多模分布式數字通信系統及其關鍵技術研究

周進青

摘 要：文章首先概述了多模分布式數字通信系統的原理和框架，介紹了相比傳統室內移動通信覆蓋系統的優勢，而后重點介紹了多模分布式數字通信系統需要解決的關鍵技術點，并提供技術解決方案，為系統設計提供參考。

關鍵詞：分布式通信系統；多模；同步；數據壓縮；同小區；單線回傳

當前移動通信5G開始嶄露頭角，4G正如火如荼地建設著，2G，3G繼續承擔語音業務重任，移動蜂窩通信呈現多制式并存局面。各運營商普遍存在兩種以上的通信網絡，網絡建設和維護成本高。同時無線數據流量飛速增長，傳統室內移動通信覆蓋系統存在容量不足、性能差、不支持演進、運維效率低等諸多弊端，難以應對新時期通信需求的挑戰。

分布式多模數字通信系統具備多網融合、數字化、IP化等特征，作為新一代室分系統目前已經逐漸成為通信行業的共識，開始取代傳統室分系統。分布式數字通信系統技術門檻較高，要取得優異性能，需要在相關技術上取得突破。

1 多模分布式數字通信系統

多模分布式數字通信系統作為一種新型室內分布式蜂窩系統，采用3級架構，分別由基帶單元、擴展單元和多模數字射頻單元組成。其中基帶單元主要完成物理層、無線資源管理、移動性管理和系統操作維護等功能，擴展單元主要完成信號分發和疊加，延伸覆蓋距離功能，多模數字射頻單元主要完成多制式信號收發機和數字化功能。

如圖1所示，基帶單元包含各制式通信基帶模塊，電信運營商可根據制式需求進行靈活組合，配置不同制式的基帶單元模塊，其中支持系統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。擴展單元之間通過光纖可級聯M級，每個擴展單元可接入N個多模數字射頻單元。相比單點微蜂窩小基站，從單一天線演變成M×N個天線頭的分布式基站，不僅擴大了覆蓋距離，而且其靈活的組網方式更適合于各種室內復雜場景應用。實現網絡建設、優化、運維責任主體統一，提供一站式整體交鑰匙解決方案，網絡建設效率高；多種通信網絡一次建成，避免重復建設、極大節省建設成本。同時，本通信系統支持端到端可視化管理、可擴容，可演進，節省運維投入，保護投資。

2 關鍵技術解決

2.1 時延對齊技術

如前文所示，分布式多模數字通信系統由3級架構組成，各級單元之間通過光纖和網線連接，由于數字化設備本身會產生一定的時延，光纖傳輸介質也具有一定的時延特性，通常1 km約5 μs的時延。所以從基帶單元到每個數字射頻單元之間的時延都不相同，在多個數字射頻單元覆蓋的區域相當于形成多徑干擾信號。

要解決空口上時延不對齊問題，首先要測量每個數字射頻單元到基帶單元之間的時延，然后，根據基準時延進行對齊，補償其中的傳輸時延差。

基準時延設計方法有兩種：（1）最大時延值法：取主基帶單元到數字射頻單元的時延值最大的值；（2）固定時延值法：設置一個固定時延值Tdelay，該值要大于主基帶單元到數字射頻單元最大的時延值。

2.2 頻率同步技術

該系統由多個數字射頻單元組成，各單元之間信號存在重疊覆蓋情況，如果每個單元的信號頻率沒有與基準頻率進行同步，相互之間形成的頻偏會導致干擾，輕者影響手機終端業務性能，頻偏更大情況下，甚至導致業務中斷。

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，本系統根據應用場景可適合于Local Area BS。

表1 各種蜂窩基站頻率穩定性要求

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）

當前頻率同步有GPS，IEEE1588，空口偵聽等方式，如果對于每一個數字射頻單元都進行單獨同步，無論采取哪種方式，成本都會非常高，而且工程部署困難，不易于大規模部署應用。本系統采用“單級源輸入+3級線路分發提取”的解決方案。該方法不僅保證了3GPP的同步要求，而且成本低、部署簡單，具有很強的實用參考價值。

