CN1464666A - 一种基于光纤拉远的软基站系统及其同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤拉远的软基站系统及同步方法。目前，移动通信网络中，利用直放站来扩大信号覆盖范围，但是同时引入了噪声电平以及降低了灵敏度。基于光纤拉远的软基站系统将从大容量基站直接耦合的射频信号经模拟光调制变换为光信号，经光纤传输给软基站，软基站再将光信号变换为电信号，并由服务天线辐射到需要覆盖的区域。该软基站系统除了具有采用数字收发信机技术所有的优点外，还增大了直放站光纤拉远距离，在解决覆盖的同时，增加了系统的容量，而且能充分利用切换的增益来提高网络质量，降低掉话率。

Description

一种基于光纤拉远的软基站系统及其同步方法

                                技术领域

本发明涉及移动通讯网络中的信号覆盖范围技术，尤其涉及一种基于光纤拉远的软基站系统及其同步方法。

                                 背景技术

目前，移动通信网络在信号覆盖范围的问题上，还存在覆盖盲区或阴影区、以及存在在用户密度较低的地域(如边远山区)、高速公路沿线、会议中心、隧道、旅游区等一些特殊区域的业务覆盖问题。为解决上述问题，目前除了增加基站之外，利用直放站来扩大网络信号的覆盖范围，也是一种较为经济有效的手段。直放站能把接收到的移动台和基站的信号进行中继放大转发，它是一种成本低、架设简单、具有小型基站功能的设备。

按照基站和直放站之间的链路方式，CDMA直放站主要分为射频直放站、微波直放站、光纤直放站。与本发明的实现方案最相近似的是光纤直放站。如图1所示，它由近端设备12和远端设备13组成。近端设备置于施主基站11近端，将从基站直接耦合的射频信号经模拟光调制变换为光信号，经光纤传输给远端设备13，远端设备13再将光信号转换为电信号后，由服务天线辐射到需要覆盖的区域。同样的，远端设备13到施主基站11的传输也遵循相同的原理。

光纤直放站具有采用光缆可远距离传输信号，没有无线直放站受隔离度、信号源及安装条件的限制，系统稳定，远端服务天线选择灵活和安装方便的诸多优点。但光纤直放站存在下述两个缺点：

1、光纤直放站引入的噪声电平和接收灵敏度的降低

采用直放站会给基站(施主)引入噪声电平，噪声恶化量会引起接收灵敏度降低。直放站与基站的连接如图2所示，图中A点是参考点。

天线入口的高斯白噪声为

    N₀＝KTB＝-113dBm(B＝1.23MHz)

基站BTS21在本小区内参考点A处的接收的热噪声电平

    N_A/BTS＝N₀-L_DOUPLE-L_CABLE+G_LNA+NF_LNA

式中：L_CABLE          馈线损耗

    L_DOUPLE            双工器/滤波器损耗

    G_LNA              低噪声放大器增益

    NF_LNA             BTS接收机噪声系数

引入直放站后，直放站包括近端22和远端23，基站BTS21通过直放站小区在参考点A处的接收的热噪声电平

    N_A/RPT＝N₀-L_COUPLE+G_R+NF_R

    式中：L_COUPLE          耦合器损耗

          G_R             直放站反向链路总增益

          NF_R            直放站接收机噪声系数

引入直放站后带来的噪声恶化量即在参考点A的总的热噪声功率电平

  N_AT＝101g[anti(N_A/BTS)+anti(N_A/RPT)]

那么，在基站参考点A，基站(施主)本身的噪声电平和引入直放站后的噪声电平的差值为(N_A/BTS-N_A/RPT)。

直放站引入的噪声大小与直放站的L_COUPLE(耦合器损耗)、G_R(直放站反向链路总增益)、NF_R(直放站接收机噪声系数)有关。

根据《800MHz CDMA直放站技术要求和测试方法》标准规定：直放站接收机噪声系数，室外直放站≤5dB，室内直放站≤6dB；最大增益≤113dB。

在基站参考点A的差值(N_A/BTS-N_A/RPT)与热噪声恶化量有一定关系。根据以上的计算结果可见，(N_A/BTS-N_A/RPT)对应一定的热噪声恶化量，由此可以根据基站的热噪声的余量要求来确定一个基站可以带动几个光纤直放站。

