多模分布式数字通信系统及其关键技术研究

周进青

摘 要：文章首先概述了多模分布式数字通信系统的原理和框架，介绍了相比传统室内移动通信覆盖系统的优势，而后重点介绍了多模分布式数字通信系统需要解决的关键技术点，并提供技术解决方案，为系统设计提供参考。

关键词：分布式通信系统；多模；同步；数据压缩；同小区；单线回传

当前移动通信5G开始崭露头角，4G正如火如荼地建设着，2G，3G继续承担语音业务重任，移动蜂窝通信呈现多制式并存局面。各运营商普遍存在两种以上的通信网络，网络建设和维护成本高。同时无线数据流量飞速增长，传统室内移动通信覆盖系统存在容量不足、性能差、不支持演进、运维效率低等诸多弊端，难以应对新时期通信需求的挑战。

分布式多模数字通信系统具备多网融合、数字化、IP化等特征，作为新一代室分系统目前已经逐渐成为通信行业的共识，开始取代传统室分系统。分布式数字通信系统技术门槛较高，要取得优异性能，需要在相关技术上取得突破。

1 多模分布式数字通信系统

多模分布式数字通信系统作为一种新型室内分布式蜂窝系统，采用3级架构，分别由基带单元、扩展单元和多模数字射频单元组成。其中基带单元主要完成物理层、无线资源管理、移动性管理和系统操作维护等功能，扩展单元主要完成信号分发和叠加，延伸覆盖距离功能，多模数字射频单元主要完成多制式信号收发机和数字化功能。

如图1所示，基带单元包含各制式通信基带模块，电信运营商可根据制式需求进行灵活组合，配置不同制式的基带单元模块，其中支持系统回传口的基带单元定义为主基带单元，基带单元都支持IP回传。扩展单元之间通过光纤可级联M级，每个扩展单元可接入N个多模数字射频单元。相比单点微蜂窝小基站，从单一天线演变成M×N个天线头的分布式基站，不仅扩大了覆盖距离，而且其灵活的组网方式更适合于各种室内复杂场景应用。实现网络建设、优化、运维责任主体统一，提供一站式整体交钥匙解决方案，网络建设效率高；多种通信网络一次建成，避免重复建设、极大节省建设成本。同时，本通信系统支持端到端可视化管理、可扩容，可演进，节省运维投入，保护投资。

2 关键技术解决

2.1 时延对齐技术

如前文所示，分布式多模数字通信系统由3级架构组成，各级单元之间通过光纤和网线连接，由于数字化设备本身会产生一定的时延，光纤传输介质也具有一定的时延特性，通常1 km约5 μs的时延。所以从基带单元到每个数字射频单元之间的时延都不相同，在多个数字射频单元覆盖的区域相当于形成多径干扰信号。

要解决空口上时延不对齐问题，首先要测量每个数字射频单元到基带单元之间的时延，然后，根据基准时延进行对齐，补偿其中的传输时延差。

基准时延设计方法有两种：（1）最大时延值法：取主基带单元到数字射频单元的时延值最大的值；（2）固定时延值法：设置一个固定时延值Tdelay，该值要大于主基带单元到数字射频单元最大的时延值。

2.2 频率同步技术

该系统由多个数字射频单元组成，各單元之间信号存在重叠覆盖情况，如果每个单元的信号频率没有与基准频率进行同步，相互之间形成的频偏会导致干扰，轻者影响手机终端业务性能，频偏更大情况下，甚至导致业务中断。

为保证基站性能，3GPP定义了各种基站下的频率同步的要求，如表1所示，本系统根据应用场景可适合于Local Area BS。

表1 各种蜂窝基站频率稳定性要求

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）

当前频率同步有GPS，IEEE1588，空口侦听等方式，如果对于每一个数字射频单元都进行单独同步，无论采取哪种方式，成本都会非常高，而且工程部署困难，不易于大规模部署应用。本系统采用“单级源输入+3级线路分发提取”的解决方案。该方法不仅保证了3GPP的同步要求，而且成本低、部署简单，具有很强的实用参考价值。

