印 鋒，黃 濤

(武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074)

隨著智能終端的普及、云端數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的日益多樣化，終端用戶對(duì)新業(yè)務(wù)的依賴日益加深，必將帶來(lái)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長(zhǎng)，這對(duì)“云管端”一體化戰(zhàn)略中的管道提出了更高要求。室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)作為管道的重要分支，目前承載了總業(yè)務(wù)量的70%，未來(lái)將達(dá)到90%。室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)建設(shè)的重要性越來(lái)越突出，本文從RTTH-HG(Radio To The Home-Home Gateway)綜合寬帶入戶系統(tǒng)的問(wèn)題出發(fā)，提出具有應(yīng)用價(jià)值的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 研究背景

RTTH-HG作為室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的新形態(tài)產(chǎn)品，能夠充分利用運(yùn)營(yíng)商的駐地網(wǎng)資源，利用現(xiàn)有的入戶網(wǎng)線資源，終端靈活放置不受供電限制，在提供以太網(wǎng)信號(hào)的同時(shí)提供移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，解決室內(nèi)弱覆蓋問(wèn)題。在樣機(jī)調(diào)測(cè)階段，發(fā)現(xiàn)RTTH-HG傳輸寬帶信號(hào)時(shí)造成無(wú)線信號(hào)的指標(biāo)惡化。

1.1 RTTH-HG綜合寬帶入戶系統(tǒng)特點(diǎn)

RTTH-HG系統(tǒng)原理如圖1所示。

將以太網(wǎng)的寬帶信號(hào)與無(wú)線信號(hào)(GSM/CDMA/WCDMA)融合，借助1根網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)入戶進(jìn)行室內(nèi)覆蓋，1套系統(tǒng)包括1個(gè)近端單元和最多16個(gè)遠(yuǎn)端單元。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

近端單元完成寬帶與無(wú)線信號(hào)的合路:通過(guò)射頻同軸電纜與蜂窩基站相連，收發(fā)無(wú)線信號(hào);通過(guò)網(wǎng)線與光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit，ONU)相連，收發(fā)寬帶信號(hào)。遠(yuǎn)端單元完成寬帶與射頻信號(hào)的分離:通過(guò)微帶天線實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)傳輸;通過(guò)網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)傳輸。

RTTH-HG系統(tǒng)的亮點(diǎn)在于近端單元和遠(yuǎn)端單元之間的所有通信，使用常規(guī)網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)線(五類線、超五類線)由4對(duì)雙絞線進(jìn)行組成，其中第一對(duì)和第二對(duì)傳輸以太網(wǎng)信號(hào)，第三對(duì)和第四對(duì)雙絞線傳輸無(wú)線信號(hào)。遠(yuǎn)端單元使用以太網(wǎng)供電(Power Over Ethernet，POE)方案，具體由第一對(duì)雙絞線完成以太網(wǎng)信號(hào)下行鏈路信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，完成遠(yuǎn)端單元供電的正極電源傳送;第二對(duì)雙絞線完成以太網(wǎng)信號(hào)上行鏈路信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，完成遠(yuǎn)端單元供電的負(fù)極電源傳送。

1.2 網(wǎng)線射頻特性分析

網(wǎng)線與射頻同軸電纜相比，屏蔽效果稍差、線路損耗偏大。

選取30 m和100 m的網(wǎng)線各5根，使用信號(hào)源與頻譜分析儀測(cè)試不同頻率下無(wú)線信號(hào)的插損，5根網(wǎng)線在100 MHz～4 GHz頻段內(nèi)插入損耗的平均如圖2和圖3所示，提供系統(tǒng)鏈路預(yù)算分析用。

2 RTTH-HG科研樣機(jī)調(diào)測(cè)問(wèn)題描述

進(jìn)行RTTH-HG科研樣機(jī)調(diào)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，傳輸寬帶信號(hào)時(shí)無(wú)線信號(hào)的射頻指標(biāo)出現(xiàn)惡化。

