無線基站天饋系統(tǒng)融合改造方案研究

全貽波

摘 ? 要：隨著移動(dòng)流量需求的飛速增長(zhǎng)，各營(yíng)運(yùn)商的LTE（4G）網(wǎng)絡(luò)基本完成規(guī)模部署，國(guó)內(nèi)和海外一些國(guó)家也陸續(xù)發(fā)放了5G牌照和頻譜，當(dāng)前2G/3G/4G制式網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)在未來一段時(shí)間內(nèi)必然共存。為了解決現(xiàn)網(wǎng)的容量問題，3G/4G網(wǎng)絡(luò)還在引入新頻譜和持續(xù)的擴(kuò)容，使原本復(fù)雜的天饋系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，同時(shí)，為了空出安裝空間規(guī)劃給5G天線使用，這必然要求對(duì)現(xiàn)有天饋系統(tǒng)的進(jìn)行融合改造。文章主要從天線選型和天饋方案設(shè)計(jì)這兩點(diǎn)來展開，探討在5G即將陸續(xù)部署的大勢(shì)下，制定2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)下的天饋融合方案。

關(guān)鍵詞：天饋設(shè)計(jì);天線選型;多頻段;多制式

1 ? ?天饋系統(tǒng)融合改造對(duì)多頻天線的需求

1.1 ?天面安裝空間受限

隨著2G/3G/4G各制式網(wǎng)絡(luò)共存及新頻譜資源的增加，樓頂和鐵塔站點(diǎn)已經(jīng)承載的天饋數(shù)量越來越多，對(duì)于新加天線來說越來越難。在歐洲，有90%的以上的天面只能安裝1～2面天線;在拉美，有80%以上的天面只能安裝1～2面天線。

普通大眾對(duì)射頻輻射越來越敏感，對(duì)新增的射頻天線抵制心理很強(qiáng)烈，就迫使運(yùn)營(yíng)商在某些站點(diǎn)只能使用多頻天線或偽裝天線替換單頻天線來引入新的頻段和制式。

天線安裝空間的限制是多頻天線需求的重要驅(qū)動(dòng)因素。

1.2 ?高階MIMO需求

多輸入多輸出（Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO）作為長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）的關(guān)鍵特性，在LTE部署時(shí)，2×2 MIMO已經(jīng)成為最基礎(chǔ)的配置。隨著用戶感知需求的提升，4×4 MIMO將逐步成為FDD LTE的標(biāo)準(zhǔn)配置。4×4 MIMO對(duì)天線端口的需求會(huì)增加一倍。

多頻天線的需求在無線運(yùn)營(yíng)商的頻段、制式、天面和高階MIMO的需求等因素的影響下會(huì)逐步增加。

預(yù)測(cè)四頻及以上的天線的需求會(huì)占到天線總體需求的50%以上。

2 ? ?天饋系統(tǒng)融合改造方案設(shè)計(jì)的基本原則

2.1 ?多頻天線選型的基本原則

2.1.1 ?網(wǎng)絡(luò)部署整體策略

不同頻段和不同制式的無線系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)中，承擔(dān)著不同角色，基本上可以分為：基本覆蓋層、基本容量層、熱點(diǎn)容量層。

在天線系統(tǒng)改造過程中，選擇共天線系統(tǒng)的原則如下：

（1）在天面受限的情況下，對(duì)于總站點(diǎn)數(shù)相近的系統(tǒng)優(yōu)先共天線，可以保證兩個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最接近，共天線的規(guī)劃優(yōu)化難度最小，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)影響最小。

（2）相鄰頻段的系統(tǒng)，在沒有干擾風(fēng)險(xiǎn)的情況下可以考慮共天線。

2.1.2 ?頻段需求

建議為每個(gè)頻段和每個(gè)制式安排獨(dú)立的天線端口，保持獨(dú)立電下傾的能力。建議綜合考慮未來2～3年的新增頻段和系統(tǒng)的要求，預(yù)留天線端口。

2.1.3 ?安裝空間

從網(wǎng)絡(luò)性能考慮，如果有足夠的安裝空間，建議每個(gè)制式和頻段都使用獨(dú)立天線，最大程度上給網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供可能。

如果安裝空間受限，使用多頻天線替換當(dāng)前天線成為必然。在這種情況下，一般建議保持當(dāng)前天線數(shù)量，通過增加天線的頻段來引入新的系統(tǒng)。

