［陳浩］

1 引言

目前存量傳統(tǒng)室分多數(shù)為單路無源室分，無法發(fā)揮5G 雙流傳輸模式的技術(shù)優(yōu)勢，而通過新建一路實(shí)現(xiàn)雙路MIMO的方式施工難度大、成本高，工程上可行性低。因此，在節(jié)省工程造價(jià)和縮短建設(shè)周期的前提下，只需對(duì)主設(shè)備至樓層分布接口間的主干進(jìn)行雙路改造便可提升5G 室內(nèi)下載速率的雙路耦合技術(shù)成為重要的研究課題。

2 雙路耦合技術(shù)核心器件及其工作原理

2.1 雙路耦合技術(shù)核心器件

雙路耦合技術(shù)通過無源雙路耦合器件實(shí)現(xiàn)，該雙路耦合器為5 端口器件，各端口連接方式如下：兩輸入口（1、2 口）接信源或上一樓層雙路耦合器，兩輸出口（3、4 口）接下一樓層雙路耦合器或平層單路分布，耦合口（5 口）接平層單路分布系統(tǒng)，各端口如表1 所示。

雙路耦合器采用高功率容限（＞300 W）、低互調(diào)（＜-140 dBc）標(biāo)準(zhǔn)制造，與常規(guī)耦合器同型號(hào)（耦合度5、6、7、10 dB 等），滿足現(xiàn)有各類頻段（700～3 700 MHz）5G無源室分主干高性能器件標(biāo)準(zhǔn)要求。雙路耦合器具體設(shè)計(jì)參數(shù)和制造工藝如表1 所示。

表1 雙路耦合器設(shè)計(jì)參數(shù)、制造工藝、端口說明表

2.2 雙路耦合技術(shù)工作原理

雙路耦合室分通過雙路主干傳送兩路信源信號(hào)，每個(gè)樓層設(shè)置一個(gè)雙路耦合器，利用該耦合器通過耦合合路方式將兩路耦合信號(hào)合路到各樓層的單路分布系統(tǒng)中，其中兩路信號(hào)經(jīng)過耦合器后耦合度相同，實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的等比例合路。由于雙路耦合器內(nèi)兩輸入端口及兩輸出端口設(shè)置了隔離端口，因此主干各級(jí)雙路耦合器兩路輸入信號(hào)以及兩路輸出信號(hào)相互隔離，從而實(shí)現(xiàn)兩路主干信號(hào)經(jīng)過雙路耦合器后仍相互獨(dú)立。

兩路信號(hào)耦合到各樓層后，由于兩路信號(hào)到各樓層所經(jīng)過的器件與電纜性能均不相同，因此各樓層間的信號(hào)相互正交。以1 樓、2 樓支路天線為例，其數(shù)學(xué)模型如下。

式中：

S1、S2 分別為1 樓、2 樓天線發(fā)射的信號(hào)；

g11、g12分別為RRU端口1、2經(jīng)饋路到1樓天線的傳輸系數(shù)；

g21、g22分別為RRU端口1、2經(jīng)饋路到2樓天線的傳輸系數(shù)；

T1、T2 分別為RRU 端口1、2 發(fā)射的信號(hào)。

2 樓的信號(hào)會(huì)穿透1、2 層間的樓板覆蓋到1 樓中，且與來自1 樓天線的兩路信號(hào)的空中傳輸矩陣正交，因此可以形成一路傳輸損耗與時(shí)延與1 樓信號(hào)正交的多徑信號(hào)。兩路正交多徑信號(hào)經(jīng)終端雙天線接收解調(diào)，以用戶在1 樓為例，1 樓手機(jī)兩天線接收到的信號(hào)數(shù)學(xué)模型如下：

