面向TD-LTE网络的塔顶放大器控制单元设计

面向TD-LTE网络的塔顶放大器控制单元设计
吕燚;李文生;邹昆
【摘要】According to the communication and control performance requirement of Time Division Long Term Evolution ( TD-LTE) network' s Time Division Duplex( TDD) work mode for tower mounted ampli-fier ( TMA) ,a controller design scheme is provided which conforms to Antenna Interface Standard Group ( AISG) protocol. Circulator and high power radio frequency( RF) switch are jointly employed to build the transceiver module,which improves the isolation between uplink and downlink and also avoids the closed loop self-excitation. A demodulation method based on logarithmic amplifier is used to realize the OOK communication circuit with adjustable demodulation sensitivity. TMA state detection and fault handling methods are designed through synchronous measurement of its working current during uplink slot to improve the efficiency of fault exploration and recovery. Test results show that the presented design scheme primely meets the requirement of AISG protocol,the state monitoring function is perfect,alarm raising way is reson-able,and it also features auto-recovery function under non- permanent failure.%根据TD-LTE网络时分复用工作方式对塔顶放大器(TMA)的通信和控制性能要求,提出了一种符合天线接口标准组(AISG)协议的控制单元设计方案.利用环行器和大功率射频开关构建了射频收发模块,显著提高了上下行通道间的隔离度并有效避免了闭环自激.采用基于对数放大器的检波方法实现了解调灵敏度可调节的OOK通信电路.提出上行时隙内进行同步工作电流检测的TMA状态检测和故障处理方法,改善了其故
障检测与恢复的效率.测试结果表明,设计方案符合AISG协议规范要求,状态监控功能完善,告警上报方式合理,且具备非永久故障下自动恢复的功能.
【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2017(057)012
【总页数】6页(P1440-1445)
【关键词】时分复用长期演进网络;AISG协议塔顶放大器;低噪声放大器;控制单元【作者】吕燚;李文生;邹昆
【作者单位】电子科技大学中山学院计算机学院,广东中山528402;电子科技大
学计算机科学与工程学院,成都611731;电子科技大学中山学院计算机学院,广东
中山528402;电子科技大学计算机科学与工程学院,成都611731;电子科技大学中山学院计算机学院,广东中山528402;电子科技大学计算机科学与工程学院,成都611731
【正文语种】中文
【中图分类】TN722
塔顶放大器(Tower Mounted Amplifier,TMA)是用于放大基站上行信号的微波器件，因而需要直接安装在天线底端，在接收信号进入射频馈线之前进行低噪声放大，用于改善上行信号质量，提高上行信号信噪比，是解决基站上下行信号不平衡问题，提升基站覆盖距离和覆盖质量的有效手段[1-2]。

随着中国移动4G通信网络的迅
速推广，时分复用长期演进(Time Division Long Term Evolution,TD-LTE)基站建设呈现井喷式发展，时分复用TMA得到了广泛的应用[3-4]。

TD-LTE塔放中收发信号的同步和切换控制是主要技术难点，许多文献对其进行了研究。

文献[5]提出
一种改进符号同步算法抗频偏性能的同步算法，文献[7]给出一种通过信号相关检
测实现主同步信号快速捕获的方法，文献[8]提出利用检测用户信道信息特征来实
现上行同步控制的算法。

但上述方法计算量大，对系统运算能力要求高，因而并不适合在塔放的低成本嵌入式处理器中应用。

为统一天线设备与基站的通信接口，全球主要移动通信系统、天线以及微波器件厂家联合成立了天线接口标准化组织(Antenna Interface Standards Group,AISG)，并参照3GPP TS-25.460-466等国际标准制定了AISG2.0协议。

经过多年的发展，目前新建的基站系统都集成了AISG通信模块，该协议已经成为基站与天线设备之间通信的事实标准，是目前塔顶放大器、下倾角电调天线和方位角电调天线和天线姿态传感设备领域的研究热点。

