5G自激对消直放站系统设计与实践

摘 要：5G无线直放站接收信号和发射信号同频。当接收端和发射端之间的增益大于隔离度时，系统就会自激。此时，不仅直放站覆盖区域通信异常，而且整个网络都会受到干扰。5G自激对消直放站能够消除因隔离度不足而产生的自激。一方面，降低了直放站工程安装的隔离度要求;另一方面，直放站系统增益可以设置得更高，从而增加了直放站的覆盖功率和覆盖范围。

关键词：直放站;自激;隔离度

0    引言

随着移动通信的高速发展，各行业对移动通信的要求越来越高。物联网行业将万物互联，这些被连接的终端需要通过移动网络通信。如水表和电表等终端，需要定期将相关数据通过移动网络传输到专业服务器。由于这些水表和电表分布比较广泛，而且一般都在建筑物内部，直接使用5G基站进行广覆盖，必定会存在一些区域因路劲损耗过大而不能有效连接。5G（NB-IoT）直放站可以作为辅助手段解决5G（NB-IoT）基站的广覆盖延伸问题。

笔者曾在专利[1-2]中描述了一种典型的直放站。该直放站作为有效的延伸网络信号覆盖的手段，具备成本低、建站快、安装简单、应用灵活等优点。实验室测试表明，无线直放站接收端和发射端隔离度大于或者等于系统增益15 dB，系统自激信号干扰对EVM的影响才可以忽略。实际工程中为了避免系统自激，往往需要限制收发天线的方向、距离等参数，扩大收发天线隔离或者适当降低系统增益。为了进一步扩大无线直放站的应用，本文提出了一种5G自激对消直放站系统，该系统有效地抑制了由于收发隔离度不够导致的系统自激，放宽了无线直放站对隔离度的要求，在相同的隔离度下，系统增益可以进一步提高、覆盖范围可以进一步加大。

1    理论推导

自激对消功能原理如图1所示。下面以5G直放站下行链路为例说明自激对消的原理。主信号通道的下行输入信号      d（n）不仅包含需要放大的有用信号s（n），还包含有害的自激信号x0（n）。x0（n）是MT（用户天线）端输出的下行信号经延迟和衰减后进入DT（施主天线）端接端的，如图1所示。当隔离度较小时，x0（n）相对于s（n）而言不可忽略。

参考通道的用于检测和提取信号x（n）。由于传输通道非线性，参考通道检测到的x（n）与DT端接收的自激信号   x0（n）不完全一致，但它们是同源的，所以两者具有相关性。x（n）信号通过自适应滤波器进行加权滤波后输出参考信号y（n），y（n）在某一最佳准则下（如最小均方准则）最接近x0（n）。然后通过求和器将x0（n）和y（n）进行相减运算，就可以将DT端接收的信号中的x0（n）对消掉。

系统对于基准输入的调整是在剩余信号（即误差信号）的控制下，依据某一准则来进行的。由自激对消处理的基本原理可得误差信号ε（n）为：

当x0（n）和y（n）等幅同相时，ε（n）=s（n）。由于存在误差，按照最小均方准则优化自适应滤波器系数，使误差信号的均方值为E{ε2（n）}最小。此时，在最小均方意义下，误差信号ε（n）最小，y（n）最接近主x0（n），误差信号ε（n）最接近有用信号s（n），干扰信号最接近被完全抵消。即：

显然，误差信号的均方误差是权系数矢量W的二次函数，可利用梯度法计算出误差信号的极值。将式（5）对W求导数，导数为零时得到误差信号的极值。因此，误差信号均方达到最小值时的权矢量为：

Wopt=R-1XXRXd（6）

利用上式求最佳权矢量需要知道RXd和RXd的先验知识，还需要矩阵求逆运算。实际中这些先验知識都是未知的，而且矩阵求逆运算也相当麻烦，因此，人们经常采用一种基于最速下降法的近似算法：Widrow2Hoff LMS 算法来求最佳权矢量。

