一种基于FPGA 消除多天线间PIM 信号的装置*

汪毅峰，潘 涛

（上海诺基亚贝尔股份有限公司，江苏 南京 21003）

0 引言

在一个无线通信中心站中，可能由于连接器松动、电缆内部弯曲或者天线附近的物体干扰等原因，导致射频系统输入信号叠加在某些频谱上，产生功率发射泄露。两个或更多的发射信号产生的不同幅度和频率的新信号被称为互调信号（InterModulation，IM）。比如，发射机工作的中心频率分别在fA和fB，由于上述原因，可能会产生mfA-nfB，nfA-mfB，nfB+mfA或者nfA+mfB信号，记作±mfA±nfB，正整数m+n就记作无源互调（Passive Intermodulation，PIM）信号的阶数，当发射机发出的几个宽带信号交织在一起的时候，这些不同阶数的PIM 信号会在一个很宽的频谱上展开。三阶互调（IM3）信号能量相对于其他高阶互调信号更大，如果这些互调信号落入接收信号的频谱内，其对接收信号的干扰也最为明显。

此外，在同一基站覆盖的物理区域同时搭建多个频段已经成为运营商的主流选择，当这些频段彼此的频率接近时，共站情况下可以选择共用同一幅宽带天线，可以达到节约硬件成本和减小建站空间的目的，但这样也带来一个问题，就是PIM 信号会因为这样的拓扑而增加。因此，消除多频段网络中的PIM 干扰，对于进一步突破通信容量瓶颈迫在眉睫。

众所周知，700 MHz 频谱因为其覆盖范围广、穿透能力强、多普勒频移小等诸多优点被称为黄金频段。表1 是3GPP TS 36.101 定义的LTE Band 12、Band 14 和Band 29（单发射频段）频段范围[1]，表2 是3GPP TS 38.101-1 定义的NR Band 12、Band 14 和Band 29（单发射频段）频段范围[2]。

表1 3GPP TS 36.101 定义的E-UTRA 频段工作范围（部分）

表2 3GPP TS 38.101 定义的NR 频段工作范围（部分）

当运营商选择部署Band 12、Band 14 和Band 29 这3 个10 MHz 小区在同一个物理扇区进行无线覆盖时，因为这3 个小区发射频段的范围和接收频段的范围很接近，根据IM3 的计算公式，可见2 倍B12 下行频点减去B14 下行频点（2B12-B14）发射信号产生的IM3 信号频谱范围会落在[690 MHz,734 MHz]。很明显，这样产生的IM3 信号频谱可能和B12 的接收通道的频段[699 MHz,716 MHz]有很大的重叠范围，从而IM3 信号形成的干扰会造成B12 每根天线的接收灵敏度大大降低，恶化上行信道质量。这时中心站只能选择用更低的信号调制编码方式调度终端用户或者要求终端用户在相同条件下使用更大的发射功率，这些显然都不是运营商和用户希望看到的。

1 抑制发射天线间产生的PIM 信号硬件装置

无线通信系统，通常分为基带处理单元（Building Baseband Unit，BBU）部分和射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）部分，BBU 负责信号的处理和用户的调度，以及与核心网之间协议栈的维护，RRU 负责信号的放大和射频调制，BBU和射频拉远头（Remote Radio Head，RRH）之间通过光纤连接[3]。

传统的交调信号消除（Passive Inter-Modulation Cancellation，PIMC）装置基于一根物理天线，这根天线同时包含发射和接收功能。在每一根物理天线发射方向上加载一个有特征的信号1，并且在该物理天线接收方向上捕捉返回的信号2。根据信号1和信号2 的差异来得到PIM 信号特征，从而建立一个PIMC Modeling[4]。此外，也可以得到PIM 相对于加载信号的延时。这样RRU 就可以根据基带输入功率、PIMC Modeling 产生一个延时恒定、幅度相反的-IM3，来抵消系统产生的IM3 信号。

因为传统PIMC 装置处理插入和捕捉的信号只是基于每一根物理天线，所以它不可能处理天线间产生的PIM 信号[5]。新设计的装置是在BBU和RRU 之间增加一个数据PIMC 设备，该设备为增强型交调消除装置（Enhancement Passive Inter-Modulation Cancellation，EPIMC），其在无线系统中的拓扑位置见图1。该设备有两个功能，功能一是负责BBU 到RRH 的数据转发，功能二是在这个设备上处理RRH 产生的PIM 信号。因为该设备可以了解所有发射通道的信号特征，也可以抓取所有接收通道的数据特征，所以可以处理每个天线内部以及天线间产生的PIM 干扰信号，而且所有的PIMC 算法在该设备中进行，对RRU 来说也减少了运行负担。使用该设备的目的是最大限度地抑制PIM 信号，提高上行信号的信噪比，从而BBU可以提高解码数据的效率，进而调度选择时可以用更高的编码调制方式（Modulation Coding Scheme，MCS），从而达到更高的上行频谱效率。