文献[1]概括性介绍了基于AISG协议的电调电线
控制系统结构，给出了上位机控制软件的设计方法。

文献[2]给出了具有驻波检测
功能塔顶放大器的设计方案，提出了将驻波故障融入AISG故障告警流程的实现方法。

文献[9]研究了一种高效的AISG协议设备扫描算法。

对于时分复用的塔放如
何进行故障检测，并在ASIG协议框架下实现故障告警和故障恢复，仍未见相关文献报道。

本文将从控制和软件两方面介绍时分复用TMA的设计思路，给出包括收发信号切换模块、同步信号检测等核心模块的电路设计和主要软件模块的设计及实现方法，最终完成与基站系统的ASIG协议和TMA相关功能测试。

TD-LTE上下行链路采用时分复用方式，基站与终端通信的基本单位是帧，每帧时长为10 ms，由两个半帧组成，每个半帧由5个子帧构成，每个子帧时长1 ms，子帧可以是上行子帧、下行子帧或是特殊子帧，特殊帧用于上下行之间的信道切换。

每帧内各子帧的顺序和数量由不同的配置决定。

目前3GPP TS 36-211国际规范
中共定义了7种帧结构，图1为2号帧结构中特殊子帧所处位置，其中0、3、4、5、8、9号子帧为下行子帧，2号和7号为上行子帧，1号和6号为特殊子帧。

由
帧结构图可知，以2号帧为例，TMA上下行通道切换周期为5 ms。

本系统选用32位处理器STM32F103VBT6作为嵌入式控制器核心，系统总体结构如图2所示，硬件电路由两组射频信号收发模块、同步信号检测电路、OOK调制解调器、(收发模块)工作状态监控模块和嵌入式控制器最小系统组成。

收发模块实现上下行信号的分时切换，并保证上下行通道之间有较高的隔离度，防止出现闭环自激和大功率信号损坏低噪声放大器(Low Noise Amplifier ，LNA)的情况。

工作状态监控模块负责对收发控制模块中核心射频元件的工作状态监控。

由于TMA 本身无法检测射频信号质量，本设计中采用了监控LNA和大功率射频开关的工作电流的方案，电流过大或者过小都判定为故障状态。

同步信号检测单元采用了有效值功率检波的方法完成从下行信号中检测收发同步信号。

收发模块根据该同步信号进行上下行通道切换。

OOK调制解调器采用对数检波的方案实现满足AISG通信要求的OOK通信，两个BTS端口同一时刻只有一路有AISG信号，系统中通过单刀双掷的模拟开关S2在两端口之间切换。

此外，本系统还包括射频端口和AISG端口的防雷、浪涌电流抑制以及过流保护电路等。

TD-LTE制式中上下行信号频率相同，采用不同的时隙来完成信号收发，TMA需要与基站信号保持同步[5-7]，在接收和发送两种状态之间切换，因而上下行通道之间需要有较高的隔离度，保证下行时隙内大功率信号不会进入LNA，上行时隙内接收信号放大后不会产生闭环自激[8]。

本设计的TMA的收发控制模块结构如图3所示，图中L1～L4为1/4波长微带线，S1和S2为由PIN二极管构成的射频开关。

上行、下行通道之间采用了环形器A1、A2和大功率射频开关S3、S4来提高隔离度。

下行时隙内S1处于断开状态，大功率信号经过A1、 L1、L2，最后通过环行器A2到天线端，此时S3、S4受T/R信号控制接通到由C3和R4(C4和R2)构成的匹配通道一侧，从而防止大功率反射信号对LNA造成损坏。

上行时隙内，在T/R信号的控制下，S3、S4接通LNA通路，S5接通LNA电源，上行信
号放大后经过环行器A1传回基站端。

压控增益衰减电路实现对LNA增益的温度
补偿，实现在整个工作温度范围内上行增益恒定。

S2为旁路通道开关，TMA正常工作状态下其处于导通状态，当LNA、S3或S4出现故障时，S2断开，上行信号经过旁路通道回到基站端。

旁路状态下TMA失去了放大作用，属于故障状态，系统软件将关闭S3、S4和LNA的电源，然后通过AISG协议上报告警信息。

AISG协议物理层支持485通信和OOK载波通信两种方式[5]。

由于TMA直接与射频馈线相连，所以采用ASIG信号与射频信号共用馈线的OOK方式不但可以省掉AISG线缆，节省系统成本，还大大简化了系统安装难度，该通信方式是TMA
的首选。

