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5G自激對(duì)消直放站系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

2021-09-13 10:04:23劉志敏
無線互聯(lián)科技 2021年10期
關(guān)鍵詞:直放站隔離度

摘 要:5G無線直放站接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)同頻。當(dāng)接收端和發(fā)射端之間的增益大于隔離度時(shí),系統(tǒng)就會(huì)自激。此時(shí),不僅直放站覆蓋區(qū)域通信異常,而且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都會(huì)受到干擾。5G自激對(duì)消直放站能夠消除因隔離度不足而產(chǎn)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(tǒng)增益可以設(shè)置得更高,從而增加了直放站的覆蓋功率和覆蓋范圍。

關(guān)鍵詞:直放站;自激;隔離度

0? ? 引言

隨著移動(dòng)通信的高速發(fā)展,各行業(yè)對(duì)移動(dòng)通信的要求越來越高。物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)將萬物互聯(lián),這些被連接的終端需要通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信。如水表和電表等終端,需要定期將相關(guān)數(shù)據(jù)通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄I(yè)服務(wù)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(nèi)部,直接使用5G基站進(jìn)行廣覆蓋,必定會(huì)存在一些區(qū)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(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的手段,具備成本低、建站快、安裝簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明,無線直放站接收端和發(fā)射端隔離度大于或者等于系統(tǒng)增益15 dB,系統(tǒng)自激信號(hào)干擾對(duì)EVM的影響才可以忽略。實(shí)際工程中為了避免系統(tǒng)自激,往往需要限制收發(fā)天線的方向、距離等參數(shù),擴(kuò)大收發(fā)天線隔離或者適當(dāng)降低系統(tǒng)增益。為了進(jìn)一步擴(kuò)大無線直放站的應(yīng)用,本文提出了一種5G自激對(duì)消直放站系統(tǒng),該系統(tǒng)有效地抑制了由于收發(fā)隔離度不夠?qū)е碌南到y(tǒng)自激,放寬了無線直放站對(duì)隔離度的要求,在相同的隔離度下,系統(tǒng)增益可以進(jìn)一步提高、覆蓋范圍可以進(jìn)一步加大。

1? ? 理論推導(dǎo)

自激對(duì)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(duì)消的原理。主信號(hào)通道的下行輸入信號(hào)? ? ? d(n)不僅包含需要放大的有用信號(hào)s(n),還包含有害的自激信號(hào)x0(n)。x0(n)是MT(用戶天線)端輸出的下行信號(hào)經(jīng)延遲和衰減后進(jìn)入DT(施主天線)端接端的,如圖1所示。當(dāng)隔離度較小時(shí),x0(n)相對(duì)于s(n)而言不可忽略。

參考通道的用于檢測(cè)和提取信號(hào)x(n)。由于傳輸通道非線性,參考通道檢測(cè)到的x(n)與DT端接收的自激信號(hào)? ?x0(n)不完全一致,但它們是同源的,所以兩者具有相關(guān)性。x(n)信號(hào)通過自適應(yīng)濾波器進(jìn)行加權(quán)濾波后輸出參考信號(hào)y(n),y(n)在某一最佳準(zhǔn)則下(如最小均方準(zhǔn)則)最接近x0(n)。然后通過求和器將x0(n)和y(n)進(jìn)行相減運(yùn)算,就可以將DT端接收的信號(hào)中的x0(n)對(duì)消掉。

系統(tǒng)對(duì)于基準(zhǔn)輸入的調(diào)整是在剩余信號(hào)(即誤差信號(hào))的控制下,依據(jù)某一準(zhǔn)則來進(jìn)行的。由自激對(duì)消處理的基本原理可得誤差信號(hào)ε(n)為:

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

顯然,誤差信號(hào)的均方誤差是權(quán)系數(shù)矢量W的二次函數(shù),可利用梯度法計(jì)算出誤差信號(hào)的極值。將式(5)對(duì)W求導(dǎo)數(shù),導(dǎo)數(shù)為零時(shí)得到誤差信號(hào)的極值。因此,誤差信號(hào)均方達(dá)到最小值時(shí)的權(quán)矢量為:

Wopt=R-1XXRXd(6)

利用上式求最佳權(quán)矢量需要知道RXd和RXd的先驗(yàn)知識(shí),還需要矩陣求逆運(yùn)算。實(shí)際中這些先驗(yàn)知識(shí)都是未知的,而且矩陣求逆運(yùn)算也相當(dāng)麻煩,因此,人們經(jīng)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(quán)矢量。