图1 EMPIC 设备在无线系统中的拓扑位置

典型的B12 RRU 设备为4TX4RX，B14 RRU 设备为4TX4RX，B29 RRU 设备为2TX，在一个扇区部 署B12(TX1-TX4,RX1-RX4) 的RRU、B14(TX5-TX8,RX5-RX8) 的RRU 和B29(TX9-TX10) 的RRU共3 个频段进行覆盖。这样一共有10 根发射天线和8 根接收天线，EPIMC 的工作目的就是尽可能多地消除这10 根发射天线不同组合下产生的PIM 信号对8 根接收天线产生的影响。

选用的现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）物理能力需要和接收天线的根数相匹配。根据当前配置，FPGA 的每个分组控制单元（Package Control Unit，PCU）有8 个NL BLOCK RX，每个NL BLOCK RX 对应1 根物理接收天线，记作NL BLOCK RX[1]-NL BLOCK RX[8]，其映射关系如图2。

图2 FPGA 的NL BLOCK 通道资源和RRU 接收天线的映射关系

因为每个NL BLOCK RX 需要独立处理10 根发射天线组合下产生的PIM 信号，10 根天线IM3的PIM 信号多达1 000 个，这里面有一部分落入到RX 接收频段范围内。考虑到效率和收益之间的平衡，在1 000 个所有可能产生PIM 信号的组合里面，选取PIM 信号最大的35 个进行消除。每个NL BLOCK RX 有36 个NL BLOCK IM3 项的资源，记作 NL BLOCK IM3[1]-NL BLOCK IM3[36]，其中NL BLOCK IM3[36]用作加速捕获时间，BLOCK IM3[1]-NL BLOCK IM3[35]用来产生PIM 消除的-IM3 信号。图3 展示了每个NL BLOCK RX 通道和NL BLOCK IM3 资源块的映射关系。

图3 NL BLOCK RX 通道资源和NL BLOCK IM3 资源块的映射关系

2 抑制发射天线间产生的PIM 信号软件流程

EPIMC 设备功能实现主要分为两个部分，第一部分是初始校准（Calibration Mode），这一部分主要包括根据BBU 配置的载波信息得到的小区信息，发现写入的NLB BLOCK IM3[*]项、计算IM3相对发射信号的时延、计算NLB BLOCK IM3[*]项的滤波系数ωn、初始校准模型的数据存贮等。第二部分是在初始校准结束后，开启EPIMC 设备进入运行状态（Run Mode），在EPIMC 设备进入运行过程后，不再插入其他训练数据以保证正常终端下行业务不被打断，只是根据业务数据并且结合EPIMC 的消除PIM 的性能进行时延参数和滤波系数ωn的微调。EPIMC 设备校准和运行的流程如图4所示。

图4 EPIMC 设备软件流程

2.1 三阶互调信号发现和消除信号的时延对齐流程

首先，在EPIMC 的eeprom 存储10 个彼此正交的训练数据，这些数据具有两个特征：一是这些信号经过RRU 的TX 通道后，在天线口发出的功率是满功率，这样保证发射天线产生的PIM 信号足够大；二是插入不同TX 通道时，用彼此正交训练数据进行插入，更好地得到产生的PIM 信号跟初始信号的关联特性。与此同时，EPIMC 设备会通过L3 消息从BBU 侧知道配置的3 个小区的载波信息，这里面包括TX 的频段范围、RX 的频段范围、小区的发射功率等信息。

其次，EPIMC 设备根据载波配置信息，按照TX 的频段范围的组合落在RX 通道的多少，对所有可能的IM3 项进行降序排列。简化起见，先假设本扇区多个RRU 合起来共有2RX、4TX，EPIMC 消除的目标就是这4 根发射天线彼此组合产生的PIM 信号对2 个RX 通道的影响。根据BBU 的载波配置信息得到覆盖RX1 频段最多的前3 个IM3 项组合为IM3_1=RX1(TX1,TX2,TX3)，IM3_2=RX1(TX1,TX2,TX2)，IM3_1=RX1(TX1,TX3,TX3)。将这些TX 的组合写入到RX BLOCK IM[*]，则RX1: NLB BLOCK IM[1]=(TX1,TX2,TX3)，NLB BLOCK IM[2]=(TX1,TX2,TX2)，NLB BLOCK IM[3]=(TX1,TX3,TX3)。