本系统中设计了一射频开关和对数检波器为核心的OOK调制解调电路，如图4所示。

图4中OOK端口为载波信号，通过高压耦合电容直接与射频馈线相连，RX和TX 分别与单片机UART模块的RXD和TXD相连。

STM32单片机为3.3 V器件，而射频开关HMC349工作在5 V电压下，因而本设计中TXD引脚工作在开漏模式，通过上拉电阻R1实现高电平输出。

图中U17为有源晶振，数据发送期间，当TXD为低电平时OOK输出2.176 MHz的载波信号，为高电平时无载波信号输出。

信号解调采用了对数放大器AD8310，其VOUT引脚的电平状态直接反映了OOK 信号线上否有载波信号，通过开漏输出的比较器U4-A与阈值检测电压比较检出接收信号，最后经过施密特反相器U5-A得到接收信号RX。

为了防止在在TX端发
送的信号绕回到接收端RX，设计了由D1、D2、R22、R23和C12组成的非平衡充放电电路，当TX为低电平时， C12放电电阻小，放电速度快；TX为高电平时
C12的充电速度则要慢得多，从而在TX发送信号期间比较器U4-B的同相端电压低于反相端，拉低其输出信号，保证了在TX发送信号过程中RX始终为空闲状态
高电平。

同步信号检测采用了功率检波器HMC1020，电路如图5所示。

A1为由微带线构
成的30 dB耦合器，R15、R16和R17构成3.5 dB的信号衰减器，C10为耦合
电容，U1为有效值功率检波器HMC1020，频率范围0～3.9 GHz，通过配置
SCI1～SCI4的逻辑电平可以调节检波时延。

按照4G规范，收发切换应控制在3
μs之内，本设计中SCI1和SCI2配置为高电平，SCI3和SCI4配置为低电平，检波延时0.1 μs。

U6为高速电压比较器LMV7239，U9为D触发器74HC74D，
U6和U9构成高速迟滞比较器，图中Vth-H为门限上限，Vth-L为门限电压下限制。

U1的检波输出接入高速迟滞比较器得到收发控制信号T/R。

本设计的软件主要包括两大功能模块，分别是AISG协议栈、TMA状态检测及故
障处理。

AISG协议栈实现底层数据的高效收发、数据链路的建立与维护、AISG
命令与参数的解析接口和固件更新等功能。

TMA状态检测及故障处理模块实现上
行信道中有源器件的实时监控，当器件故障时，需要及时关断有源器件电源，并尝试定时恢复，与此同时通过AISG协议向基站上报相关告警信息。

AISG协议栈设计模型如图6所示，为三层结构。

物理层采用OOK Modem或485通信，在本系统中基站与TMA之间的通信采用OOK Modem方式[9]。

底层数据收发采用了STM32单片机的UART模块配合DMA来实现高效的自动数据收发，接收过程中DMA自动将UART接收数据存储SRAM中，单片机定时对接收命令解析处理。

数据发送则将打包好的AISG数据帧写入发送缓冲器后启动DMA，DMA自动完成数据的发送。

该方案保证了在数据发送过程中，字节间的时间间隔小于AISG协议所规定的3 ms。

ASIG协议的数据链路层采用了非平衡通信方式的HDLC方式，数据整分为3种类型：I帧实现应用层的数据收发，XID帧完成数据链路层的设备扫描和连接维护等功能，RR帧在非平衡通信方式实现告警信息的及时上报[10]。