即使直放站达到了标准规定的要求指标，一般情况下，噪声会抬高3dB左右，而灵敏度会降低3dB左右。

光纤直放站通常可以采用三种组网方式：星型、链型和树型。由于光纤上传输的是模拟信号，会引入噪声。由以上分析可知，每个基站所带光纤直放站的数量受到限制，另外光纤直放站链型组网时需要多根光纤作为传输资源，极大地浪费了光纤资源。

2、直放站的时延问题

在CDMA蜂窝系统中，每个基站或扇区都要发射一个导频PN码信号。CDMA短码的周期为MN＝2¹⁵＝32768码片。PN码速率为1.2288MHz，其宽度为Tc＝1/1.2288＝0.814us。CDMA系统中最多有M＝512个码偏移，其间隔为N＝64码片。因为移动台是在不同距离搜索基站导频信号，基站的时间系统时钟和移动台的时间系统时钟存在着D个码片延迟，D是基站与移动台之间距离的函数。移动台的地理分布会使移动台在捕获基站导频信号时发生时间偏移，移动台可能把有些导频信号当作多径信号接收造成导频污染产生干扰。在规划基站导频时，设计了导频信号搜索窗口，解决移动台位置不确定性和导频污染问题。不同偏移码的搜索窗口的大小是不同的。

由于直放站是施主基站的延伸，在计算直放站与基站之间的距离时必须考虑施主基站码偏移的搜索窗口的大小。

令第M个导频信号的搜索窗口为±D_M码片，基站与移动台之间的最大时延为D_M码片，基站与移动台之间的最大服务物理距离

d(km)＝c*Tc*D_M，

D_M(us)＝c*Tc/d其中c＝光速Tc＝0.814us/chip

根据《800MHz CDMA直放站技术要求和测试方法》标准规定：传输时延是指直放站输出信号对输入信号的时间延迟。

光纤直放站≤5.0us

令Te＝5.0us(直放站设备时延)

 Sc＝c/1.46(在光缆中的光速)Dc＝5us/

Dr＝r/c直放站与移动终端之间的最大时延，(r是直放站与移动终端之间的最大服

务距离)

D＝Dc*H，H是直放站到基站的光纤长度(km)

从基站到直放站覆盖区的移动台的最大时延(距离)

Dmax＝Te+D+Dr(us)

Dmax＜D_M

Te+Dc*H+Dr＜c*Tc/d

H(km)＜(c*Tc/d-Te-Dr)/Dc

由此可见光纤直放站到施主基站的距离存在理论上的极限，当超过此极限(一般为10km左右)时，移动台将无法通过直放站接入基站，从而也无法获得服务。

                               发明内容

针对目前信号覆盖范围的技术中，直放站所存在的缺点，本发明的目的在于提出一种基于光纤拉远的软基站系统及其同步方法，通过光纤将大容量基站的信号传输到软基站，并由软基站的服务天线辐射到需要覆盖的区域，解决了直放站所引起的噪声和灵敏度的问题，以及光纤拉远距离受到局限的问题，并且利用软基站，可增加系统容量，并通过切换提高网络质量。

