CN112865836B - 电缆测量方法以及室内分布式天线系统 - Google Patents

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CN112865836B CN202011524968.6A CN202011524968A CN112865836B CN 112865836 B CN112865836 B CN 112865836B CN 202011524968 A CN202011524968 A CN 202011524968A CN 112865836 B CN112865836 B CN 112865836B
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Abstract

本申请提供一种电缆测量方法以及室内分布式天线系统，应用于第五代新无线5G NR通信系统，5G NR通信系统使用多条多对电缆连接远端射频单元RRU和多个分布式天线单元DAU。所述电缆测量方法包括：通过网络分析仪测量多对电缆的特性阻抗；通过网络分析仪测量多对电缆的插入损耗；通过网络分析仪测量多对电缆的远端串扰；通过网络分析仪测量多对电缆的近端串扰。本申请可以实现5G NR通信系统中连接RRU和DAU的多对电缆的测量。

Description

电缆测量方法以及室内分布式天线系统
技术领域
本申请涉及通信技术领域，具体涉及一种电缆测量方法以及室内分布式天线系统。
背景技术
在第五代新无线(5th Generation New Radio，5G NR)通信技术中，可以使用多对电缆连接远端射频单元(remote radio unit，RRU)和分布式天线单元(distributedantenna unit，DAU)。为了评估多对电缆对5G NR通信系统性能的影响，需要对RRU和DAU之间的多对电缆进行测量。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提出一种电缆测量方法以及室内分布式天线系统，其可以实现第五代新无线通信系统中连接远端射频单元和多个分布式天线单元的多条多对电缆的测量。
本申请的第一方面提供一种电缆测量方法，应用于第五代新无线5G NR通信系统，所述5G NR通信系统使用多条多对电缆连接远端射频单元RRU和多个分布式天线单元DAU，每条多对电缆包括第一双绞线、第二双绞线、第三双绞线和第四双绞线，所述方法包括：
通过网络分析仪测量所述多对电缆的特性阻抗：将所述第一双绞线的一端连接所述网络分析仪的第一端口，将所述第二双绞线、第三双绞线和第四双绞线的两端连接电阻，将所述第一双绞线的另一端开路时通过所述网络分析仪测量所述第一端口的第一输入反射系数S11，将所述第一双绞线的另一端短路时通过所述网络分析仪测量所述第一端口的第二输入反射系数S′11，基于所述第一输入反射系数S11和所述第二输入反射系数S′11计算所述多对电缆的特性阻抗Z0；
通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的插入损耗：将所述第一双绞线的一端连接所述网络分析仪的第一端口，将所述第一双绞线的另一端连接所述网络分析仪的第四端口，将所述第二双绞线、第三双绞线、第四双绞线的两端连接电阻，通过所述网络分析仪测量所述第一端口到所述第四端口的第一正向传输系数S41，将所述第一正向传输系数S41作为所述多对电缆的插入损耗；
通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的远端串扰：将所述第一双绞线的一端连接所述网络分析仪的第一端口，将所述第二双绞线与所述第一双绞线的一端相对的一端连接所述网络分析仪的第四端口，将所述第一双绞线和所述第二双绞线的另一端、所述第三双绞线和所述第四双绞线的两端连接电阻，通过所述网络分析仪测量所述第一端口到所述第四端口的第二正向传输系数S′41，将所述第二正向传输系数S′41作为所述多对电缆的远端串扰；
通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的近端串扰：将所述第一双绞线的一端连接所述网络分析仪的第一端口，将所述第二双绞线与所述第一双绞线的一端同侧的一端连接所述网络分析仪的第四端口，将所述第一双绞线和所述第二双绞线的另一端、所述第三双绞线和所述第四双绞线的两端连接电阻，通过所述网络分析仪测量所述第一端口到所述第四端口的第三正向传输系数S″41，将所述第三正向传输系数S″41作为所述多对电缆的近端串扰。
另一种可能的实现方式中，所述基于所述第一输入反射系数S11和所述第二输入反射系数S′11计算所述多对电缆的特性阻抗Z0包括：
根据所述第一输入反射系数S11计算所述多对电缆的开路阻抗Zoc：
Figure BDA0002850499140000021
根据所述第二输入反射系数S′11计算所述多对电缆的短路阻抗Zsc：
Figure BDA0002850499140000022
根据所述开路阻抗Zoc和所述短路阻抗Zsc计算所述特性阻抗Z0：
Figure BDA0002850499140000023
其中Zref为电阻值，根据所述第二双绞线、第三双绞线、第四双绞线连接的电阻的大小确定。
另一种可能的实现方式中，所述通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的远端串扰包括：
通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的电缆内远端串扰和电缆间远端串扰，若通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的电缆内远端串扰，所述第一双绞线和所述第二双绞线在同一多对电缆内，若通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的电缆间远端串扰，所述第一双绞线和所述第二双绞线在不同的多对电缆内。
另一种可能的实现方式中，所述通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的近端串扰包括：