应用层包括抽象AISG命令解析接口和相应的功能模块，包括TMA
状态监控、告警信息上报、AISG参数和固件更新等。

本设计参考TCP/IP协议的
设计模式，严格执行分层设计的思想，同时层间数据采用零拷贝技术，有效提高了
协议的执行效率。

由于LNA电源受收发同步信号(T/R)的控制，因而LNA工作电流的检测需要与
T/R信号同步，确保只在上行时隙内对其工作电流进行检测,本系统中采用T/R信号启动1 ms的AD采集定时器，其结构示意图7所示。

定时器溢出事件自动触发执行ADC采集，ADC转换完成后由DMA将采集结果存储，两个射频开关和LNA的工作电流将在同一个上行时隙内完成AD采集和存储，最后单片机在DMA 传输完成中断中对其工作状态进行判别，并进行故障处理。

本设计中通过监控TMA中关键有源射频元件的工作电流来判别其工作状态，包括图3中所示的LNA芯片A3和大功率射频开关S3和S4。

例如：其中LNA在常温下正常工作电流约为60 mA，电流过高或过低都表明LNA工作异常。

本系统设定LNA电流范围为45～75 mA，超出该范围则判定LNA故障。

当LNA故障时程序需要立即关断LNA电源，上行通道切换到旁路状态，并向基站上报LNA故障告警信息。

为了防止因暂时性故障导致TMA长时间处于旁路状态，本系统中设定了故障后定时尝试再次打开LNA电源的功能，故障检测流程如图8所示。

当LNA故障时上报AISG主要告警，当S3或S4故障时上报AISG次要告警，无论出现何种故障，都将关闭上行通道所有射频器件的供电，并切换到旁路通道。

控制单元测试主要包括AISG物理层测试和AISG协议对接测试，其中AISG协议下TMA故障检测与处理功能测试是对接测试的重点。

OOK电路测试波形如图9所示，1号通道波形为OOK信号，2号通道为解调得到的RX信号，3号通道为控制单元的回应信号TX。

调节图3中R8和R9的电阻值可以调节OOK模块的解调灵敏度，本设计中最终实测解调灵敏度为-18 dBm，调制发射功率为+4 dBm，满足AISG规范要求。

最后本设计与爱立信和华为基站系统进行了大数据量的协议对接测试，进一步验证了该OOK电路性能完全满足实际应用要求。

AISG协议对接测试主要包括TMA正常状态下的协议测试和故障状态下的功能测
试两部分。

TMA正常状态下的协议测试环节完成了与华为、爱立信TD-LTE 基站
系统的对接，实现了包括设备扫描、建立连接、参数配置、固件更新、TMA状态
设置、状态反馈和获取告警信息等功能。

故障状态下功能测试主要完成了在LNA
故障、射频开关故障和同步信号丢失3种情况下的出错处理、告警上报和出错恢
复功能，测试结果如表1所示。

本设计中射频开关故障上报AISG次要告警，LNA 故障上报主要告警，同步信号丢失则反复上报两种告警信息，上报时间间隔为2 s。

在基站选址与建设成本不断增加的情况下，通过增设塔顶放大器来增加覆盖距离、改善上行信号质量成为运营商的首选，因此，TMA具有广阔的市场前景。

本文从
控制电路和软件实现两方面详细介绍了TMA控制器的设计思路。

首先介绍了TD-LTE的帧格式及其上下行通道切换的特点，给出了系统总体结构；然后从收发控制模块、同步信号检测电路和OOK通信电路三个方面阐述控制器的硬件设计，软件实现方面主要介绍了嵌入式AISG协议栈的设计思路和TMA状态监控和故障处理功能的实现方法；最后给出了控制器硬件及协议对接测试结果。

本设计已经完成了与华为、爱立信基站系统的协议测试和TMA功能测试，并且已经应用于中国移动4G基站系统中，实际运行结果表明该设计协议兼容性好，状态监控功能完善，长期运行稳定可靠。

