一种高精度的射频拉远单元VSWR测量方法与流程

一种高精度的射频拉远单元vswr测量方法
技术领域
1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种高精度的射频拉远单元vswr测量方法。


背景技术：

2.对于射频拉远单元(rru,remote radio unit)下行通道(dl，downlink)而言，主要功能之一是将数字信号经数模转换(d/a,digital to analog)，然后经pa放大并发射到天线端口，再经过馈线传输到天线，最后以电磁波的形式辐射到空中，与手机终端建立通信。
3.一个理想的射频系统，期望pa发射端百分之百的将能量辐射到天线设备，这要求信源、馈线、天线端口连接器件间的特征阻抗和负载阻抗保持精确匹配，并且信号传输过程中不存在任何泄漏和干扰。
4.然而，现实世界不存在完美的末端匹配。无线系统中，连接器件硬件特性所决定的阻抗不匹配，或由于天线端口生锈、松动、馈线损坏等客观原因造成的阻抗不匹配，致使入射波能量传输到输入端未被全部吸收，部分或全部反射回发射端，造成pa发射受阻，产生掉话、高误码率、小区覆盖半径缩小等业务影响。严重时，由于反射能量聚集，甚至烧毁pa。
5.vswr是回波损耗(rl，return loss)的标量函数，描述了功率发射源与输入端的阻抗匹配度。当vswr趋近于1.0，表示射频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射和损耗。当vswr无穷大时，表示能量完全未被辐射出去，也就是全反射。rru系统中，可以通过检测vswr来确定天线端口、馈线、天线连接结点之间的连接正常性和阻抗匹配性。
6.传统的vswr测量一般基于fpga或soc实现数字功率采集，再根据温度、频点和链路的衰减进行功率增益补偿，推算出天线口的模拟功率，然后计算vswr值。由于硬件资源的局限性和硬件成本考虑，这种功率采集所使用的样本数据有限，数据处理模型简单，测量结果误差和抖动较大。
7.vswr测量需要借助一个环形器，用于隔离发射信号(前向通道信号)和反射信号(反向通道信号)，该环形器应尽可能的靠近天线口。这种基于电路增益技术的环形器无法做到百分之百的信号隔离，仍有少量发射信号泄漏进入反向通道，造成反射功率测量值不准确，而造成vswr测量误差。
8.当vswr较大时，rru触发vswr告警并上报给bbu(base band unit，基带处理单元)或rru自动进入pa保护流程，通过删除载波、关闭pa等方式来达到硬件保护目的。但是，瞬间的vswr较大不足以损坏pa，根据rru硬件设计指标规定，pa应至少能够保证在天线口全反射(vswr无穷大)的情况下正常工作1分钟而不被损坏。实际应用场景中，由于vswr测量值的不准确或抖动过大，经常导致rru误报vswr告警，造成小区退服或服务能力降低。