本发明是这样实现的：

一种基于光纤拉远的软基站系统，包括一个大容量基站(中心站)和数个软基站。该软基站由收发信机(TRX)模块、功放模块(HPA)、射频前端模块、环境及HPA监视模块和电源模块组成，通过光纤与主基站共享基带处理资源与主控时钟单元，其作用在于将一个大容量基站(中心站)通过光纤数字化将射频单元拉到远端来覆盖周围相邻的地区。对于该软基站与大容量基站之间通过光纤级联组成的软基站系统，连接方式包括TRX星型组网或TRX级连组网。该软基站系统的工作原理是将从大容量基站直接耦合的射频信号经模拟光调制变换为光信号，经光纤传输给软基站，软基站再将光信号变换为电信号，并由服务天线辐射到需要覆盖的区域。

本发明采用TRX星型组网连接方式，是从若干软基站的TRX模块中分别通过长短不同的光纤与基带处理单元连接。采用TRX级连组网，是先把远端TRX级连起来，再将其中位于首位或末位的软基站通过一根光纤连接到基带处理单元。

每条光纤上至多支持6个单载波的软基站级连或者一个6载波的软基站，并分配6个操作维护信令和IQ数据逻辑通道，每条光纤上分配的操作维护数据流量最大不超过一个固定值。

对于多根光纤，每一路TRX数据是分开后送到各自光纤的，不同光纤上的TRX不需知道自己的位置；对于同一根光纤上的不同TRX，由于TRX没有地址识别能力，大容量基站的基带处理模块把各个TRX的配置管理数据依次按照时隙方式加载到光纤链路上，级连链路上的各TRX都在光纤上取用某个时隙的数据，并把后面的数据依次向前移动一个时隙，这样就能实现每个TRX都正确取到自己的数据。

一种基于光纤拉远的软基站系统的同步方法，对由于引入了长度各异的光纤而带来的不同传输时延，本发明采用自动时延补偿技术来测量由于光纤长短不同而造成的不同路径时延，并调整此部分路径时延，从而实现各信道在天线口同步发射，使软基站与主基站及全网同步。

自动时延补偿技术包括延时测量和延时调整。首先，在软基站的TRX模块发送并口侧取一根空闲线用于测量路径延时。在这根线上发送一个频率很低的方波，该方波经过并/串转换后插在串行数据流中被传送到基站的基带处理模块，传送到基带处理模块的传送时延是t1。基带处理模块接受到该串行信号后进行串/并转换来恢复该方波信号，并把恢复的方波信号反馈到基带处理模块的发送通道上去。该反馈信号同样进行并/串转换后被插入到串行数据流中，经过t2的时延传输到达TRX模块，TRX模块再对该信号进行串/并转换后恢复出方波信号。TRX模块通过比较发送出去的方波信号和接收到的方波信号的相位差t(t＝t1+t2)，得出线路的传输延时。如果前向通道和反向通道的传输路径和传输介质都相同，则t1、t2相等，单向延时为0.5t。其次，考虑到串/并转换和并/串转换的固定延时，在上述延时测量结果中加上修正值来修正该部分延时，就能得到精确结果，且上述测量可实时动态进行，从而达到同步的目的。并且，延时调整是使用可变长移位寄存器来实现的。

软基站的TRX模块向基带处理模块的资源分配板上报操作维护信息和IQ数据的过程包括以下步骤：

a.软基站处理器输出的数据经TRX模块上的FPGA处理后，再经并串变换插入到光纤的数据流中；

b.光纤上的数据传到资源分配板(RD)上后，FPGA把光纤上的数据截下来，还原成TRX模块发送数据时的数据格式。

RD向软基站的TRX模块下发数据的过程是上述过程的逆过程，包括以下步骤：

a.RD中输出的数据经FPGA处理后，再经并串变换插入到光纤的数据流中；

b.光纤上的数据传到软基站的TRX模块后，FPGA把光纤上的数据截下来，还原成RD发送数据时的数据格式。

该基于光纤拉远的软基站系统，在大容量基站和软基站之间通过光纤拉远方式传输IQ数字调试信号，不会引入噪声。每个主基站所带的软基站的数量没有限制，每路光纤至少可承载6路软基站信号，避免了光纤直放站独占光纤，极大提高了光纤的利用率。能自动补偿光纤传输时延，保证全网准确同步，且使软基站单级光纤拉远最大距离可达到40km。此外，软基站系统和普通基站一样，具有灵敏度较高的接受度；发射调制精度高，失真度低；可以和管理维护原始服务基站一样进行集中管理和维护；软基站系统在解决覆盖的同时增加了系统容量；软基站覆盖区域与原始服务基站覆盖区域的更软切换关系能避免出现覆盖盲区，可充分利用软切换的3dB增益来提高网络质量，降低掉话率。