式中：

R1、R2 分別為終端接收天線1、2 接收的信號(hào)；

h11、h12 分別為1 樓、2 樓天線與終端接收天線1 間的傳輸系數(shù)；

h21、h22 分別為1 樓、2 樓天線與終端接收天線2 間的傳輸系數(shù)；

L 為信號(hào)經(jīng)過樓板的穿透損耗；

S1、S2 分別為1 樓、2 樓天線發(fā)射的信號(hào)。

（1）（2）式中兩個(gè)傳輸矩陣的秩都為2，使用其逆矩陣即可根據(jù)終端天線接收到的信號(hào)解調(diào)出原碼流信號(hào)，即T1 和T2。例如，信源RRU 在前向會(huì)發(fā)送參考信號(hào)，終端通過測量參考信號(hào)可以得到兩路信號(hào)的傳輸矩陣，終端根據(jù)傳輸矩陣計(jì)算出逆矩陣，再將接收到的R1，R2 矩陣乘以逆矩陣就可以得到T1和T2，從而實(shí)現(xiàn)空間MIMO傳輸。

3 雙路耦合傳統(tǒng)室分設(shè)計(jì)方案

雙路耦合技術(shù)特別適合應(yīng)用在具有垂直主干的多層無源室分的方案中，如商務(wù)辦公樓、酒店、醫(yī)院和校園宿舍等場景，下面根據(jù)室分信源部署的位置不同介紹以下兩種典型設(shè)計(jì)。

3.1 信源部署在中間樓層場景的設(shè)計(jì)方案

當(dāng)信源為2 端口時(shí)，利用傳統(tǒng)功分器將兩端口信號(hào)分別進(jìn)行功分，兩功分器各一個(gè)輸出端口接向上（或向下）樓層的雙路耦合器輸入口；當(dāng)信源為4 端口時(shí)，利用電橋?qū)⑺亩丝谛盘?hào)進(jìn)行混合，兩電橋各一個(gè)輸出端口接向上（或向下）樓層的雙路耦合器輸入口；各樓層間雙路耦合器通過串接方式連接，雙路耦合器耦合口連接各樓層單路分布系統(tǒng)。具體設(shè)計(jì)方案如圖1 和圖2 所示。

圖1 中間樓層2 端口方案

圖2 中間樓層4 端口方案

3.2 信源部署在最低樓層場景的設(shè)計(jì)方案

當(dāng)信源為2 端口時(shí)，直接將信源兩端口連接雙路耦合器輸入口；當(dāng)信源為4 端口時(shí)，用傳統(tǒng)電橋?qū)⑺亩丝谛盘?hào)進(jìn)行混合，兩電橋各一個(gè)輸出端口接向上樓層的雙路耦合器輸入口；各樓層間雙路耦合器通過串接方式連接，雙路耦合器耦合口連接各樓層單路分布系統(tǒng)。具體設(shè)計(jì)方案如圖3 和圖4 所示。

圖3 最低樓層2 端口方案

圖4 最低樓層4 端口方案

當(dāng)信源設(shè)備部署在最高樓層時(shí)，主干向下部署，與最低樓層設(shè)計(jì)方案相似，在此不再贅述。

4 引入雙路耦合技術(shù)后的網(wǎng)絡(luò)性能分析

4.1 覆蓋分析

上述雙路耦合改造設(shè)計(jì)中由于增加功分器，引入了3 dB損耗，覆蓋分析如下。

（1）中近場：RSRP 按單路測量，會(huì)較單路低3 dB，但引入雙流，業(yè)務(wù)感知不降反升；

（2）遠(yuǎn)場：在遠(yuǎn)場傳輸模式由TM3 切換到TM2，引入3 dB 增益，總覆蓋水平與單路相當(dāng)。

雙路耦合和傳統(tǒng)單路室分在相同的信源功率條件下覆蓋相同面積，差別在于引入功分的插入損耗（不含分配損耗）可以忽略不計(jì)（約0.2 dB），理論上覆蓋能力與單路相當(dāng)。

4.2 速率分析

上述雙路耦合技術(shù)可將無源單路室分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙流性能，其中當(dāng)終端上行不支持MIMO 時(shí)，上行將引入3 dB增益，上行速率略有提升；在終端具備雙發(fā)功能條件下，理論上上下行速率提升效果相當(dāng)。

5 雙路耦合技術(shù)室分實(shí)施驗(yàn)證

5.1 方案說明

本方案為北京電信首個(gè)雙路耦合MIMO 試點(diǎn)項(xiàng)目，位置選取在北京華文學(xué)院5 號(hào)公寓，位于北京市昌平區(qū)七北路69 號(hào)，高8 層，覆蓋面積約1.2 萬 m2，屬于中高流量的高校宿舍場景。方案首先將原有華為FDD-LTE 1.8G RRU 替換為華為FDD-LTE 2.1G+FDD 2.1GNR 雙模RRU，其次再對(duì)1～8F弱電井的無源單路室分系統(tǒng)主干進(jìn)行改造，并對(duì)改造前后的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行測試對(duì)比。具體設(shè)計(jì)方案如圖5 所示。

