基于CWDM实现高速LTE无线信号覆盖的低成本室内分布系统组网架构设计与研究

李广

【摘要】 文章分析了目前2G、3G室内无线分布系统的优势和弊端，提出了基于粗波分复用（CWDM）技术实现高速LTE无线信号覆盖的低成本室内分布系统的组网架构，并给出了其组网架构的优势。

【关键词】 CWDM LTE 室内分布组网 高速无线通信 Radio over Fiber

Research of Low Cost Indoor Distribution Networking Architecture Realized High Speed LTE Radio Signal Covering which Based on CWDM Technology

Li Guang Guang Dong Institute of Science and Technology

Abstract：In the paper，we analysed the advantages and disadvantages of the current 2G and 3G mobile communication indoor distributed networking architecture，we proposed a low cost indoor LTE radio signal distribution networking architecture which based on CWDM technology，and we gave its advantages.

Key Words：CWDM，LTE，Indoor Distribution Networking，Super High Speed Radio Communication，Radio over Fiber

一、前言

当今移动通信技术的发展几乎以每5年发展一代、更新一代、预研一代[1]。随着移动通信技术的高速发展，无线通信频段逐渐提高，TD-LTE频段已经规划到了2690MHz，50GHz以上频段也在研究探讨当中。频段越高，波长越短，微波信号跨越障碍物的能力越弱，基站有效覆盖范围就会大大降低，只用室外基站来满足室内无线信号的覆盖，在如今的大都市已经是不可能的了[2]。

二、室内分布系统组网现状

移动通信技术发展到今天，无线信号室内分布技术大致经历了两个阶段，一是：2G通信时代直放机+无源馈电分布系统网络；二是：3G通信时代BBU+RRU+无源馈电分布系统网络。

2.1 直放机设备及其室内分布系统

直放机设备主要应用于室外基站不能覆盖的区域，如宾馆、酒店、地下停车场、隧道、电梯井、山区丘陵地带。较低的价格成本、简易的工程施工、安装、调测优势使得直放机在2G通信时代得到广泛应用，以至于移动信号100%全覆盖变成了现实。

2.2 BBU+RRU室内分布组网系统及其设备

在2G移动通信后期，通信器件成本逐渐降低，尤其是数字处理芯片FPGA、DSP的价格大幅度下降，数字光纤基带拉远（BBU+RRU）技术运用到了室内无线信号分布系统中。BBU+RRU+无源馈电分布系统克服了2G时代使用的直放站室内分布组网系统解决基站和直放站一体化监控困难的问题，并且解决了由于工程设计不当造成直放站上行信号干扰附近基站的问题。

2.3 BBU和RRU间数据传输带宽分析

第三代移动通信室内分布系统延续了2G后期BBU+RRU组网机构，其BBU和RRU间数据传输带宽要求比较高，尤其第四代移动通信——LTE。

第四代移动通信普遍采用多进多出（MIMO）技术，如果室内分布系统采用BBU+RRU+无源馈电分布系统组网，其BBU和RRU间数据传输带宽要求比较苛刻。在采用20M带宽的情况下采样速率为30.72Mbps，此时在2×2 MIMO情况下，BBU和RRU间数据传输带宽为：30.72Mbps（采样速率）×16（采样精度）×2（I/Q两路）×2（天线数）=1966.08Mbps；3扇区容量配置下，BBU和RRU间总数据传输带宽为：1966.08Mbps×3=5898.24Mbps。在采用4×4 MIMO的情况下，接口速率将加倍。对于如今的主流的2.5Gbps的数字SFP光模块来说已经显得力不从心。而且高速的数据传输，设备的传输时延要求极其苛刻，无线信号数字化光纤传输技术将面临更多的难题是待解决[3]。

三、低成本高速LTE室分系统组网架构设计

未来移动通信，其室内信号分布系统在满足通信质量、带宽传输要求的基础上，尽可能地降低其运营成本是一个发展方向。

基于此，文章提出了：基于CWDM实现高速LTE无线信号覆盖的低成本室内分布系统组网架构。

3.1 低成本高速LTE室内分布系统组网架构

该室内分布系统架构由近端主机、单纤光缆、远端机群及多个室内射频无源分配网络组成。

近端主机由：双工器、射频多路功分器、多个不同中心频段的一体化光调制解调收发模块、粗波分复用器；远端从机设备由：粗波分复用器、多个不同中心频段的一体化光调制解调收发模块、一体化射频功率放大模块组成。系统主机设备和从机机群设备由一根单模光纤光缆链接。室内分布系统组网架构如图1所示。