通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的电缆内近端串扰和电缆间近端串扰，若通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的电缆内近端串扰，所述第一双绞线和所述第二双绞线在同一多对电缆内，若通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的电缆间近端串扰，所述第一双绞线和所述第二双绞线在不同的多对电缆内。
另一种可能的实现方式中，所述电缆测量方法应用于下一代多对多输入多输出NGMM系统。
另一种可能的实现方式中，所述电缆测量方法应用于下一代多对超级多输入多输出NGMSM系统，所述NGMSM系统利用变压器根据所述多对电缆创建虚拟电缆对以建立幻象模式。
另一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
评估所述5G NR通信系统的容量。
另一种可能的实现方式中，所述每条多对电缆包括N条双绞线，所述5G NR通信系统包括两个DAU，所述评估所述5G NR通信系统的容量包括：
在所述RRU和所述两个DAU之间进行下行传输，在时间t，2N×1个接收信号y(t)为：
Figure BDA0002850499140000031
Figure BDA0002850499140000032
其中xk(t)＝[xk，1(t)，xk，2(t)，...，xk，N(t)]T，k∈[1，2]，表示对MQAM信号预编码并在第k个DAU的N条双绞线上传输，所有2N×1个传输信号对应x(t)，每个N×N矩阵Hij表示从第j个DAU的N条双绞线到第i个DAU的信道串扰，包括电缆内远端串扰和电缆间远端串扰，i，j∈[1，2]，H是多DAU系统的2N×2N信道矩阵，加性高斯白噪声wk(t)和DAU不相关，w(t)～CN(0，σ2I)。
另一种可能的实现方式中，所述通过网络分析仪测量所述多对电缆的特性阻抗之前，所述方法还包括：
利用校正工具对所述网络分析仪进行校正。
另一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
采用预编码方式，在所述网络分析仪的发射机和接收机处执行线性块处理，以消除所述多对电缆的电缆间远端串扰和电缆内远端串扰。
另一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
通过对角矩阵HF进行块对角化来消除电缆间远端串扰和电缆内远端串扰，HkFm＝0，
Figure BDA0002850499140000033
其中，
Figure BDA0002850499140000034
和/>
Figure BDA0002850499140000035
分别包含第一个和最后一个N维右奇异向量，进行块对角化后的有效信道矩阵为：
Figure BDA0002850499140000036
其中，
Figure BDA0002850499140000037
和HkMk是第k个DAU的有效信道矩阵，在通过施加零强制约束将系统块对角线化后，最大化每个单独DAU的容量：
Figure BDA0002850499140000038
其中，∑k包含有效信道矩阵HkMk的奇异值，而
Figure BDA0002850499140000039
表示有效信道的前N个右奇异矢量，用于定义预编码矩阵为
Figure BDA00028504991400000310
另一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
通过比例因子βmax标准化信号的传输功率，所述比例因子βmax如下所示：
Figure BDA00028504991400000311
第k个DAU的N×1接收信号为：
Figure BDA00028504991400000312
本申请的第二方面提供一种室内分布式天线系统，所述室内分布式天线系统包括远端射频单元RRU和多个分布式天线单元DAU，所述RRU和所述多个DAU通过多条多对电缆连接，所述多条多对电缆采用如第一方面所述的电缆测量方法进行测量。
利用本申请，可以实现5G NR通信系统中连接RRU和DAU的多对电缆的测量。
附图说明
图1是下一代多对多输入多输出(NGMM)系统中远端射频单元(RRU)和分布式天线单元(DAU)之间的多对电缆的串扰示意图。
图2是下一代多对多输入多输出超级系统(NGMSM)中RRU和DAU之间的多对电缆的串扰示意图。
图3是测量多对电缆的特性阻抗的示意图，其中3A是开路状态的测量，3B是短路状态的测量。
图4是测量多对电缆的插入损耗测量的示意图。
图5是测量多对电缆的远端串扰测量的示意图。
图6是测量多对电缆的近端串扰测量的示意图。
图7是来自分发点的多根CAT-5电缆的示意图。
图8是CAT-5电缆的幻像模式的示意图。
图9是NGMM系统中CAT-5电缆的插入损耗与远端串扰的测量结果示意图。
图10是NGMM系统中CAT-5电缆的插入损耗与近端串扰的测量结果示意图。
图11、12是NGMSM系统中CAT-5电缆的插入损耗与电缆内远端串扰的测量结果示意图。
图13、14是NGMSM系统中CAT-5电缆的插入损耗与电缆间远端串扰的测量结果示意图。
图15、16是NGMSM系统中CAT-5电缆的插入损耗与电缆内远端串扰的测量结果示意图。
图17、18是NGMSM系统中CAT-5电缆的插入损耗与电缆间近端串扰的测量结果示意图。
图19是NGMSM系统模型的示意图。
图20是下行(DL)预编码的框图。
图21显示NGMM系统在每个DAU处的平均频谱效率。
图22显示NGMSM系统中差分模式(differential mode，DM)和幻像模式(phantommode，PM)在每个DAU处的平均频谱效率。
图23显示NGMM系统在每个DAU处的总吞吐量。
图24显示NGMSM系统中DM和PM在每个DAU处的总吞吐量。
图25是本申请实施例提供的电缆测量方法的流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
本申请电缆测量方法应用于第五代新无线(5th Generation New Radio，5G NR)通信系统，具体可应用在下一代多对多输入多输出(nextgenerationmulti-pairmultiple-input multiple-output，NGMM)架构和下一代多对超级多输入多输出(nextgenerationmulti-pair super multiple-input multiple-output，NGMSM)架构的室内分布式天线系统中。NGMM架构和NGMSM架构的室内分布式天线系统使用多对电缆连接远端射频单元(remote radio unit，RRU)和分布式天线单元(distributed antennaunit，DAU)，以实现5GNR信号室内覆盖。所述电缆测量方法对多对电缆的电缆参数进行测量，以评估多对电缆对系统性能的影响。