首先，基帶單元通過GPS或IEEE1588方式，獲取時鐘頻率基準源；其次，擴展單元通過光纖線路從基帶單元提取頻率同步信息，并注入下一級的傳輸線上；最后，多模數字射頻單元通過光纖或同步以太網提取頻率同步信息，用于射頻信號的參考基準源。

2.3 同小區技術

在多個射頻單元覆蓋區域內，如果每個覆蓋區不屬于同一個蜂窩小區，手機終端頻繁重選切換，不僅影響用戶體驗，而且給核心網產生過多的信令交互負荷。

為解決上述問題，多個覆蓋射頻單元要同屬一個蜂窩小區，使得手機終端在連續覆蓋區域內不會發生切換，具體實現方法如下。

下行信號：擴展單元收到基帶單元的數據后，以廣播形式發到其下面的每個多模數字射頻單元和其下一級擴展單元，確保手機終端收在移動過程中收到同樣的下行信號。

上行信號：擴展單元把本級每個多模數字射頻單元的基帶數據分別進行IQ疊加，I= ， Q=，然后再發到上一級擴展單元，上一級擴展單元不僅要把其下的每個多模數字射頻單元IQ數據進行疊加，還要和下一級的IQ基帶數據再疊加，以此類推。

通過對多路基帶數據進行廣播分發、疊加處理，實現在多個收發覆蓋區域內移動始終為一個蜂窩小區，避免多蜂窩小區的頻繁重選切換和系統內干擾，改善用戶體驗和網絡性能指標。

2.4 數據傳輸壓縮技術

在本系統中，無論是光纖還是網線，傳輸的都是IQ基帶數據，以1個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×載波數=30.72×16×2×2×1=1 966.08 Mbps，如果需要傳輸多個載波或多個制式信號，需要的光纖硬件成本會非常高昂，普通網線無法承載高帶寬數據傳輸。

上述公式中，由于IQ通道、天線數、載波數是剛性需求，無法進行壓縮，否則容量和性能就達不到系統設計要求。為此，數據壓縮重點在于基帶采樣率和bit位寬。其中20 M信號對應的基帶采樣率30.72，實際LTE信號有效帶寬只有18 MHz，所以用20.48 Msps采樣率不會引起信號損傷。對于室內移動覆蓋，通常60 dB信號動態即可滿足手機終端移動應用，其對應位寬為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

回傳包括前傳和系統回傳，前傳是多模數字射頻單元到擴展單元的傳輸，系統回傳是基帶單元到核心網的傳輸。單線回傳多模技術是指在一根傳輸線上，同時傳輸多個通信制式信號的技術。

前傳通常用光纖或網線進行傳輸，當用光纖傳輸時，可利用通用公共無線電接口（Common Public Radio Interface，CPRI）幀協議，在CPRI凈荷空間內存放不同制式的IQ數據。當用網線傳輸時，傳統的以太網幀協議不適合傳輸IQ數據，需要重新定義以太網幀，能滿足多個通信制式IQ數據同時傳輸。

系統回傳的數據不是IQ數據，是經過基帶單元解調解碼完后的IP數據，如果要實現一個網線傳輸多個制式的IP回傳數據，可以通過以下方法實現。

單IP方式：主基帶單元對外只有一個網口和一個外部IP，并為其他基帶單元分配內部局域網IP1，IP2，IP3等內部地址，各基帶單元回傳數據通過網絡地址轉換（Network Address Translation，NAT）后，統一從系統回傳口發送數據。反之，從外部接收到的網絡數據，通過PORT端口號區別，分別發給不同的基帶單元。

多IP方式：主基帶單元對外只有一個物理網口，但有多個對外IP。這些對外IP為每個基帶單元獨立獲取的傳輸IP，主基帶單元實現匯聚交換功能，使得各基帶單元共享一個物理回傳端口。

3 結語

本文給出了多模分布式數字通信系統架構和組成，重點闡述了該系統下需要解決的時延對齊、時鐘頻率同步、同小區、數據壓縮、單線回傳多模通信關鍵重點技術問題，并相應提出了解決方法，對于分布式多模數字通信系統產品設計、技術規劃和網絡部署有重要的參考和指導意義。