吕燚(1981—)，男，山西大同人， 2006年于广东工业大学获工学硕士学位，现
为副教授，主要研究方向为智能控制技术、可靠性建模与维修；
Email：******************
李文生(1966—)，男，湖南郴州人，1991年获硕士学位，现为教授，主要研究方向为嵌入式系统开发、多媒体体处理与通信；
邹昆(1980—)，男，湖北郧西人，博士，主要研究方向为图形图像处理。

【相关文献】
[1] 李文生，罗仁泽,吕燚,等.电调天线设备控制系统的设计与实现[J].电讯技术，2011，51(1):68-73.
LI Wensheng,LUO Renze,LYU Yi,et al.Design and implementation of an antenna line device control system[J].Telecommunication Engineering,2011,51(1):68-73.(in Chinese)
[2] 吕燚，邓春健，邹昆. 带驻波检测功能的AISG塔顶放大器控制单元设计[J].电讯技术， 2016，56(10):1134-1139.
LYU Yi,DENG Chunjian,ZOU Kun. Design of control unit of AISG tower mounted amplifier with standing wave fault monitoring function[J].Telecommunication
Engineering,2016,56(10):1134-1139. (in Chinese)
[3] 徐强,全欣,潘文生,等.同时同频全双工LTE射频自干扰抑制能力分析及实验验证[J].电子与信息学报,2014,36(3):662-668.
XU Qiang,QUAN Xin,PAN Wensheng,et al.Analysis and experimental verification of RF self-interference cancelation for co-time co-frequency full-duplex LTE[J].Journal of Electronics & Information Technology,2014,36(3):662-668. (in Chinese)
[4] 李文伟,陈宝仁,吴谦,等.TD-LTE电力无线宽带专网技术应用研究[J].电力系统通
信,2012,33(11):82-87.
LI Wenwei,CHEN Baoren,WU Qian,et al.Applied research of TD-LTE power wireless broadband private network[J].Telecommunications for Electric Power
System,2012,33(11):82-87. (in Chinese)
[5] 田增山,庞宗廉,方鑫,等.一种改进的LTE系统下行同步算法[J].电讯技术,2014,54(04):457-462.TIAN Zengshan,PANG Zonglian，FANG Xin,et al.Improved synchronization algorithm for LTE downlink system[J].Telecommunication Engineering,2014,54(04):457-462. (in Chinese)
[6] 郭丽强,陈发堂. 一种基于多核嵌入式系统的TD-LTE同步校正方法[J].电子技术应用，
2014,40(4):70-72+76.
GUO Litang,CHEN Fatang.Approach of synchronization correction in TD-LTE based on multicore embedded system[J].Application of Electronic Technique,2014,40(4):70-72+76. (in Chinese)
[7] 杨秀梅,熊勇,贾国庆. 一种LTE系统的主同步信号快速捕获方法[J].应用科学学报，2012，
32(1):14-18.
YANG Xiumei,XIONG Yong,JIA Guoqing. Fast acquisition of primary synchronization signal in LET systems[J].Journal of Applied Sciences,2012,32(1):14-18. (in Chinese)
[8] 陈禹,温向明,郑伟. 一种基于LTE TDD系统上行同步控制算法[J].电子与信息学报，2010，
30(8):1938-1942.
CHEN Yu,WEN Xiangming,ZHENG Wei. Research on uplink synchronous control in LTE TDD system[J].Journal of Electronics & Information Technology,2010,32(8):1938-1942. (in Chinese)
[9] 李文生,罗仁泽,邓春健. 基于二叉扫描树的电调天线设备扫描算法[J].电子科技大学学
报,2013,42(4):597-601.
LI Wensheng,LUO Renze,DENG Chunjian. A scanning algorithm for ALDs based on binary scanning tree[J].Journal of University of Electronic Science and Technology of
China,2013,42(4):597-601. (in Chinese)
[10] 刘现锋,邓春健,崔园. 基于AISG协议的嵌入式Web服务器的设计[J].现代电子技术，2016，39(2):69-72.
LIU Xianfeng,DENG Chunjian,CUI Yuan.Design of embedded Web server based on AISG protocol[J].Modern Electronics Technique,2016,39(2):69-72. (in Chinese)。