在本申请的一个实施例中，测量的电缆参数包括特性阻抗、插入损耗(InsertionLoss，IL)、远端串扰(FarEndCrosstalk，FEXT)和近端串扰(NearEndCrosstalk，NEXT)。
图1是NGMM系统中远端射频单元(RRU)和分布式天线单元(DAU)之间的多对电缆的串扰示意图。图1显示了连接RRU和两个DAU(DAU1和DAU2)的多对电缆的串扰。
多对电缆(例如CAT-5电缆)将多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，MIMO)结构用于单个DAU，每条多对电缆的双绞线终止于一个DAU，该配置称为下一代多对多输入多输出(next generation multi-pair multiple-input multiple-output，NGMM)。对于多个DAU，NGMM系统会受到多条多对电缆间和单条多对电缆内串扰的影响，从而在系统中造成复杂的串扰。在本申请的一个实施例中，使用两条平行的50米长CAT-5电缆进行测量，每条CAT-5电缆包括第一双绞线(双绞线1)、第二双绞线(双绞线2)、第三双绞线(双绞线3)、第四双绞线(双绞线4)共四条双绞线。
图2是NGMSM中RRU和DAU之间的多对电缆的串扰示意图。
使用连接到每条多对电缆(例如CAT-5电缆)两端的幻像模式电路可以增加双绞线的数量，该配置称为下一代多对超级多输入多输出(next generation multi-pair supermultiple-input multiple-output，NGMSM)。NGMSM在RRU和DAU处使用变压器，以利用物理电缆对的共模信号创建虚拟电缆对，该技术称为幻像模式。幻像模式的线对总数为2N-1，其中N为多对电缆中的物理铜线对数。图2显示了CAT-5电缆的NGMSM结构，其中变压器用于根据差分模式(differential mode，DM)电缆对创建幻像模式(phantom mode，PM)电缆对。
本申请电缆测量方法需要的测量设备包括网络分析仪、校准工具、变压器。
网络分析仪用于测量电缆的S参数。S参数也就是散射参数，是微波传输中的一个重要参数，用于表征双端口网络，例如放大器和滤波器等。
在本申请的一个实施例中，可以使用频率范围为10MHz至26.5GHz的安捷伦2/4端口PNA-X网络分析仪N5242A，该网络分析仪带有两个内置信号源、4个端口(即第一端口(port 1)、第二端口(port 2)、第三端口(port 3)、第四端口(port 4))，输出功率为+18dBm。在本实施例中，使用第一端口、第四端口测量S参数，第一端口、第四端口对应的S参数包括S11、S44、S14、S41。S11为第一端口的输入反射系数，也就是输入回波损耗；S44为第四端口的输出反射系数，也就是输出回波损耗；S14为第四端口到第一端口的反向传输系数，也就是隔离；S41为第一端口到第四端口的正向传输系数，即增益。
校准工具用于在测量前对网络分析仪进行校准，以表征系统误差并在后续测量中消除其影响。在本申请的一个实施例中，使用双端口校准工具NA-4691 60008，其频率范围为300kHz至26.5GHz。
变压器用于将平衡信号(两个信号在不接地的情况下互相作用)转换为不平衡信号(单个信号对地或伪接地作用)。在本申请的一个实施例中，使用高频Balun变压器NH16447在同轴电缆和双绞线之间转换信号。Balun变压器提供了一种简单直接的方法来测量1.2GHz的电路特性。
为了表征线性双端口设备的电气性能，需要在各种条件下对其进行不同参数的测量。S参数用于通过增益、损耗和反射系数等测量来表征高频网络。可以将对多个设备测量得到的S参数级联以预测整体系统性能。可以将S参数导入电子设计自动化(EDA)工具(例如安捷伦的高级设计系统(ADS)和MATLAB)中进行电路仿真。
下面将对多对电缆的不同参数(即特性阻抗、插入损耗(IL)、远端串扰(FEXT)和近端串扰(NEXT))的测量进行说明。
图3是测量多对电缆的特性阻抗的示意图，其中3A是开路状态的测量，3B是短路状态的测量。
可以使用传输线(即双绞线/同轴电缆)以最小的损耗将射频能量从一个点传输到另一个点。每条传输线均具有特征阻抗(Z0)，为了防止反射导致的能量损失，传输线的末端必须与传输线的特征阻抗相匹配。当传输线的末端与传输线的特征阻抗相匹配时，传递到负载的功率最大。当传输线的末端的阻抗不等于Z0时，未被负载吸收的信号部分会被反射回信号源。特性阻抗是根据开路阻抗(Zoc)(线路的另一端断开，即未连接任何东西)和短路阻抗Zsc(线路的另一端短路)来测量，
Figure BDA0002850499140000061
图3显示了开路阻抗(3A)和短路阻抗(3B)的测量。将第一双绞线(双绞线1)的一端连接网络分析仪的第一端口(port 1)，将所述第二双绞线(双绞线2)、第三双绞线(双绞线3)和第四双绞线(双绞线4)的两端连接电阻(图中示出双绞线2两端接电阻)，将第一双绞线的另一端开路时通过网络分析仪测量第一端口的第一输入反射系数S11(参见3A)，将第一双绞线的另一端短路时通过网络分析仪测量第二端口的第二输入反射系数S′11(参见3B)，基于第一输入反射系数S11和第二输入反射系数S′11计算多对电缆的特性阻抗Z0，
Figure BDA0002850499140000062
其中：
Figure BDA0002850499140000063
Figure BDA0002850499140000064
/>
Zref为电阻值，根据所述第二双绞线、第三双绞线、第四双绞线连接的电阻的大小确定。在本申请的一个实施例中，如图3所示，第二双绞线、第三双绞线、第四双绞线两段端接50欧姆的电阻时，Zref＝100欧姆。
图4是测量多对电缆的插入损耗的示意图。
插入损耗是在包含多条双绞线的多对电缆中的单条双绞线的两端测量的。插入损耗的测量如图4所示，将第一双绞线(双绞线1)的一端连接网络分析仪的第一端口，将第一双绞线的另一端连接网络分析仪的第四端口。将其余双绞线(第二双绞线、第三双绞线、第四双绞线，即双绞线2、双绞线3、双绞线4)的两端连接电阻，例如50欧姆的SMA电阻。通过网络分析仪测量第一端口到第四端口的第一正向传输系数S41，将第一正向传输系数S41作为多对电缆的插入损耗。