2? ? 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和工程驗(yàn)證

5G自激對(duì)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(tǒng)、上行低噪聲放大器系統(tǒng)、下變頻系統(tǒng)、上行數(shù)字處理系統(tǒng)、上變頻系統(tǒng)、功放系統(tǒng)和DT端雙工器系統(tǒng)。下行通路包括:DT端天線、雙工器系統(tǒng)、下行低噪聲放大器系統(tǒng)、下變頻系統(tǒng)、下行數(shù)字處理系統(tǒng)、上變頻系統(tǒng)、功放系統(tǒng)和MT端雙工器系統(tǒng)。數(shù)字處理系統(tǒng)采用自適應(yīng)濾波技術(shù),完成上下行的自激對(duì)消功能。

為了驗(yàn)證產(chǎn)品的自激對(duì)消效果,對(duì)普通直放站和5G自激對(duì)消直放站進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。選取一個(gè)隧道作為試驗(yàn)場(chǎng)景,隧道長(zhǎng)約1.2 km。系統(tǒng)DT(施主天線)選取一個(gè)定向板狀天線A作為信源的引入。MT(用戶天線)端接一個(gè)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(cè)墻上,離高速移動(dòng)車輛水平距離約2.5 m。

調(diào)整天線B,使天線B和天線A的隔離度為95 dB。調(diào)整普通直放站,使系統(tǒng)上下行增益均為80 dB。此時(shí),天線之間隔離度大于系統(tǒng)增益15 dB,系統(tǒng)能夠正常工作。使用EPC對(duì)天線B的覆蓋區(qū)域進(jìn)行速率測(cè)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(duì)消直放站,調(diào)整天線B,使天線B和天線A的隔離度為70 dB,設(shè)置自激對(duì)消直放站系統(tǒng)上下行增益均為80 dB。此時(shí),天線之間隔離度比系統(tǒng)增益小10 dB。如果沒有自激對(duì)消功能,系統(tǒng)將不能正常工作。開啟自激對(duì)消直放站,使用EPC對(duì)天線B的覆蓋區(qū)域進(jìn)行速率測(cè)試,上行速率為16.892 kbps,下行速率為24.126 kbps。

以上實(shí)驗(yàn)表明,在施主天線和用戶天線最小隔離度大于系統(tǒng)增益減10 dB,5G自激對(duì)消直放站可以正常工作。其速率略好或者相當(dāng)于普通直放站工作在隔離度大于增益15 dB時(shí)的效果。

對(duì)于普通的直放站,施主天線和用戶天線需要相隔很遠(yuǎn)或需要增加其他物體進(jìn)行阻擋。由于工程安裝條件的限制,大大限制了直放站應(yīng)用。5G自激對(duì)消直放站可以在隔離度比普通直放站小25 dB的情況下進(jìn)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(gè)抱桿上,只要垂直距離大于1 m,兩個(gè)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(duì)消直放站的安裝要求。不但降低了安裝的場(chǎng)地要求,而且節(jié)約了抱桿等安裝配件和抱桿的安裝時(shí)間[3]。

對(duì)于有些實(shí)際工程場(chǎng)景,由于安裝位置限制,施主天線和用戶天線相距不能太遠(yuǎn)。如果下行接收到的信號(hào)較弱,需要較大增益才能將信號(hào)放大到滿足覆蓋區(qū)域的要求。這種場(chǎng)景,往往由于增益不能開高,導(dǎo)致覆蓋信號(hào)很低,覆蓋距離很近。如果使用5G自激對(duì)消直放站,能夠?qū)⒃鲆骈_得更高,使得覆蓋距離進(jìn)一步延長(zhǎng),確保覆蓋區(qū)域的信號(hào)質(zhì)量。

對(duì)于應(yīng)急通信,由于安裝時(shí)間要求很短,要求覆蓋距離盡可能遠(yuǎn),而安裝空間可能僅僅只限于應(yīng)急通信車。為了達(dá)到以上苛刻的要求,需要使用自激對(duì)消直放站。

3? ? 結(jié)語

該5G自激對(duì)消直放站系統(tǒng)利用了自適應(yīng)濾波技術(shù),通過對(duì)比耦合采樣輸出信號(hào)、采樣信號(hào)和系統(tǒng)自激信號(hào)特征,消除自激信號(hào),有效地降低了自激情況下的自激信號(hào)強(qiáng)度。在隔離度比增益小10 dB的強(qiáng)自激條件下,也能有效消除自激信號(hào),確保信號(hào)通信質(zhì)量,長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。降低了5G直放站系統(tǒng)對(duì)于工作條件和安裝條件的要求,擴(kuò)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(tǒng)抗自激的能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉志敏,葉祖銓,阮連順.無線通信網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化裝置及無線通信系統(tǒng):201120089157.8[P].2011-3-30.

[2]趙建平,劉志敏,秦???GSM數(shù)字無線直放站及其上行載波時(shí)隙關(guān)斷方法:200810027021.7[P].2008-3-25.

[3]鄭寶玉.自適應(yīng)濾波器原理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

(編輯 姚 鑫)

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