技术实现要素：

9.针对上述vswr测量精度低、环形器信号泄漏、告警误报等问题，本发明公开了一种高精度的射频拉远单元vswr测量方法，目的在于消除环形器信号泄漏误差、提升vswr测量精度、降低vswr告警误报概率。
10.同时，本发明综合考虑vswr测量速度、计算精度，按需调度两种vswr测量方法，实现了cpu均衡负载，提高了rru的健壮性，从而降低基站的运维成本。
11.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种高精度的射频拉远单元vswr测量方法，定义了两种vswr调度模式：fast vswr和slow vswr；当vswr较小或vswr超过pa的保护门限时，将工作在fast vswr模式，当vswr较高，但未超过pa保护门限时，将工作在slow vswr模式，具体包括如下步骤：
12.步骤1：预定义如下阈值：vswr状态机工作门限、vswr前向功率门限、vswr轻微告警门限、vswr严重告警门限、pa保护告警门限、vswr告警触发次数窗口、vswr告警清除次数窗口；
13.步骤2：默认启动fast vswr工作模式，进行fast vswr测量，对测量得到的vswr做加权移动平均值滤波；
14.步骤3：如果fast vswr工作模式下滤波后的vswr小于或等于所述vswr状态机工作门限，则转到步骤2,继续做fast vswr测量；如果滤波后的vswr满足所述pa保护告警门限条件，则关闭pa；否则，停止fast vswr测量，进入下一步，启动slow vswr工作模式；
15.步骤4：slow vswr运行，进行slow vswr测量，对测量得到的vswr做加权移动平均值滤波；
16.步骤5：如果slow vswr工作模式下滤波后的vswr测量值小于或等于所述vswr状态机工作门限，停止slow vswr测量，转到步骤2,重新进行fast vswr测量；否则，进行告警检测；
17.步骤6：告警触发检测；
18.步骤7：告警清除检测。
19.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
20.1、定义了两种vswr调度模式：fast vswr(精度稍低、效率较高的快速vswr测量方法)和slow vswr(精度较高、效率稍低的慢速vswr测量方法)。当vswr较小或vswr超过pa保护门限时，将工作在fast vswr模式，旨在快速发现vswr异常、及时触发pa保护机制。当vswr较高，但未超过pa包含门限时，将工作在slow vswr模式，旨在提供较高精度的vswr测量。
21.2、fast vswr作为默认测量方法，直接从fpga或soc采集前向通道功率(forward signal power)和反向通道功率(reverse signal power)以快速计算vswr，并结合功率检测、软件滤波来抑制vswr测量值瞬时抖动，适用于全反射或接近全反射的场景。fast vswr目的在于快速发现vswr异常、迅速触发告警以采取必要的pa保护措施。
22.3、slow vswr从前向通道(fwd，forward path)和反向通道(rev，reverse path)采集i/q信号，构造反射信号的自相关矩阵、反向信号与前向信号的互相关向量，使用最小二乘法估计前向信号的泄漏系数，再以带内滤波、卷积滤波的技术从反射信号中消除泄漏成分，以提高vswr测量精度。
23.4、应用了一种加权移动平均滤波(wma，weight moving average)用于降低vswr告警误报概率。
附图说明
24.图1为本实施例的rru上下行通道和vswr测量原理示意图。
25.图2为本实施例的return loss和vswr对应关系示意图。
26.其中，1是从反向通道消除泄漏和干扰；2是反向通道抓数点；3是前向通道抓数点；5是反向信号和前向泄漏信号；6是pa；7是反向功率测量通道；8是前向反馈功率测量通道；9是耦合器；10是环形器；11是fwd和rev切换开关；12是模拟滤波器；13是天线；14是馈线；15是天线端口。
具体实施方式
27.为了便于本领域技术人员理解，下面结合具体实施方式、步骤以及附图对本发明作进一步说明。
28.为了降低运算复杂度，步骤所涉及的时域相关、卷积均以傅立叶变换(fft，fast fourier transform)到频域做乘积，然后逆傅立叶变换(ifft，inverse fast fourier transform)到时域。
29.xcorr(rev，fwd)＝ifft(fft(rev)
·
fft(conj(fwd))
30.其中，conj为共轭函数。
31.假设前向通道采样率为307.2mhz，反向通道采样率为153.6mhz。
32.如图1和图2所示，本发明公开了一种高精度的射频拉远单元vswr测量方法，定义了两种vswr调度模式：fast vswr和slow vswr；当vswr较小或vswr超过pa的保护门限时，将工作在fast vswr模式，当vswr较高，但未超过pa保护门限时，将工作在slow vswr模式，具体包括如下步骤：
33.步骤1：预定义如下阈值：vswr状态机工作门限、vswr前向功率门限、vswr轻微告警门限、vswr严重告警门限、pa保护告警门限、vswr告警触发次数窗口、vswr告警清除次数窗口；
34.步骤2：默认启动fast vswr工作模式，进行fast vswr测量，对测量得到的vswr做加权移动平均滤波；
35.步骤3：如果fast vswr工作模式下滤波后的vswr小于或等于所述vswr状态机工作门限，则转到步骤2,继续做fast vswr测量；如果滤波后的vswr满足所述pa保护告警门限条件，则关闭pa；否则，停止fast vswr测量，进入下一步，启动slow vswr工作模式；