图5是测量多对电缆的远端串扰的示意图。
远端串扰(FEXT)定义为一条多对电缆内的两个独立线对的相对两端的一对收发器之间的串扰效应。换句话说，特定收发器上的FEXT噪声是由双绞线的另一端的其他线对的收发器发送的信号引起的。FEXT的测量如图5所示，将双绞线1(第一双绞线)的一端连接到网络分析仪的第一端口，将双绞线2(第二双绞线)与双绞线1的一端相对的一端连接到网络分析仪的第四端口，双绞线1、双绞线2的另一端和双绞线3、双绞线4的两端连接电阻(图上未示出双绞线3、4)，例如50欧姆的SMA电阻。通过网络分析仪测量第一端口到所述第四端口的第二正向传输系数S′41，将所述第二正向传输系数S′41作为所述多对电缆的远端串扰。第二双绞线、第三双绞线的两端连接电阻。
需要说明的是，图5所示测量多对电缆的远端串扰是测量电缆内远端串扰，双绞线1和双绞线2在同一多对电缆内。测量多对电缆的远端串扰还可以包括测量电缆间远端串扰，当测量电缆间远端串扰时，双绞线1和双绞线2在不同的多对电缆内。
图6是测量多对电缆的近端串扰的示意图。
近端串扰(NEXT)定义为发送和接收信号在共享相同频带的多对电缆的同一端的一对收发器之间的串扰效应。换句话说，特定收发器上的NEXT噪声是由双绞线同一端的其他收发器发送的信号引起的。NEXT的测量如图6所示，将双绞线1的一端连接网络分析仪的第一端口，将双绞线2与双绞线1的一端同侧的一端连接网络分析仪的第四端口，将双绞线1和双绞线2的另一端、双绞线3和双绞线4的两端连接电阻(图上未示出双绞线3、4)，通过所述网络分析仪测量所述第一端口到所述第四端口的第三正向传输系数S″41，将所述第三正向传输系数S″41作为所述多对电缆的近端串扰。
CAT-5电缆通常用来建立室内网络。因此，在本申请的一个实施例中，使用CAT-5电缆来进行NGMM和NGMSM场景的测量。图7是来自分发点的多根CAT-5电缆的示意图。如图7所示，建筑物中，许多CAT-5电缆对捆绑在一起，以便为不同位置的不同办公室/家庭提供以太网服务。
需要说明的是，图6所示测量多对电缆的近端串扰是测量电缆内近端串扰，双绞线1和双绞线2在同一多对电缆内。测量多对电缆的近端串扰还可以包括测量电缆间近端串扰，当测量电缆间近端串扰时，双绞线1和双绞线2在不同的多对电缆内。
为了进行实际测量，在本申请的一个实施例中，将2条CAT-5电缆捆绑在一起，以测量具有相同环路长度的电缆间串扰参数。引脚连接器用于建立网络分析仪和双绞线之间的连接，引脚连接器和RJ-45连接器的性能相同，但是引脚连接器可以使用同一根电缆进行NGMM和NGMSM的测量。NGMM和NGMSM的测量参数如下：
1)频率范围：
NGMM：10MHz-1GHz；
NGMSM：10MHz-300MHz(注意：用于建立幻像模式的变压器的频率响应限制为250MHz)。
2)双绞线数：
NGMM：8对，每条CAT-5电缆4对；
NGMSM：14对，每条CAT-5电缆4个物理线对和3个虚拟线对。
3)连接器类型：插针型。
4)NGMM的测量参数：双绞线的特性阻抗。
IL插入损耗：频率范围内的直接通道响应。
FEXT远端串扰：接收机端其他线对上的信号交叉耦合。
a)电缆内FEXT(同一CAT-5电缆的双绞线之间的FEXT耦合)。
b)电缆间FEXT(不同CAT-5电缆的双绞线之间的FEXT耦合)。
NEXT近端串扰：发射机端其他缆线上的信号交叉耦合。
a)电缆内NEXT(同一CAT-5电缆的双绞线之间的反向串扰耦合)。
b)电缆间NEXT(不同CAT-5电缆的双绞线之间的反向串扰耦合)。
5)NGMSM的测量参数：双绞线的特性阻抗。
IL插入损耗：频率范围内的直接通道响应。
a)差分模式(Differential Mode，DM)。
b)幻像模式(Phantom Mode，PM)。
FEXT远端串扰：接收机端其他缆线上的信号交叉耦合。
a)电缆内FEXT(同一CAT-5电缆的双绞线之间的正向串扰耦合)。FEXT是使用CAT-5电缆1或2中的线对测量的，如下所示：
i)DM(1/2)至DM(1/2)：DM线对之间的FEXT耦合。
ii)DM(1/2)到PM(1/2)：从DM线对到PM线对的FEXT耦合。
iii)PM(1/2)到DM(1/2)：从PM线对到DM线对的FEXT耦合。
iv)PM(1/2)至PM(1/2)：PM线对之间的FEXT耦合。
b)电缆间FEXT(不同CAT-5电缆的双绞线之间的正向串扰耦合)。FEXT是在两根CAT-5电缆对之间测量的，如下所示：
i)DM(1/2)至DM(2/1)：电缆1的DM线对与电缆2的DM线对之间的交叉耦合，反之亦然。
ii)DM(1/2)至PM(2/1)：电缆1的DM线对与电缆2的PM线对之间的交叉耦合，反之亦然。
iii)PM(1/2)至DM(2/1)：电缆1的PM线对与电缆2的DM线对之间的交叉耦合，反之亦然。
iv)PM(1/2)至PM(2/1)：电缆1的PM线对与电缆2的PM线对之间的交叉耦合，反之亦然。
NEXT近端串扰：发射器另一端的直接信号耦合。
a)电缆内NEXT(同一CAT-5电缆的双绞线之间的反向串扰耦合)。
i)DM(1/2)至DM(1/2)：DM线对之间的NEXT耦合。
ii)DM(1/2)到PM(1/2)：从DM线对到PM线对的NEXT耦合。
iii)PM(1/2)到DM(1/2)：从PM线对到DM线对的NEXT耦合。
iv)PM(1/2)至PM(1/2)：PM线对之间的NEXT耦合。
b)电缆间NEXT(不同CAT-5电缆的双绞线之间的反向串扰耦合)。
i)DM(1/2)至DM(2/1)：电缆1的DM线对与电缆2的DM线对之间的NEXT，反之亦然。
ii)DM(1/2)至PM(2/1)：电缆1的DM线对与电缆2的PM线对之间的NEXT，反之亦然。
iii)PM(1/2)至DM(2/1)：电缆1的PM线对与电缆2的DM线对之间的NEXT，反之亦然。
iv)PM(1/2)至PM(2/1)：电缆1的PM线对与电缆2的PM线对之间的NEXT，反之亦然。
对于幻像模式(Phantom Mode，PM)电路，幻像模式在2条常规铜线对上创建第三条幻像/虚拟通道。幻象模式的传输利用了两对共模电压之间的差异。线对数(N)为2的幂(N＝2^n)。幻像模式的命名是为了与共模传输的定义区分开，幻像模式以1条双绞线的公共接地作为参考。通常，当有N对线对可用时，可以使用N个标准(差分)通道和N-1个幻像通道。