2    产品实现和工程验证

5G自激对消直放站包括上行通路和下行通路，如图2所示。上行通路包括：MT端天线、双工器系统、上行低噪声放大器系统、下变频系统、上行数字处理系统、上变频系统、功放系统和DT端双工器系统。下行通路包括：DT端天线、双工器系统、下行低噪声放大器系统、下变频系统、下行数字处理系统、上变频系统、功放系统和MT端双工器系统。数字处理系统采用自适应滤波技术，完成上下行的自激对消功能。

为了验证产品的自激对消效果，对普通直放站和5G自激对消直放站进行了对比试验。选取一个隧道作为试验场景，隧道长约1.2 km。系统DT（施主天线）选取一个定向板状天线A作为信源的引入。MT（用户天线）端接一个八木天线B作为用户覆盖天线。用户天线B离地高约为3.5 m安装在隧道侧墙上，离高速移动车辆水平距离约2.5 m。

调整天线B，使天线B和天线A的隔离度为95 dB。调整普通直放站，使系统上下行增益均为80 dB。此时，天线之间隔离度大于系统增益15 dB，系统能够正常工作。使用EPC对天线B的覆盖区域进行速率测试，上行速率为16.377 kbps，下行速率为24.049 kbps。

将普通直放站换成5G自激对消直放站，调整天线B，使天线B和天线A的隔离度为70 dB，设置自激对消直放站系统上下行增益均为80 dB。此时，天线之间隔离度比系统增益小10 dB。如果没有自激对消功能，系统将不能正常工作。开启自激对消直放站，使用EPC对天线B的覆盖区域进行速率测试，上行速率为16.892 kbps，下行速率为24.126 kbps。

以上实验表明，在施主天线和用户天线最小隔离度大于系统增益减10 dB，5G自激对消直放站可以正常工作。其速率略好或者相当于普通直放站工作在隔离度大于增益15 dB时的效果。

对于普通的直放站，施主天线和用户天线需要相隔很远或需要增加其他物体进行阻挡。由于工程安装条件的限制，大大限制了直放站应用。5G自激对消直放站可以在隔离度比普通直放站小25 dB的情况下进行安装使用。大大降低了无线直放站安装的隔离度和空间要求。即使将施主天线和用户天线安装在同一个抱杆上，只要垂直距离大于1 m，两个天线较好的方向性，主波束方向相反，它们之间的隔离度也能够满足自激对消直放站的安装要求。不但降低了安装的场地要求，而且节约了抱杆等安装配件和抱杆的安装时间[3]。

对于有些实际工程场景，由于安装位置限制，施主天线和用户天线相距不能太远。如果下行接收到的信号较弱，需要较大增益才能将信号放大到满足覆盖区域的要求。这种场景，往往由于增益不能开高，导致覆盖信号很低，覆盖距离很近。如果使用5G自激对消直放站，能够将增益开得更高，使得覆盖距离进一步延长，确保覆盖区域的信号质量。

对于应急通信，由于安装时间要求很短，要求覆盖距离尽可能远，而安装空间可能仅仅只限于应急通信车。为了达到以上苛刻的要求，需要使用自激对消直放站。

3    结语

该5G自激对消直放站系统利用了自适应滤波技术，通过对比耦合采样输出信号、采样信号和系统自激信号特征，消除自激信号，有效地降低了自激情况下的自激信号强度。在隔离度比增益小10 dB的强自激条件下，也能有效消除自激信号，确保信号通信质量，长期稳定工作。降低了5G直放站系统对于工作条件和安装条件的要求，扩大了5G直放站的使用范围，降低了5G直放站的选址难度和安装成本，提升了系统抗自激的能力。

[参考文献]

[1]刘志敏，叶祖铨，阮连顺.无线通信网络的动态优化装置及无线通信系统：201120089157.8[P].2011-3-30.

[2]赵建平，刘志敏，秦海俊.GSM数字无线直放站及其上行载波时隙关断方法：200810027021.7[P].2008-3-25.

[3]郑宝玉.自适应滤波器原理[M].北京：电子工业出版社，2010.

（编辑 姚 鑫）