36.步骤4：slow vswr运行，进行slow vswr测量，对测量得到的vswr做加权移动平均滤波；
37.步骤5：如果slow vswr工作模式下滤波后的vswr测量值小于或等于所述vswr状态机工作门限，停止slow vswr测量，转到步骤2,重新进行fast vswr测量；否则，进行告警检测；
38.步骤6：告警触发检测；
39.步骤7：告警清除检测。
40.所述步骤1中预定义的阈值如下表所示：
41.[0042][0043]
门限值仅供参考，实际取值依赖于pa对于全反射的耐适配极限
[0044]
步骤2具体为：rru上电启动
→
硬件初始化
→
cpri链路同步
→
控制管理链路建立
→
载波建立
→
下行增益控制收敛
→
dpd(digital pre
‑
distortion，数字预失真)收敛
→
启动fast vswr。
[0045]
步骤2.1：将反馈开关切到反向通道，从fpga或soc同时采集前向数字功率和反向数字功率,分别记为p
fwd
(dbfs)、p
rev
(dbfs)。
[0046]
步骤:2.2：推算天线口入射功率p
fwd
(dbm)和反射功率p
rev
(dbm)
[0047][0048][0049]
其中为前向通道温度、频率、衰减的增益补偿，为反向通道温度、频率、衰减的增益补偿。
[0050]
步骤2.3：如果p
fwd
(dbm)≤vswr_forward_threshold，转到步骤2.1。否则，进入下一步。
[0051]
步骤2.4：计算回波损耗rl
fast
(db)和
[0052]
rel
fast
(db)＝p
fwd
(dbm)
‑
p
rev
(dbm)
[0053][0054]
步骤2.5：对测量值做加权移动平均滤波。
[0055][0056][0057]
其中，为滤波前vswr均值,为滤波后的新值,w为权重。
[0058]
步骤3：如果转到步骤2,继续做fast vswr
测量。如果连续满足vswr_alarm_number次,触发pa保护告警并关闭pa。如果vswr_method_threshold＜vswr
filter
≤vswr_pa_threshold，停止fast vswr测量，进入下一步，启动slow vswr。
[0059]
步骤4.1：slow vswr运行，将反馈开关切到反向通道，在一个cpri 10ms基本帧周期内，同时从前向通道抓数点、反向通道抓数点采集2毫秒的i/q信号，i/q各为16bit，根据采样率得出：前向通道抓取38400组i/q，记为其中n＝38400；反向通道抓取19200组i/q，记为其中m＝19200。对两倍过采样，即每隔一个i/q之间插入一个复数零：(0+0
·
j)，得到
[0060][0061]
步骤4.2：计算前向数字功率rms
fwd
(dbfs)
[0062][0063]
步骤4.3：前向功率标定处理，限制在(
‑
∞，
‑
18dbfs]区间内，并进行温度、频率、衰减的增益补偿
[0064][0065]
如果转到步骤4.1；否则，进入下一步。
[0066]
步骤4.4：估计前向通道泄漏到反向通道的信号成分。首先，构造反射信号的自相关矩阵r
xx
[0067][0068][0069]
其中xcorr为互相关函数，toeplitz为托普利兹矩阵生成函数。
[0070]
然后，构造反射信号和入射信号的互相关矩阵r
xy
[0071][0072][0073]
r
xy
＝t
xy
(1：64，n：n+64)
[0074]
最后，以最小二乘法求解相关系数l
fwd
[0075]
l
fwd
＝r
xx
‑1·
r
xy
[0076]
l
fwd
即为前向信号经过环形器泄漏到反向通道的相关系数估计。
[0077]
步骤4.5：以卷积滤波算法从反向通道信号中消除前向通道信号的泄漏成分，得到
[0078]
[0079]
其中conv为卷积函数。
[0080]
步骤4.6：对带内滤波，仅保留前向通道带宽内的反射信号。假设，下行载波的频点范围为
[0081][0082]
即为消除了泄漏和干扰之后的带内反向信号。
[0083]
步骤4.7：:计算反向信号的数字功率，并作scale处理和温度、频率、衰减的增益补偿，得到
[0084][0085][0086]
步骤4.8：slow vswr计算回波损耗和
[0087][0088][0089]
步骤4.9类似步骤(07)对做加权移动平均滤波得到
[0090][0091]
步骤5：如果转到步骤2做fast vswr测量。如果连续满足vswr_alarm_number次,上报pa保护告警，并关闭pa。如果警，并关闭pa。如果继续下述步骤，检测vswr告警。
[0092]
步骤6：告警触发检测：如果连续vswr_alarm_number次大于vswr_pa_threshold，则触发vswr pa保护告警；如果连续vswr_alarm_number次大于vswr_major_threshold，则触发vswr严重告警；如果连续vswr_alarm_number次大于vswr_minor_threshold，则触发vswr轻微告警。
[0093]
步骤7：告警清除检测：如果连续vswr_alarm_number次大于vswr_pa_threshold，则触发vswr pa保护告警；如果连续vswr_alarm_number次小于vswr_major_threshold，则清除vswr严重告警；如果连续vswr_alarm_number次小于vswr_minor_threshold，则清除vswr轻微告警。
[0094]
显然，以上述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于发明中的
实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。