图8是CAT-5电缆的幻像模式的示意图。变压器用于创建虚拟线对(幻象模式)。在本申请的一个实施例中，使用的变压器可以是高频宽带变压器，其工作频率范围高达220MHz。通过图中配置可实现四对差分模式线对和三对幻象模式线对。
在本申请的一个实施例中，对网络分析仪进行以下设置，以对多对电缆进行测量：
1)停止频率：1GHz(NGMM)/220MHz(NGMSM)；
2)点数＝10000；
3)平均中频(intermediate frequency，IF)：100kHz；
4)迹线(S11，S14，S41，S44)。
可以将测量结果以“.csv”格式保存，在Matlab中进行进一步处理。
图9、10是NGMM系统中CAT-5电缆的测量结果示意图。测量中使用两条50米的CAT-5电缆(每条CAT-5电缆包含4条双绞线)。
电缆内以及电缆间的耦合分别称为内部串扰耦合和相互串扰耦合。可以用Coupling(ji)表示测量结果中的内部串扰耦合和相互串扰耦合，其中“Coupling”可以是FEXT或NEXT，“i”表示干扰电缆，“j”表示受干扰电缆。例如，NEXT(12)表示从电缆2到电缆1的电缆间近端耦合，其中干扰电缆为2，受干扰电缆为1。
图9是NGMM系统CAT-5电缆的插入损耗(IL)与远端串扰(FEXT)的测量结果示意图。
NGMM的IL与FEXT的测量结果如图9所示，其中IL在1GHz时降低至-40dB。电缆间和电缆内的FEXT大致相同。
图10是NGMM系统中CAT-5电缆的插入损耗(IL)与近端串扰(NEXT)的测量结果示意图。
NGMM的IL和NEXT的测量结果如图10所示，与FEXT相比，NEXT耦合非常牢固。由于每条CAT-5电缆上的屏蔽层，电缆内NEXT的强度比电缆间NEXT的强度要强得多。在电缆1中，有90％的最坏情况是NEXT耦合在600MHz时比IL强，但是，在900MHz时在电缆2中可以观察到这种影响。电缆间和电缆内的FEXT大致相同。
图11-18是NGMM系统中CAT-5电缆的测量结果示意图。可以用Coupling(ji)-mode(i)tomode(j)表示测量结果中的耦合，其中“mode(i)to mode(j)”代表Super MIMO不同模式之间的耦合，耦合为FEXT或NEXT，“i”表示干扰电缆，“j”表示受干扰电缆。例如，“NEXT(21)-DM(1)to PM(2)”，表示差分模式电缆对1到幻像模式电缆对2的电缆间NEXT耦合，其中干扰电缆为1，受干扰电缆为2。
图11、12是NGMSM系统中CAT-5电缆的插入损耗(IL)与电缆内远端串扰(FEXT)的测量结果示意图。
电缆内FEXT耦合：电缆1和2的IL与电缆内FEXT的测量结果分别如图11和图12所示。90％的最坏情况下，DM线对之间的电缆内FEXT耦合约为-45dB，而DM线对的IL在220MHz时降至-20dB。DM和PM线对之间的FEXT耦合增加到-40dB(反之亦然)，但是在电缆1和2的PM线对5和6的IL中，在频率150MHz处观察到一些深陷波，而PM线对7的IL比5和6要好。深陷波可能是变压器不匹配的结果，因为带有PM电路的电缆的特性阻抗可能会发生变化，在测量中并未考虑这一点。PM线对的IL在220MHz时降低到-25dB。在150MHz的频率下，电缆1和2中PM线对之间的FEXT非常强，其功率远高于PM的IL。
图13、14是NGMSM系统中CAT-5电缆的插入损耗与电缆间远端串扰的测量结果示意图。
电缆间FEXT耦合：从电缆2测量的电缆1的和从电缆1测量的电缆2的电缆间IL与FEXT测量结果分别如图13和图14所示。90％的最坏情况下，两条电缆的DM线对之间的FEXT耦合降低到-48dB，但是电缆2的PM线对和电缆1的DM线对之间的FEXT耦合(反之亦然)降低到-50dB左右。电缆1和2的PM线对之间的FEXT耦合(反之亦然)比电缆内FEXT弱得多，90％的最坏情况下达到-30dB。
图15、16是NGMSM系统中CAT-5电缆的插入损耗与电缆内远端串扰的测量结果示意图。
电缆内NEXT耦合测量：电缆1和2的IL与电缆内NEXT，结果分别显示在图15和图16中。从图中可以看出，90％最差的DM线对之间的电缆内NEXT为-40dB。在DM和PM线对之间也可以观察到NEXT耦合增加到-30dB(反之亦然)，并且在220MHz附近与IL相当接近。电缆1和2中的PM线对之间的NEXT耦合非常强，并且在大于100MHz的频率下，其在PM中的IL占主导地位。
图17、18是NGMSM系统中CAT-5电缆的插入损耗与电缆间近端串扰的测量结果示意图。
图17和图18分别显示了从电缆2测量的电缆1和从电缆1测量的电缆2之间的电缆内NEXT耦合和电缆间NEXT耦合的测量结果。与电缆内NEXT耦合相比，两条电缆的DM线对之间的NEXT耦合相对较低，并且强度降低到-50dB。与电缆内NEXT耦合相比，电缆2的PM线对和电缆1的DM线对之间的最大NEXT耦合(反之亦然)在250MHz时也减小到-40dB左右。NEXT耦合的水平在电缆1和2的PM线对之间也有所降低(反之亦然)，但在150MHz时仍接近PM线对的IL。
图19是NGMM系统的示意图。
为了评估NGMM的容量，在图19中考虑了下行链路(downlink，DL)系统模型，其中每个DAU使用MIMO技术来提高数据速率。图19显示了两个具有N对双绞线的DAU，双绞线间彼此互相干扰。
在所述RRU和所述两个DAU之间进行下行传输，在时间t，2N×1个接收信号y(t)为：
Figure BDA0002850499140000111
Figure BDA0002850499140000112
其中xk(t)＝[xk，1(t)，xk，2(t)，...，xk，N(t)]T，k∈[1，2]，表示对MQAM信号预编码并在第k个DAU的N条双绞线上传输，所有2N×1个传输信号对应x(t)，每个N×N矩阵Hij表示从第j个DAU的N条双绞线到第i个DAU的信道串扰，包括电缆内远端串扰(i＝j)和电缆间远端串扰(i≠j)，i，j∈[1，2]，H是多DAU系统的2N×2N信道矩阵，加性高斯白噪声wk(t)和DAU不相关，w(t)～CN(0，σ2I)。
图20是DL预编码的框图示意图。
DL块预编码的一般框图如图20所示，通过在发射机和接收机处执行线性块处理来消除电缆间和电缆内FEXT，如[20]，[21]所述。决策变量处的N×1集成信号
Figure BDA0002850499140000113
为：
Figure BDA0002850499140000114