2.1 EVM指標(biāo)惡化

矢量幅度誤差(Error Vector Magnitude，EVM)，定義為參考信號(hào)(物理層規(guī)范等式中定義的信號(hào))和實(shí)際傳輸信號(hào)(目標(biāo)信號(hào)幅度歸一化)之間差異的幅度［1］。近端單元和遠(yuǎn)端單元使用30 m網(wǎng)線連接時(shí)由4%惡化到15%;近端單元和遠(yuǎn)端單元使用100 m網(wǎng)線連接時(shí)由5%惡化到20%。

2.2 NF指標(biāo)惡化

噪聲系數(shù)(Noise Figure，NF)定義為輸入端的信噪比與輸出端的信噪比之比［2］。近端單元和遠(yuǎn)端單元使用30 m網(wǎng)線連接時(shí)由7 dB惡化到9.5 dB;近端單元和遠(yuǎn)端單元使用100 m網(wǎng)線連接時(shí)由11 dB惡化到24.5 dB。

2.3 雜散指標(biāo)惡化

下行鏈路的帶內(nèi)雜散由-36 dBm惡化到-18 dBm。

3 RTTH-HG問(wèn)題根因分析

RTTH-HG系統(tǒng)各信號(hào)在網(wǎng)線中的傳輸方式:第一對(duì)雙絞線(1橙白芯、2橙芯)和第二對(duì)雙絞線(3綠白芯、6綠芯)傳輸寬帶信號(hào)以及+48 V直流信號(hào);第三對(duì)雙絞線(4藍(lán)芯、5藍(lán)白芯)傳輸下行中頻信號(hào)、時(shí)鐘參考信號(hào);第四對(duì)雙絞線(7棕白芯、8棕芯)傳輸上行中頻信號(hào)。網(wǎng)線中有寬帶信號(hào)傳輸時(shí)，射頻指標(biāo)惡化，初步分析為寬帶信號(hào)對(duì)無(wú)線信號(hào)的干擾。從證實(shí)的角度來(lái)看，利用Agilent E4445A頻譜儀導(dǎo)出的數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 寬帶信號(hào)的高頻串?dāng)_圖

3.1 EVM問(wèn)題

觀察圖4可以看到400 MHz以下每隔30.4 kHz都有寬帶信號(hào)的高頻分量，這些高頻分量形成的串?dāng)_從1，2，3，6芯寬帶鏈路耦合到4，5，7，8芯的射頻鏈路上，形成干擾。這些干擾信號(hào)的最大值出現(xiàn)在12.809 MHz處，與遠(yuǎn)端單元的本振信號(hào)12.8 MHz間隔只有8.9 kHz，正是這一雜散信號(hào)對(duì)本振信號(hào)形成干擾，進(jìn)而導(dǎo)致EVM指標(biāo)惡化。

3.2 NF問(wèn)題

NF測(cè)試常用的方法有三種:增益法、Y參數(shù)法、噪聲測(cè)試儀［3］。對(duì)于RTTH-HG這種低噪聲、窄帶系統(tǒng)采用第三種方法進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)采用第一種進(jìn)行理論分析。

經(jīng)典背景噪聲公式為

式中:Pout為單位帶寬內(nèi)背景噪聲功率;Gain為系統(tǒng)增益;-174 dBm/Hz為參考溫度T=290 K時(shí)環(huán)境噪聲的功率譜密度;BW為頻率帶寬;Gain為系統(tǒng)增益;NF為系統(tǒng)噪聲系數(shù)。

1)對(duì)于近端單元與遠(yuǎn)端單元采用30 m網(wǎng)線時(shí)的上行鏈路預(yù)算如下:

上行端口單載波背景噪聲功率=(-174+53(BW=200 kHz)+40(系統(tǒng)上行增益)+7(噪聲系數(shù)))dBm=-74 dBm;

上行端口單載波干擾功率=(-66(上行最大串?dāng)_功率)-5(近端單元上行增益))dBm=-71 dBm。

2)對(duì)于近端單元與遠(yuǎn)端單元采用100 m網(wǎng)線時(shí)的上行鏈路預(yù)算如下:

上行端口單載波背景噪聲功率=(-174+53(BW=200 kHz)+24(系統(tǒng)上行增益)+11(噪聲系數(shù)))dBm=-86 dBm;

上行端口單載波干擾功率=(-66(上行最大串?dāng)_功率)-5(近端單元上行增益))dBm=-71 dBm。

通過(guò)上述計(jì)算得出，上行串?dāng)_功率干擾上行底噪，從而導(dǎo)致噪聲系數(shù)惡化抬升。

3.3 帶內(nèi)雜散問(wèn)題

雜散是指必要帶寬之外的頻率發(fā)射，包含諧波發(fā)射、寄生發(fā)射、互調(diào)產(chǎn)物及變頻產(chǎn)物，當(dāng)這種干擾信號(hào)電平偏大會(huì)導(dǎo)致其接收機(jī)的接收靈敏度下降，從而引起被干擾系統(tǒng)無(wú)法正常工作。首先分析RTTH-HG的近端單元的變頻模塊原理框圖，如圖5所示，近端單元變頻模塊分為上行鏈路和下行鏈路兩個(gè)部分。

圖5 近端單元變頻模塊原理框圖

下行鏈路完成的功能:從信源設(shè)備耦合的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)雙工器濾波，由固定衰減器衰減到合適功率以便進(jìn)入混頻器的線性工作區(qū)間，再下變頻到中頻信號(hào)后經(jīng)由低通濾波器進(jìn)入放大器放大，放大后的信號(hào)與參考信號(hào)合路，經(jīng)過(guò)巴侖(BALUN)進(jìn)行單端到雙端的匹配轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)網(wǎng)線傳輸?shù)竭h(yuǎn)端單元。上行鏈路主要完成下行鏈路的逆轉(zhuǎn)換功能。出現(xiàn)惡化的指標(biāo)為下行鏈路帶內(nèi)雜散，下行無(wú)線信號(hào)在混頻前與寬帶信號(hào)是完全隔離的，只有中頻信號(hào)與寬帶信號(hào)存在共存干擾，具體計(jì)算如下:

下行端口單載波背景噪聲功率=(-174+50(BW=100 kHz)+40(系統(tǒng)上行增益)+45(噪聲系數(shù)))dBm=-39 dBm;

下行端口單載波干擾功率=(-74(下行最大串?dāng)_功率)+55(遠(yuǎn)端單元下行增益))dBm=-19 dBm。

通過(guò)上述計(jì)算得出，下行串?dāng)_功率已經(jīng)干擾下行底噪，從而導(dǎo)致下行帶內(nèi)雜散抬升。

4 解決方案

4.1 EVM惡化解決方案

4.1.1 增加外掛設(shè)備

使用同軸探頭截取信號(hào)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)線串?dāng)_在網(wǎng)線接頭位置最大。當(dāng)將網(wǎng)線接頭分開(kāi)測(cè)試(1，2，3和6芯一個(gè)接頭，4，5，7和8芯一個(gè)接頭)發(fā)現(xiàn)串?dāng)_值減小10～20 dB。因而通過(guò)外接設(shè)備，將網(wǎng)線頭分開(kāi)，可以減小串?dāng)_值。該方案在安裝時(shí)將網(wǎng)線撥開(kāi)，在近端單元和遠(yuǎn)端單元各增加一個(gè)水晶頭接口。驗(yàn)證這種方案下近端單元和遠(yuǎn)端單元使用100 m網(wǎng)線連接時(shí)EVM指標(biāo)為9%，相比20%有所改善。

4.1.2 對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行濾波

由于參考信號(hào)的邊緣較大、雜散，導(dǎo)致本振信號(hào)惡化。采用遠(yuǎn)端單元增加晶體濾波器進(jìn)行參考信號(hào)濾波，近端單盤(pán)增強(qiáng)參考信號(hào)功率以便補(bǔ)償晶體濾波器引入的4 dB損耗。驗(yàn)證這種方案下近端單元和遠(yuǎn)端單元使用100 m網(wǎng)線連接時(shí)EVM指標(biāo)為6%，與20%相比有顯著改善。