3.2 低成本高速LTE室内分布系统性能分析

3.2.1 链路计算

下行链路计算：进入光模块的基站射频信号强度要求：-10～2dBm（目前工程设计要求指标），FP激光器输出光功率4±1dBm，八端口粗波分复用器（CWDM）最大插入损耗为3dB，单模光纤及接头平均插损为0.35dB/km， PIN光电探测管接收范围为-10～7dBm，传输10公里计算光路链路预算冗余量为：

OPDowm=4dBm-3x2dB-0.35dB/km×10km-（-10dBm）

=4.5dBm

传输10公里，光路共计损耗为9.5dB，在远端接收处有4.5dBm的光路预算冗余量。在工程上，当光路损耗1dB时，其射频损耗为2dB，假设近端机的射频信号输入功率为-5dBm，则经远端机的光模块输出射频信号功率为：

RFPDown=-5dBm-9.5dB×2=-24dBm

经过远端功放模块（PA）65dB的增益放大，每个远端机就会有65dBm-24dB=41dBm功率输出，满足移动通信室内分布系统工程规范要求[5]。

上行链路计算：目前工程室内覆盖天线接收到手机信号强度一般在-70dBm以上，也就是说上行射频信号进入远端机中的低噪放模块（LAN）的射频信号强度为-70dB以上，经过增益为63dB的低噪声放大，进入远端光模块的射频信号为-7dBm（满足光模块射频信号输入-10～2dBm的功率要求），光路损耗通上行链路计算，即是光路损耗为-9.5dB，按照光路损耗1dB时，其射频损耗2dB的工程经验，近端机光模块的PIN光电探测端射频信号输出功率为：RFPUp=-7dBm-9.5dB×2=-26dBm

再经过射频八功分器（插损9.5dB）、射频双工器（插损0.5dB）和耦合馈线（大约有53dB衰减），则上行射频信号到基站接收端的功率P=-26dBm-9.5dB-0.5dB-53dB=

-90dBm。满足移动通信室内分布系统工程规范要求[5]。

3.2.2 器件分析

在工程上，基站上行噪声一般要求控制在-120dBm以下，上行噪声电平计算公式[4]：

NV=-174+NF+G+10LgRBW

=-174+4+50+10Lg（20000000）=-47（dBm）

噪声系数NF取值为4；上行增益G取值为50；RBW为LTE制式信号，取值为20MHz；

基站上行噪声要求控制在-120dBm以下，则基站到近端主机间的路间损耗=-47-（-120）=73dB。工程人员可通过衰减器来适当地增大这个路间损耗，进而为系统设备上行噪声留出更多的余量。

粗波分复用器：其信道间隔为20nm，技术成熟，器件成本较低，信道间隔带宽很宽，波间干扰问题几乎不存在，不会对射频上行噪声的叠加做贡献，其上行每路光载波解调后的射频信号中的上行噪声为-65dBm ～ -68dBm，符合移动通信室内分布系统工程规范要求[5]。

射频八路功分器：每路理论插损=-10Lg（1/8）=9dB（实际插损9.5 dB），每路信号强度为-65dBm，则八路射频信号通过功分器后的输出功率=-65-9.5+9.5=-65dBm，此说明多路射频通过功分器合路后的上行噪声与实际每路噪声电平几乎一样，没有造成上行噪声电平的叠加。

3.2.3 系统优势

（1）实现信号多路分配传输；（2）信号多路分配，其上行噪声不会对对基站产生干扰，可克服目前工程用机一拖多上行噪声干扰基站的问题；（3）只需一条主干传输光纤，其减少地下光纤光缆铺设，降低工程组网、施工成本；（4）不用数字基带处理，大大降低设备成本；（5）利用CWDM射频光纤传输技术（Radio over Fiber）实现高速大容量通信，突破数字光模块对调制速率、带宽限制瓶颈，具有很好的成本控制优势；（6）对于载波宽带较宽的LTE通信制式具有更明显的成本控制优势、高速率高带宽传输优势及大大降低时延优势。

四、结束语

未来移动通信，其更多的业务将会发生在室内，室内高速、高质量的信号覆盖是未来移动通信系统布网的重中之重。本文提出的基于CWDM实现高速LTE无线信号覆盖的低成本室内分布系统组网架构，其在解决未来移动通信室内信号分布组网研究方面会起到一定的探讨作用，但更多的设备技术细节问题还需要完善，设备组网后可能会遇到新的网络系统问题，需要进一步的网络优化。