其中s是所有DAU尺寸为2N×1的符号向量。发射信号x通过预编码滤波器F获得：
x＝Fs＝F1s1+F2s2 (6)
将第k个DAU的N×1个接收信号yk的集合通过解调滤波器Dk获得
Figure BDA0002850499140000115
然后由最大似然(maximum likelihood，ML)估计器进一步处理以估计原始发送符号/>
Figure BDA0002850499140000116
从RRU到第k个DAU的信道矩阵用Hk表示，相应的预编码滤波器用Fk表示。在第k个DAU处接收到的信号为：
yk＝Hkx+wk (7)
Figure BDA0002850499140000117
其中，
Figure BDA0002850499140000118
和/>
Figure BDA0002850499140000119
分别是除第k个DAU以外的DAU的调制滤波器和符号矢量。DAU1和DAU2的矩阵/>
Figure BDA00028504991400001110
和符号向量/>
Figure BDA00028504991400001111
定义为：
Figure BDA00028504991400001112
Figure BDA00028504991400001113
这里假设理想的信道状态信息(CSI)在发射机处可用，因此通过适当选择调制矩阵F可以完全消除电缆间FEXT。可以通过应用常规的预编码方案来完全消除电缆内FEXT和电缆间FEXT。对于在每个DAU处终止有多条线路的系统，可以通过对角矩阵HF进行块对角化来获得最佳解决方案，在该矩阵中，仅取消电缆内FEXT，同时针对在同一DAU处终止的线路进行协调处理。通过施加约束HkFm＝0，
Figure BDA00028504991400001114
可以完全消除DAUk处的电缆间FEXT。如果Fm位于/>
Figure BDA0002850499140000121
的零空间中，则可以满足零强制约束，对于DAU1和DAU2，/>
Figure BDA0002850499140000122
分别定义为：/>
Figure BDA0002850499140000123
和
Figure BDA0002850499140000124
/>
互补信道矩阵
Figure BDA0002850499140000125
的奇异值分解(SVD)可以定义为：
Figure BDA0002850499140000126
其中，
Figure BDA0002850499140000127
和/>
Figure BDA0002850499140000128
分别包含第一个和最后一个N维右奇异向量。由于/>
Figure BDA0002850499140000129
为互补信道矩阵/>
Figure BDA00028504991400001210
的零空间提供了正交基，因此/>
Figure BDA00028504991400001211
的各列可以方便地用于防止整个系统的对角线化。块对角化后的有效信道矩阵可以写成：
Figure BDA00028504991400001212
其中
Figure BDA00028504991400001213
和HkMk是第k个DAU的有效信道矩阵。一旦通过施加零强制约束将系统块对角线化，就可以使用常规的支持向量机来最大化每个单独DAU的容量：
Figure BDA00028504991400001214
其中∑k包含有效信道矩阵HkMk的奇异值，而
Figure BDA00028504991400001215
表示有效信道的前N个右奇异矢量，用于定义图20中系统的预编码矩阵为：
Figure BDA00028504991400001216
传输的信号功率会受限于连接到每条双绞线的线路驱动器，因此希望通过比例因子βmax标准化传输功率，比例因子定义为
Figure BDA00028504991400001217
第k个DAU的N×1接收信号为
Figure BDA00028504991400001218
可以在第k个DAU处将解调滤波器定义为
Figure BDA00028504991400001219
在解调滤波器的输出处给出决策变量为
Figure BDA00028504991400001220
连接到第k个DAU的第j个对的决策变量处的SNR为
Figure BDA00028504991400001221
其中∑j，k是对角矩阵∑k的第j项，而SNRinputt是发送信号SNR。
可以对NGMM系统进行容量分析，评估在最后一跳使用多对电缆的5G新型无线电(NR)系统中每个DAU可实现的容量。此处将两条相互干扰的50米CAT-5并行平行电缆的NGMM通道环境用于容量分析。基于块对角化的DL预编码用于预编码NGMM和NGMSM通道。计算第k个DAU的决策变量处的SNR，其中SNRinput是设置为64dB的发射信号SNR。
分别考虑NGMM和NGMSM的1GHz和212MHz频段来检验DAU1和DAU2的平均频谱效率和总吞吐量。此处的模拟设置中，使用“间隙公式(Γ[dB]＝SNR Margin+SNR Gap-CodingGain＝10.8dB)”来估算第l个音频上的比特加载为
Figure BDA00028504991400001222
其中，SNRl是第l个音频的决策变量处的SNR。
对于NGMM和NGMSM，每个DAU(DAU1和DAU2)处的平均频谱效率如图21和图22所示。图21显示NGMM系统在每个DAU处的平均频谱效率。图22显示NGMSM系统中差分模式(DM)和幻像模式(PM)在每个DAU处的平均频谱效率。在NGMM中，通道带宽已增大到1GHz，但是对于NGMSM场景，通道带宽被限制为212MHz，这是因为用于设计幻象模式电路的高频变压器不可用。5GNR中的多对电缆的仿真设置尚未标准化，因此最大位负载设置为16位，这是在NGMM中的高SNR频带上实现的，而仅在NGMSM中是通过DM实现的。与传统电话电缆系统中使用的铜缆相比，CAT-5电缆具有更好的抗噪性，即使在NGMM中的1GHz频率(在50m距离处的最小位负载为4位)下，CAT-5电缆也能带来更好的频谱效率。但是，PM的信道特性不如NGMSM中的DM好，在212MHz时，PM的最小位负载仍然达到10位。
NGMM和NGMSM分别在图23和24中显示了每个频率对上所有线对在每个DAU(DAU1和DAU2)处的总吞吐量。图23显示NGMM系统在每个DAU(DAU1和DAU2)处的总吞吐量。
