的功耗需求，解决了大功率无法长距离传输的问题。

2.4.2 TDD-LTE同步解调技术

TD-LTE不同于TD-SCDMA制式，在导频信号存在比较明显的特征值方式，因此采用传统的检波方式，可靠性及稳定性都无法满足工程应用的需求，因此我司采用了基带解调方式，需要对空中接收的射频信号进行解码，大体解调步骤是内置的同步模块单元在启动时，先搜索PSS，得到5ms的定时信息和OFDM符号时间等信息，然后搜索SSS，得到10ms的定时信息和小区组ID，然后进行更加精确的时间和频率同步。接下来为读取MIB和SIB信息，在SIB信息中得到TDD的上下行时隙比，需要注意的是，SIB并非物理层信息，而是需要解调相关的软件信令才能得到，有了同步信号和上、下行时隙比信息，就能产生同步信号，用来控制设备的上、下行切换，从而完成TDD LTE系统的正常工作。

图5 调解流程图

2.4.3 有限的传输带宽速率下，最大化的支持多制式的传输技术

4G移动通信LTE采用了MIMO技术，其数据容量增大了几倍，因此对于光纤数据传输相应的容量要求也更高了，现在XLINX、ALTERA、LATTICE等公司都新推出的各类型的FPGA可以满足低成本数据压缩设计的需求。本项目采用了XLINX数据压缩数据算法，降低了数字光模块的速率要求，满足了低成本光纤传输的设计需求。实现了通过一根网线千兆速率方式实现双制式系统的集成;1.25G光速率双制式系统的集成;3.072G光速率多制式（如：GSM&TD-SCDMA&TDD-LTE*MIMO）系统的集成。

2.4.4 射频硬件一体化技术及实现方案

由于要求本系统设备体积尽量小，整机系统子模块采用高度集成、一体化设计，并作好结构的散热分析设计。为了低成本和小体积的设计考虑，采用一体化集成RFIC芯片设计，如ADI 的AD9362，Maxim的MAX2580等一体化集成芯片可以满足设计指标要求。其一体化集成芯片设计主要包括锁相环，模拟宽带上下变频，ADC、DAC数据转换，以及中频滤波放大等。主要功能是对输入、输出数据进行各种放大、滤波和频率变换;由于正交分解后的 I/Q 两路基带信号对上述后续处理往往带来很大的方便和良好的性能，大部分数字变频方案都采用了正交两路处理的典型结构。

2.4.5 基于FPGA实现自动频率校正技术（AFC）

在无线通信系统中，收发之间为了确保正常通信，必须保证接收端的频率源信号频率与发射频端的频率源信号的频率一致，以达到同步的目的。为了达到同步，收发两端都采用了高精度的晶体振荡器其价格昂贵，同时长时间使用后会出现频率漂移，收发两端就会出现频偏，需要定期进行人工进行频率校正。

本项目采用的是一种自动频率校正方法，包括如下步骤：S1、对接收到的无线信号进行下变频抽取滤波，得到269.473K的GSM信号;S2、对GSM信号进行FCCH检测获取FCCH信号;S3、将FCCH数据拟合成直线的斜率并解调出输出斜率;S4、将输出斜率与理想斜率进行比较计算出斜率偏差值相应得到频率偏差值;然后根据斜率偏差值通过查找表得到同步控制电路的输入数据并将输入数据配置给同步控制电路;S5、同步控制电路根据输入数据产生输出电压控制晶振时钟脉冲CP实现频率校正。此方式的特点是可以不需要精准度太高的器件就能实现远近端传输频率的一致，采用算法方式，运行可靠稳定，且成本低。

图6

2.5 项目的特色或创新点

（1）多业务、多制式同时传输

系统能同时支持2G、3G、4G以及WLAN系统同时传输，最大满足多用户需求。

（2）采用POE远程供电技术

系统采用大功率POE标准协议供电方式，实现统一供电，施工方便

（3）采用自动频率校正技术（AFC）

系统采用自动频率校正技术，实现低成本、高可靠性，满足实际应用需求

（4）采用基带调解技术实现TD LTE同步

系统中采用了软件算法，实现TD LTE同步信号的获取，实现可靠及成本低

（5）采用集成化、一体化设计方式，实现小体积、低功耗的产品要求

系统采用采用一体化集成RFIC芯片设计方案，实现低功耗及小型化的产品设计理念，也起到了节能减排的效果

2.6 以太网透传技术

系统除满足行业规定的标准（光纤分布系统具有接入固网宽带和WLAN功能，为固网宽带和WLAN提供透明的传输通道。系统与驻地网融合时提供最大接入带宽能力为1000Mbps，WLAN提供最大接入能力为100M/1000Mbps。）外，还支持由POE交换机输入的馈电透传至远端再转到所连接的AP设备。保留了POE交换机对AP设备原电量计算，电源监控等功能。

3.总结

新一代基于光传输的数字分布系统，与传统2G、3G直放站相比，具有一定的技术创新和更出色的技术指标和性能，以及其体积小、功耗低、覆盖质量好，智能性更高。其多种技术的融合能适合各种工程应用场合的无线通信信号的深入覆盖，并将成为移动通信信号深入覆盖的非常具有竞争力的产品。