软基站系统采用数字收发信机技术，数字收发信机主要完成基带滤波，均衡滤波，数字上变频，D/A变换等功能，解决了传统模拟收发信机存在的诸多问题，明显的优势如下：

减少了模拟电路，需要调节的环节少，易实现数字容差调整；

采用数字滤波器可以很好地抑制杂散和噪声，可以降低对模拟滤波器的性能要求；

整机噪声系数典型值可以降低至4dB，灵敏度典型值可达-128dBm，可以有效地降低移

动台发射功率，提高系统容量；

采用数字均衡滤波可以显著的提高波形品质因数，协议要求ρ＞0.912，实际测量ρ＞

0.997，可以明显提高前向信道容量。

                            附图说明

图1、光纤直放站原理图。

图2、直放站噪声分布图。

图3、软基站系统方框图。

图4、TRX星型组网图。

图5、软基站结构框图。

图6、TRX前向通道处理流程图。

图7、基软站系统延时模型图。

图8、延时测量方法图。

图9、TRX板发送的数据格式。

图10、串行化前(并行)数据格式。

图11、TRX级连组网方式图。

图12、“冒泡”方式实现数据动态时隙发送图。

                              具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细描述。

实施例1

如图3所示为软基站系统方框图，该软基站系统包括一个主基站(即大容量基站)31和一个软基站32，主基站31中包括基带子系统311，基带子系统311中更包含主控时钟单元3111、资源分配板3112和基带处理单元3113。其中软基站32和主基站31共享主控时钟单元3111和基带处理单元3113，资源分配板3112接出光纤与软基站32的收发信机321相连。软基站32包括收发信机(即TRX模块)321、功放模块322、射频前端模块323、环境及HPA监控模块324及电源模块325。

本实施例的软基站系统包括一个大容量基站和6个软基站，如图4所示，该软基站系统采用TRX星型组网结构。每个软基站的TRX模块41分别通过长短不同的光纤与该大容量基站的基带处理单元3113连接。如图5所示为软基站结构框图。该软基站包括TRX模块321、功放模块(HPA)322、射频前端模块323、环境及HPA监控模块324和电源模块325。该软基站与大容量基站共享基带处理资源和主控时钟单元。软基站系统将从大容量基站直接耦合的射频信号经模拟光调制变换成光信号，光信号经光纤传输给软基站，软基站再将光信号转换为电信号，并由服务天线辐射到需要覆盖的区域。

如图6所示为TRX前向通道处理流程图，从基站控制器出来的光信号通过线路接口传至光纤，并经过延时测量、延时调整，再经信号处理，到达射频单元。

如图7所示为基站系统延时模型图。由于光纤长短不同会造成的不同路径时延，软基站系统采用自动时延补偿算法解决此问题。通过测量由于光纤长短不同造成的不同路径延时，并调整这部分延时，实现各信道在天线口的同时发射。