图24显示NGMSM系统中DM和PM在每个DAU(DAU1和DAU2)处的总吞吐量，DM线对的总吞吐量用实线表示，PM线对的总吞吐量用虚线表示。从图中可以看出，PM线对的总吞吐量相对小于DM线对的总吞吐量。PM和DM总吞吐量存在差异的原因是：i)DM线对的信道特性优于PM线对，并且ii)DM线对的数量(即4对)高于PM线对(即3对)。在1GHz频带上，NGMM中DAU1和DAU2的总容量分别为30.4541Gbps和29.9913Gbps。在NGMSM中，DM和PM在每个DAU处实现的总吞吐量分别约为10Gbps和7Gbps，在212MHz频段上，每个DAU的总体吞吐量为17Gbps。
图25是本申请实施例提供的电缆测量方法的流程图。所述电缆测量方法应用于第五代新无线(5G NR)通信系统。第五代新无线通信系统使用多对电缆连接RRU和DAU。在本申请的一个实施例中，所述电缆测量方法应用于NGMM系统和NGMSM系统。
2501，通过网络分析仪测量所述多对电缆的特性阻抗。具体地，将所述第一双绞线的一端连接所述网络分析仪的第一端口，将所述第二双绞线、第三双绞线和第四双绞线的两端连接电阻，将所述第一双绞线的另一端开路时通过所述网络分析仪测量所述第一端口的第一输入反射系数S11，将所述第一双绞线的另一端短路时通过所述网络分析仪测量所述第一端口的第二输入反射系数S′11，基于所述第一输入反射系数S11和所述第二输入反射系数S′11计算所述多对电缆的特性阻抗Z0；
2502，通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的插入损耗。具体地，将所述第一双绞线的一端连接所述网络分析仪的第一端口，将所述第一双绞线的另一端连接所述网络分析仪的第四端口，将所述第二双绞线、第三双绞线、第四双绞线的两端连接电阻，通过所述网络分析仪测量所述第一端口到所述第四端口的第一正向传输系数S41，将所述第一正向传输系数S41作为所述多对电缆的插入损耗：
2503，通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的远端串扰。具体地，将所述第一双绞线的一端连接所述网络分析仪的第一端口，将所述第二双绞线与所述第一双绞线的一端相对的一端连接所述网络分析仪的第四端口，将所述第一双绞线和所述第二双绞线的另一端、所述第三双绞线和所述第四双绞线的两端连接电阻，通过所述网络分析仪测量所述第一端口到所述第四端口的第二正向传输系数S′41，将所述第二正向传输系数S′41作为所述多对电缆的远端串扰：
2504，通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的近端串扰。具体地，将所述第一双绞线的一端连接所述网络分析仪的第一端口，将所述第二双绞线与所述第一双绞线的一端同侧的一端连接所述网络分析仪的第四端口，将所述第一双绞线和所述第二双绞线的另一端、所述第三双绞线和所述第四双绞线的两端连接电阻，通过所述网络分析仪测量所述第一端口到所述第四端口的第三正向传输系数S″41，将所述第三正向传输系数S″41作为所述多对电缆的近端串扰。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附关联图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他模块或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个模块或装置也可以由一个模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种电缆测量方法，应用于第五代新无线5G NR通信系统，所述5G NR通信系统使用多条多对电缆连接远端射频单元RRU和多个分布式天线单元DAU，每条多对电缆包括第一双绞线、第二双绞线、第三双绞线和第四双绞线，其特征在于，所述方法包括：
通过网络分析仪测量所述多对电缆的特性阻抗：将所述第一双绞线的一端连接所述网络分析仪的第一端口，将所述第二双绞线、第三双绞线和第四双绞线的两端连接电阻，将所述第一双绞线的另一端开路时通过所述网络分析仪测量所述第一端口的第一输入反射系数S11，将所述第一双绞线的另一端短路时通过所述网络分析仪测量所述第一端口的第二输入反射系数S′11，基于所述第一输入反射系数S11和所述第二输入反射系数S′11计算所述多对电缆的特性阻抗Z0；
通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的插入损耗：将所述第一双绞线的一端连接所述网络分析仪的第一端口，将所述第一双绞线的另一端连接所述网络分析仪的第四端口，将所述第二双绞线、第三双绞线、第四双绞线的两端连接电阻，通过所述网络分析仪测量所述第一端口到所述第四端口的第一正向传输系数S41，将所述第一正向传输系数S41作为所述多对电缆的插入损耗；
通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的远端串扰：将所述第一双绞线的一端连接所述网络分析仪的第一端口，将所述第二双绞线与所述第一双绞线的一端相对的一端连接所述网络分析仪的第四端口，将所述第一双绞线和所述第二双绞线的另一端、所述第三双绞线和所述第四双绞线的两端连接电阻，通过所述网络分析仪测量所述第一端口到所述第四端口的第二正向传输系数S′41，将所述第二正向传输系数S′41作为所述多对电缆的远端串扰；
通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的近端串扰：将所述第一双绞线的一端连接所述网络分析仪的第一端口，将所述第二双绞线与所述第一双绞线的一端同侧的一端连接所述网络分析仪的第四端口，将所述第一双绞线和所述第二双绞线的另一端、所述第三双绞线和所述第四双绞线的两端连接电阻，通过所述网络分析仪测量所述第一端口到所述第四端口的第三正向传输系数S″41，将所述第三正向传输系数S″41作为所述多对电缆的近端串扰。
2.如权利要求1所述的电缆测量方法，其特征在于，所述基于所述第一输入反射系数S11和所述第二输入反射系数S′11计算所述多对电缆的特性阻抗Z0包括：
根据所述第一输入反射系数S11计算所述多对电缆的开路阻抗Zoc：
Figure FDA0003898235210000011
根据所述第二输入反射系数S′11计算所述多对电缆的短路阻抗Zsc：
Figure FDA0003898235210000012