再次，比如NLB BLOCK IM[1]=(TX1,TX2,TX3)，在EMPIC 的 第1 个NLB BLOCK IM[1]插入3 组相互正交的训练数据，在RX1 口捕获PIM 数据。根据捕获PIM 数据的特征，利用正交向量估计（Orthogonal Vector Estimation，OVS）算法，可以得到RX1 相对于TX1 到TX3 的延迟信息。如果该组IM3 组合相关运算产生的OVS 很小，表明当前硬件拓扑下实际产生PIM 信号小，可丢弃该TX 组合，用后续的IM3 项进行填充NLB，以达到最佳的PIM 消除效果。这些PIM 信号相对TX 信号的时延信息会写入NL BLOCK IM3[*]，NLB 通过如下的滤波器系数设置产生的-IM3 来抑制IM3 信号。

至此，就完成了EPIMC 的IM3 项的发现以及PIM 信号和PIMC 信号的时延对齐流程。

2.2 三阶NLB 滤波器系数估计

无源互调消除设备EPIMC 在完成NL BLOCK IM3[*]级别的时延对齐后，就需要配置每个NL BLOCK IM3[*]滤波系数，产生1 个抑制信号-IM3，起到抑制PIM 信号的效果。无源互调设备EPIMC中每一个NL BLOCK IM3[*]都是一个3 阶滤波器（Finite Impulse Response，FIR）[6]，它们的抽头系数共同组成了系数向量，记作W，矩阵表达式为：

无源互调消除设备EPIMC 将总共X个PIM 干扰分量对应的所述3 阶FIR 的输入信号组成行数为3X的矩阵Y，其中第x个PIM 干扰分量上捕获的3 阶FIR 滤波器输入序列yn,k(k)组成了矩阵Y的第(3x-2)行到3x行，其表达式为：

式中：K为信号采样点个数。

根据FIR 滤波器特性可知，第x个PIM 干扰分量对应的3 阶FIR 滤波器系统方程可表示为：

式中：y(k)为所述3 阶FIR 滤波器的输入信号序列；h(k)为所述3 阶FIR 滤波器的输出信号序列。结合离散系统响应的表达方式，可以得到所述第n路PIM 干扰信号仿真单元的输出矩阵方程为：

利用最小二乘法运算可得W的最小平方差估计值W^=(YY-1)HYT，最后将计算结果配置到第n路上行，对应PIM 干扰信号仿真单元的NLB 滤波矩阵中去。如图5 是一个NL BLOCK IM3 的结构和相关参数。

图5 NLB FIR 滤波器参数定义

2.3 本装置仿真结果

图6 是EPIMC 装置功能开启和关闭的仿真图，仿真环境是Band12 的RRU 有4TX4RX 配置的小区，发射频段范围是[732.5 MHz,742.5 MHz]，接收频段范围是[707.5 MHz,717.5 MHz]，最大发射功率是46 dBm；以 及Band14 的RRU 有2TX2RX 配 置的小区，发射频段范围是[758 MHz,768 MHz]，接收频段范围是[788 MHz,798 MHz]，最大发射功率是46 dBm。图6 中，短线-点曲线表示只有Band12 RRU 发射开启，关闭Band14 小区，没有PIM 信号；点曲线表示Band12 和Band14 的RRU 同时发射开启，共用一幅宽带天线，EPIMC 设备功能未启用；短线曲线表示Band12 和Band14 的RRU 同时发射开启，共用一幅宽带天线，EPIMC 设备功能启用。比较在上述3 种情况下，EPIMC 对Band14 的第1根接收天线接收到的干扰信号的抑制情况。很明显在EPIMC 功能开启的情况下，上行干扰信号有4.7～5.3 dB的性能增益[7]，改善了上行接收信道质量。

图6 EPIMC 装置性能仿真比较

3 结语

本文以3GPP在LTE和NR制式下划分的700 MHz左右的频段作为研究对象，提出了一种基于FPGA的NLB 资源来消除不同频段的天线间的PIM 信号的硬件装置及其软件实现，并且通过仿真给出了EPIMC 设备对700 MHz 频段产生的PIM 信号的消除效果。移动端的发射功率受限是小区覆盖的短板，由本文研究可知，在FDD 多频段多天线同时部署无线覆盖时，采用本文所提装置可以在优化上行信道质量的同时，扩大小区的覆盖范围。