4.2 NF問(wèn)題和下行帶內(nèi)雜散解決方案

由圖4可知，串?dāng)_呈現(xiàn)間隔分布。通過(guò)修改中頻頻率，將中頻設(shè)置在串?dāng)_較低的頻段進(jìn)行解決。不同頻率無(wú)線信號(hào)對(duì)應(yīng)不同插損，需要通過(guò)調(diào)節(jié)ATT預(yù)衰值、合理調(diào)整放大器的增益。表1為修改中頻頻率前后，寬帶信號(hào)對(duì)中頻信號(hào)的串?dāng)_數(shù)據(jù)(結(jié)合背景噪聲公式、網(wǎng)線傳輸不同頻率無(wú)線信號(hào)的插損值得出)。

對(duì)于GSM制式，更改中頻后下行串?dāng)_為-37 dBm，比修改前的-18 dBm改善了19 dBm;上行網(wǎng)線串?dāng)_由-66 dBm改善到-95 dBm;

對(duì)于WCDMA制式，更改中頻后下行網(wǎng)線串?dāng)_為-45 dBm，比修改前的-23 dBm改善了22 dBm;上行網(wǎng)線串?dāng)_由-62 dBm改善到-90 dBm;

對(duì)于CDMA制式，更改中頻后下行串?dāng)_為-37 dBm，比修改前的-9 dBm改善了28 dBm;上行網(wǎng)線串?dāng)_由-68 dBm改善到-95 dBm。

5 工程試點(diǎn)驗(yàn)證

在屏蔽室驗(yàn)證RTTH-HG不同配置情況覆蓋時(shí)語(yǔ)音業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量，與蜂窩基站直接覆蓋的數(shù)據(jù)對(duì)比。如表2所示，其中RXQUAL值反映話音質(zhì)量的好壞，對(duì)應(yīng)于信號(hào)誤碼率，RXQUAL=1，誤碼率為0.2%～0.4%;RXQUAL=2，誤碼率0.4%～0.8%;RXQUAL=3，誤碼率為0.8%～1.6%;RXQUAL=4，誤碼率為1.6%～3.2%;RXQUAL=5，誤碼率為3.2%～6.4%［4］。

表1 修改中頻頻率前后串?dāng)_數(shù)據(jù)對(duì)比表

表2 RTTH-HG不同配置下覆蓋效果數(shù)據(jù)

結(jié)論:在100 m網(wǎng)線傳輸10 Mbit/s的寬帶數(shù)據(jù)時(shí)，RTTH-HG增加外掛設(shè)備或增加晶體濾波測(cè)試時(shí)通話質(zhì)量無(wú)惡化，RXQUAL滿足室內(nèi)覆蓋通話質(zhì)量要求，比修改前改善顯著;數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率由原來(lái)的27.1 kbit/s提升到30.4 kbit/s和31.2 kbit/s，有效縮小與蜂窩基站覆蓋時(shí)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)33.8 kbit/s的速率差距;增加晶體濾波器方案更優(yōu)于增加外掛設(shè)備。

6 小結(jié)

本文從RTTH-HG綜合寬帶入戶系統(tǒng)原理出發(fā)，針對(duì)研發(fā)樣機(jī)的寬帶信號(hào)與射頻信號(hào)干擾問(wèn)題進(jìn)行分析。理論計(jì)算分析得出問(wèn)題解決方案，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)室摸底測(cè)試以及外場(chǎng)工程試點(diǎn)測(cè)試，證明了該修改方案的正確性。然后推廣到不同制式產(chǎn)品。RTTH-HG具有節(jié)省運(yùn)營(yíng)商建網(wǎng)成本、開(kāi)通便捷、維護(hù)簡(jiǎn)單、根據(jù)用戶需求靈活配置、無(wú)須物業(yè)協(xié)調(diào)等優(yōu)勢(shì)，能輕松入戶解決室內(nèi)弱覆蓋問(wèn)題。

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