如图8所示为延时测量的方法，在软基站的TRX模块发送并口侧取一根空闲线用于测量路径延时。在这根线上发送一个频率很低的方波，该方波周期为2S。该方波经过并/串转换后插在串行数据流中被传送到基站的基带处理模块，传送到基带处理模块的传送时延是t1。基带处理模块接受到该串行信号后进行串/并转换来恢复该方波信号，并把恢复的方波信号反馈到基带处理模块的发送通道上去。该反馈信号同样进行并/串转换后被插入到串行数据流中，经过t2的时延传输到达TRX模块，TRX模块再对该信号进行串/并转换后恢复出方波信号。TRX模块通过比较发送出去的方波信号和接收到的方波信号的相位差t，

t＝t1+t2

即得出线路的传输延时。如果前向通道和后向通道传输路径和传输介质都相同，则t1＝t2，即为单向传输延时。串/并转换和并/串转换也会带来延时，这部分延时是固定的，不因环境而改变，在上述延时测量结果中加上修正值来修正该固定延时，就能得到精确的传输延时。

传输延时测量完毕后，再根据延时的数值用可变长移位寄存器进行延时调整，从而达到同步的目的。

大容量基站的基带处理模块通过资源分配板(RD)与TRX连接，每条光纤上至多支持6个单载波的软基站级连或者一个6载波的软基站，并分配6个操作维护信令和IQ数据逻辑通道。每条光纤上能分配的操作维护数据流量最大为：

4.2/6＝0.7Mbps

为方便，每条光纤上操作维护信息的流量取为1.2288 M时钟速率的一半：

1.2288/2＝0.6144Mbps

每条光纤上最多可带6个TRX，则每个TRX可分配数据流量为：

0.6144/6＝0.1028Mbps

所以给每个TRX分配的操作维护信息的最大流量为：102.8Kbps

每个TRX的IQ数据流量为78.6432Mbps

软基站的TRX模块向基带处理模块的资源分配板上报操作维护信息和IQ数据的过程包括以下步骤：

TRX板发送的数据格式如图8所示，其中TS0代表第一个TRX的数据，TS1代表第二个TRX的数据……，总的维护数据速率为0.6144Mbps，同时可以提供943.7184Mbps的IQ数据承载能力。

处理器输出的数据经过TRX板上的FPGA处理后经过并串变换插入到光纤的数据流中。串行化前的数据格式如图10所示，光纤经过串并转换后的数据速率为122.88M，而且是100fc为一帧，所以帧速率为1.2288M。光纤上的数据传到资源分配板(RD)上后，FPGA把光纤上的数据截下来，还原成TRX模块发送数据时的数据格式，如图9所示。

RD板向TRX下发数据的过程是上述过程的逆过程，因为RD板到TRX板的数据下发未采用广播方式，每路TRX的数据分开以后送到各自的光纤，所以不同光纤上的TRX不需知道自己的位置。RD向软基站的TRX模块下发数据的过程是上述过程的逆过程，包括以下步骤：RD中输出的数据经FPGA处理后，再经并串变换插入到光纤的数据流中；光纤上的数据传到软基站的TRX模块后，FPGA把光纤上的数据截下来，还原成RD发送数据时的数据格式。

实施例2

如图11所示为TRX级连组网方式。该软基站系统包括一个大容量基站和6个软基站，各软基站通过光纤级连起来，其中位于首位或末位的软基站通过一根光纤与大容量基站的基带处理模块连接，这种组网方式与TRX星型组网方式相比可节省大量光纤。

软基站的结构框图与实施例1相同。

对于同一根光纤上的不同TRX，由于TRX没有地址识别能力，TRX本身不知道自己处于链中的位置，本实施例通过“冒泡”方式实现数据的动态时隙发送，如图12所示，大容量基站的基带处理模块把各个TRX的配置管理数据依次按照时隙方式加载到光纤链路上，级连链路上的各TRX都在光纤上取用0时隙的数据，并把后面的数据依次向前移动一个时隙，这样就能实现每个TRX都正确取到自己的数据。

Claims (11)

1、一种基于光纤拉远的软基站系统，其特征在于，所述软基站系统包括一个大容量基站(中心站)和若干个软基站，所述软基站与大容量基站共享基带处理资源和主控时钟单元；软基站与大容量基站的连接方式可以为TRX星型组网方式或TRX级连组网方式；所述软基站系统将从大容量基站直接耦合的射频信号经模拟光调制变换成光信号，光信号经光纤传输给软基站，软基站再将光信号转换为电信号，并由服务天线辐射到需要覆盖的区域。