首先，基带单元通过GPS或IEEE1588方式，获取时钟频率基准源；其次，扩展单元通过光纤线路从基带单元提取频率同步信息，并注入下一级的传输线上；最后，多模数字射频单元通过光纤或同步以太网提取频率同步信息，用于射频信号的参考基准源。

2.3 同小区技术

在多个射频单元覆盖区域内，如果每个覆盖区不属于同一个蜂窝小区，手机终端频繁重选切换，不仅影响用户体验，而且给核心网产生过多的信令交互负荷。

为解决上述问题，多个覆盖射频单元要同属一个蜂窝小区，使得手机终端在连续覆盖区域内不会发生切换，具体实现方法如下。

下行信号：扩展单元收到基带单元的数据后，以广播形式发到其下面的每个多模数字射频单元和其下一级扩展单元，确保手机终端收在移动过程中收到同样的下行信号。

上行信号：扩展单元把本级每个多模数字射频单元的基带数据分别进行IQ叠加，I= ， Q=，然后再发到上一级扩展单元，上一级扩展单元不仅要把其下的每个多模数字射频单元IQ数据进行叠加，还要和下一级的IQ基带数据再叠加，以此类推。

通过对多路基带数据进行广播分发、叠加处理，实现在多个收发覆盖区域内移动始终为一个蜂窝小区，避免多蜂窝小区的频繁重选切换和系统内干扰，改善用户体验和网络性能指标。

2.4 数据传输压缩技术

在本系统中，无论是光纤还是网线，传输的都是IQ基带数据，以1个20 M的LTE双天线传输为例，传输带宽=基带采样率×bit位宽×IQ通道×天线数×载波数=30.72×16×2×2×1=1 966.08 Mbps，如果需要传输多个载波或多个制式信号，需要的光纤硬件成本会非常高昂，普通网线无法承载高带宽数据传输。

上述公式中，由于IQ通道、天线数、载波数是刚性需求，无法进行压缩，否则容量和性能就达不到系统设计要求。为此，数据压缩重点在于基带采样率和bit位宽。其中20 M信号对应的基带采样率30.72，实际LTE信号有效带宽只有18 MHz，所以用20.48 Msps采样率不会引起信号损伤。对于室内移动覆盖，通常60 dB信号动态即可满足手机终端移动应用，其对应位宽为10 bit，所以bit位宽可由16 bit压缩到10 bit。压缩后的传输带宽=20.48×10×2×2×1=819.2 Mbps，相比压缩之前节省58%的传输带宽。其他通信制式压缩也参考上述原理。

2.5 单线回传多模技术

回传包括前传和系统回传，前传是多模数字射频单元到扩展单元的传输，系统回传是基带单元到核心网的传输。单线回传多模技术是指在一根传输线上，同时传输多个通信制式信号的技术。

前传通常用光纤或网线进行传输，当用光纤传输时，可利用通用公共无线电接口（Common Public Radio Interface，CPRI）帧协议，在CPRI净荷空间内存放不同制式的IQ数据。当用网线传输时，传统的以太网帧协议不适合传输IQ数据，需要重新定義以太网帧，能满足多个通信制式IQ数据同时传输。

系统回传的数据不是IQ数据，是经过基带单元解调解码完后的IP数据，如果要实现一个网线传输多个制式的IP回传数据，可以通过以下方法实现。

单IP方式：主基带单元对外只有一个网口和一个外部IP，并为其他基带单元分配内部局域网IP1，IP2，IP3等内部地址，各基带单元回传数据通过网络地址转换（Network Address Translation，NAT）后，统一从系统回传口发送数据。反之，从外部接收到的网络数据，通过PORT端口号区别，分别发给不同的基带单元。

多IP方式：主基带单元对外只有一个物理网口，但有多个对外IP。这些对外IP为每个基带单元独立获取的传输IP，主基带单元实现汇聚交换功能，使得各基带单元共享一个物理回传端口。

3 结语

本文给出了多模分布式数字通信系统架构和组成，重点阐述了该系统下需要解决的时延对齐、时钟频率同步、同小区、数据压缩、单线回传多模通信关键重点技术问题，并相应提出了解决方法，对于分布式多模数字通信系统产品设计、技术规划和网络部署有重要的参考和指导意义。