圖5 北京華文學(xué)院5 號(hào)公寓改造前后示意圖

5.2 改造前后性能指標(biāo)對(duì)比

本方案LTE 2.1 G 及2.1 G NR 系統(tǒng)帶寬各20 MHz，分別對(duì)LTE 64QAM和5G 256QAM兩種調(diào)制方式進(jìn)測試。

LTE 64QAM 測試結(jié)果如表2 所示，改造前傳統(tǒng)單路室分平均下行速率為69.69 Mbit/s；改造后雙路耦合室分平均下行速率為111.51 Mbit/s；改造后速率性能平均提升60.01%。

表2 雙路耦合與傳統(tǒng)單路室分性能指標(biāo)對(duì)比（64QAM）

5G 256QAM 測試結(jié)果如表3 所示，改造前傳統(tǒng)單路室分平均下行速率為77.94 Mbit/s；改造后雙路耦合室分平均下行速率為141.34 Mbit/s；改造后速率性能平均提升81.34%。

表3 雙路耦合與傳統(tǒng)單路室分性能指標(biāo)對(duì)比（256QAM）

本方案使用雙路耦合器將主干兩路信號(hào)耦合到平層，僅在垂直主干進(jìn)行雙路改造，平層分布系統(tǒng)保持不變，即可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)單路室分形成2*2 MIMO 分雙流效果，較傳統(tǒng)單路覆蓋和速率均有提升，且下行平均速率可提升60%～80%。

5.3 雙路耦合與傳統(tǒng)雙路室分方案造價(jià)對(duì)比

本方案基于雙路耦合技術(shù)進(jìn)行室分改造，無需新增主設(shè)備軟硬件，不改變?cè)衅綄訂温贩植迹?～8 層樓室分主干改造工作量：布放1/2 饋線25 m，更換耦合器6 個(gè)；消耗總工時(shí)為3 小時(shí)（2 人）。由此估算替換一個(gè)雙路耦合器材料費(fèi)、施工費(fèi)約800 元（含器件、輔材、施工費(fèi)等）。

北京華文學(xué)院5 號(hào)公寓總覆蓋面積約1.2 萬 m2，若按傳統(tǒng)方式雙路改造建設(shè)成本約3 萬元（2.5 元/m2），而雙路耦合方式建設(shè)成本約0.48 萬元（0.4 元/m2），較傳統(tǒng)雙路改造成本降低84%。具體造價(jià)對(duì)比如表4 所示。

表4 雙路耦合與傳統(tǒng)雙路室分方案造價(jià)對(duì)比表

因此該方案盡可能的保護(hù)了原有分布系統(tǒng)投資，快速實(shí)現(xiàn)4/5G 雙流效果，提升了傳統(tǒng)單路DAS 分布系統(tǒng)性能。

6 結(jié)束語

通過上述的研究及工程實(shí)踐不難發(fā)現(xiàn)，引入雙路耦合技術(shù)的5G 傳統(tǒng)室分可使網(wǎng)絡(luò)性能大幅提升，提升了5G用戶速率感知，主要具有以下特點(diǎn)。

（1）全無源系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定故障率低，能耗??；

（2）重耕場景下只需對(duì)主干改造，工程量小，施工便捷，成本低，物業(yè)易協(xié)調(diào)；

（3）能夠快速實(shí)現(xiàn)MIMO 功能，較傳統(tǒng)單路錯(cuò)層覆蓋技術(shù)，端口功率平衡，MIMO 性能得以保證；

（4）較純雙路覆蓋略有提升，最大雙流比例能夠達(dá)到80%，接近傳統(tǒng)雙路室分效果。

因此該技術(shù)特別適合存量單路系統(tǒng)的低頻段5G 重耕場景，也可作為低成本新建2X2 MIMO 高頻段5G 室分場景的解決方案，具有極高的推廣應(yīng)用價(jià)值。