根据所述开路阻抗Zoc和所述短路阻抗Zsc计算所述特性阻抗Z0：
Figure FDA0003898235210000013
其中Zref为电阻值，根据所述第二双绞线、第三双绞线、第四双绞线连接的电阻的大小确定。
3.如权利要求1所述的电缆测量方法，其特征在于，所述通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的远端串扰包括：
通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的电缆内远端串扰和电缆间远端串扰，若通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的电缆内远端串扰，所述第一双绞线和所述第二双绞线在同一多对电缆内，若通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的电缆间远端串扰，所述第一双绞线和所述第二双绞线在不同的多对电缆内。
4.如权利要求1所述的电缆测量方法，其特征在于，所述通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的近端串扰包括：
通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的电缆内近端串扰和电缆间近端串扰，若通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的电缆内近端串扰，所述第一双绞线和所述第二双绞线在同一多对电缆内，若通过所述网络分析仪测量所述多对电缆的电缆间近端串扰，所述第一双绞线和所述第二双绞线在不同的多对电缆内。
5.如权利要求1所述的电缆测量方法，其特征在于，所述电缆测量方法应用于下一代多对多输入多输出NGMM系统。
6.如权利要求1所述的电缆测量方法，其特征在于，所述电缆测量方法应用于下一代多对超级多输入多输出NGMSM系统，所述NGMSM系统利用变压器根据所述多对电缆创建虚拟电缆对以建立幻象模式。
7.如权利要求1所述的电缆测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
评估所述5G NR通信系统的容量。
8.如权利要求7所述的电缆测量方法，其特征在于，所述每条多对电缆包括N条双绞线，所述5G NR通信系统包括两个DAU，所述评估所述5G NR通信系统的容量包括：
在所述RRU和所述两个DAU之间进行下行传输，在时间t，2N×1个接收信号y(t)为：
Figure FDA0003898235210000021
Figure FDA0003898235210000022
其中xk(t)＝[xk,1(t),xk,2(t),…,xk,N(t)]T，k∈[1,2]，表示对MQAM信号预编码并在第k个DAU的N条双绞线上传输，所有2N×1个传输信号对应x(t)，每个N×N矩阵Hij表示从第j个DAU的N条双绞线到第i个DAU的信道串扰，包括电缆内远端串扰和电缆间远端串扰，i,j∈[1,2]，H是多DAU系统的2N×2N信道矩阵，加性高斯白噪声wk(t)和DAU不相关。
9.如权利要求1所述的电缆测量方法，其特征在于，所述通过网络分析仪测量所述多对电缆的特性阻抗之前，所述方法还包括：
利用校正工具对所述网络分析仪进行校正。
10.如权利要求1所述的电缆测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用预编码方式，在所述网络分析仪的发射机和接收机处执行线性块处理，以消除所述多对电缆的电缆间远端串扰和电缆内远端串扰。
11.如权利要求1所述的电缆测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过对角矩阵HF进行块对角化来消除电缆间远端串扰和电缆内远端串扰，
Figure FDA0003898235210000031
/>
Figure FDA0003898235210000032
其中，
Figure FDA0003898235210000033
和/>
Figure FDA0003898235210000034
分别包含第一个和最后一个N维右奇异向量，进行块对角化后的有效信道矩阵为：
Figure FDA0003898235210000035
其中，
Figure FDA0003898235210000036
HkMk是第k个DAU的有效信道矩阵，在通过施加零强制约束将系统块对角线化后，最大化每个单独DAU的容量：
Figure FDA0003898235210000037
其中，∑k包含有效信道矩阵HkMk的奇异值，而
Figure FDA0003898235210000038
表示有效信道的前N个右奇异矢量，用于定义预编码矩阵为
Figure FDA0003898235210000039
12.如权利要求11所述的电缆测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过比例因子βmax标准化信号的传输功率，所述比例因子βmax如下所示：
Figure FDA00038982352100000310
13.一种室内分布式天线系统，所述室内分布式天线系统包括远端射频单元RRU和多个分布式天线单元DAU，所述RRU和所述多个DAU通过多条多对电缆连接，其特征在于，所述多条多对电缆采用如权利要求1至12中任一项所述电缆测量方法进行测量。
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Assignee: ZHONGTIAN RADIO FREQUENCY CABLE Co.,Ltd.

Assignor: Zhongtian Communication Technology Co.,Ltd.

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Denomination of invention: Cable measurement methods and indoor distributed antenna systems

Granted publication date: 20230331

License type: Common License

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