2、如权利要求1所述的一种基于光纤拉远的软基站系统，其特征在于，所述软基站包括TRX模块、功放模块(HPA)、射频前端模块、环境及HPA监控模块和电源模块。

3、如权利要求1所述的一种基于光纤拉远的软基站系统，其特征在于，所述TRX星型组网方式是从若干软基站的TRX模块中分别通过长短各异的光纤与基带处理单元连接。

4、如权利要求1所述的一种基于光纤拉远的软基站系统，其特征在于，所述TRX级连组网方式为：先将软基站通过光纤级连起来，然后将其中位于首或末位的软基站通过一根光纤与基带处理模块连接。

5、如权利要求1所述的一种基于光纤拉远的软基站系统的同步方法，其特征在于，每条光纤上至多支持6个单载波的软基站级连或者一个6载波的软基站，并分配6个操作维护信令和IQ数据逻辑通道，每条光纤上分配的操作维护数据流量最大不超过一个固定值。

6、如权利要求1所述的一种基于光纤拉远的软基站系统，其特征在于，所述大容量基站的基带处理模块把各个TRX模块的配置管理数据依次按照时隙方式加载到光纤链路上，级连链路上的各TRX模块都在光纤上取用某个时隙的数据，并把后面的数据依次向前移动一个时隙，使每个TRX模块都正确取到自己的数据。

7、一种基于光纤拉远的软基站系统的同步方法，其特征在于，所述光信号从基站控制器通过线路接口传至光纤，在所述光纤上进行传输时，信号需要经过延时测量，延时调整，信号处理到达射频单元，以使信号在天线口同步发射。

8、如权利要求7所述的一种基于光纤拉远的软基站系统的同步方法，其特征在于，对光信号进行动态延时测量的方法包括以下步骤：

a.在TRX发送并口侧取一根空闲线，在这根线上发送一个频率很低的方波信号，所述方波信号经过并/串转换后插在串行数据流中传送至基带处理模块，由此可得传送延时t1；

b.基带处理模块接收到串行信号后对其进行串/并转换，恢复出所述方波信号，并把恢复的方波信号反馈到基带处理模块自己的发送通道上去，反馈回来的信号同样经过并/串转换后插入到串行数据流中传送至TRX模块，TRX模块再对信号进行串/并转换后恢复出方波信号，由此可得传送延时t2；

c.TRX模块比较发送出去的方波信号和接收到的方波信号的相位差t，即为信号在所述线路上的传输延时；

d.再对步骤c得出的传输延时t加上固定的修正值，以修正因串并转换和并串转换带来的延时。

9、如权利要求8所述的一种基于光纤拉远的软基站系统的同步方法，其特征在于，所述的延时调整采用可变长移位寄存器实现。

10、如权利要求7所述的一种基于光纤拉远的软基站系统的同步方法，其特征在于，软基站的TRX模块向基带处理模块的资源分配板上报操作维护信息和IQ数据的过程包括以下步骤：

a.软基站处理器输出的数据经TRX模块上的FPGA处理后，再经并串变换插入到光纤的数据流中；

b.光纤上的数据传到资源分配板(RD)上后，FPGA把光纤上的数据截下来，还原成TRX模块发送数据时的数据格式。

11、如权利要求7所述的一种基于光纤拉远的软基站系统的同步方法，其特征在于，RD向软基站的TRX模块下发数据的过程包括以下步骤：

a.RD中输出的数据经FPGA处理后，再经并串变换插入到光纤的数据流中；

b.光纤上的数据传到软基站的TRX模块后，FPGA把光纤上的数据截下来，还原成RD发送数据时的数据格式。

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