建議使用振子復(fù)用系列天線，能夠在保持天線寬度不變的情況下引入更多的頻段。一般情況下，新天線的長(zhǎng)度不要超過原有天線。

2.1.4 ?網(wǎng)絡(luò)性能

因?yàn)椴煌炀€在設(shè)計(jì)上的差異，帶來波寬、副瓣、增益等指標(biāo)的細(xì)微差異，會(huì)影響最終覆蓋強(qiáng)度的分布，所以在做多頻天線改造過程中，需要做性能評(píng)估。各個(gè)基站設(shè)備廠家基本有各自的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具來做性能評(píng)估和RF規(guī)劃。

2.1.5 ?系統(tǒng)干擾

在多頻的天饋方案中，干擾風(fēng)險(xiǎn)需要提前識(shí)別。當(dāng)前常見干擾主要分為系統(tǒng)間的雜散、阻塞和互調(diào)干擾。

2.1.6 ?總體營(yíng)運(yùn)成本

多頻天饋方案的總體營(yíng)運(yùn)成本主要包含以下3種：

（1）天線系統(tǒng)，天線產(chǎn)品成本、租賃費(fèi)用、安裝費(fèi)用。

（2）饋線系統(tǒng)，饋線合路器產(chǎn)品成本、租賃費(fèi)用、安裝費(fèi)用。

（3）專業(yè)服務(wù)，聯(lián)合規(guī)劃費(fèi)用、優(yōu)化和咨詢費(fèi)用。

從天線系統(tǒng)來考慮，一般情況下，常用的四頻以上天線的綜合成本（產(chǎn)品成本+安裝+租賃）最優(yōu);所有頻段獨(dú)立天線的方案成本最高。

從饋線系統(tǒng)來考慮，視頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）靠近天線安裝，省去饋線和合路的費(fèi)用，成本最低。對(duì)于基站主設(shè)備不能靠近天線安裝的場(chǎng)景，常用的合路場(chǎng)景，可以省去一半以上的饋線和安裝成本，推薦使用。

2.2 ?天饋系統(tǒng)干擾分析的原則

2.2.1 ?阻塞和雜散干擾分析方法和規(guī)避措施

在兩個(gè)頻段相隔較近的系統(tǒng)中，在基站側(cè)，系統(tǒng)A的下行頻段距離系統(tǒng)B的上行頻段很近，由于系統(tǒng)A發(fā)射機(jī)的雜散性能或者系統(tǒng)B接收機(jī)的抗阻塞性能不能滿足兩個(gè)系統(tǒng)需要的隔離度需求，會(huì)影響系統(tǒng)B的接收性能。一般多頻天線的兩個(gè)頻段之間的隔離度能夠達(dá)到30 dB，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)所需要的最小隔離度需要30 dB以上時(shí)，需要采取規(guī)避措施。

2.2.2 ?互調(diào)干擾分析方法和規(guī)避措施

多系統(tǒng)的互調(diào)干擾場(chǎng)景主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)場(chǎng)景：

（1）同系統(tǒng)的載波擴(kuò)展范圍太大，兩個(gè)載波之間產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物落入該頻段的接收頻段。

（2）不同頻段的系統(tǒng)通過合路器合路共享饋線時(shí)，不同頻段之間的互調(diào)產(chǎn)物落入到參與合路的系統(tǒng)的接收頻段內(nèi)。

互調(diào)干擾的強(qiáng)度跟系統(tǒng)的產(chǎn)品信息營(yíng)銷管理PIM指標(biāo)直接相關(guān)。一般來說，單個(gè)RF器件的PIM指標(biāo)是明確的，但是多個(gè)RF器件組成的系統(tǒng)，PIM指標(biāo)跟很多因素相關(guān)，例如工程質(zhì)量、安裝場(chǎng)景的電磁環(huán)境等，非常難定量評(píng)估，所以在互調(diào)干擾分析的時(shí)候一般使用較為保守的經(jīng)驗(yàn)值來分析，例如一般饋線合路場(chǎng)景的系統(tǒng)PIM3指標(biāo)大致在130 dBc，PIM5的指標(biāo)大致在150 dBc。

2.2.3 ?不同系統(tǒng)間的干擾

系統(tǒng)間的干擾主要是有限的頻譜資源被逐步占滿，相近或相鄰頻段被不同移動(dòng)通信系統(tǒng)使用的場(chǎng)景越來越多，系統(tǒng)間的干擾也就隨之而來。

在天饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)下面的表格來識(shí)別系統(tǒng)間的干擾風(fēng)險(xiǎn)，選擇正確的濾波器來規(guī)避系統(tǒng)間的干擾風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 ?天饋改造方案性能分析原則

天饋改造中，性能分析主要是為了保障改造前后的網(wǎng)絡(luò)性能。

在多頻替換單頻的過程中，多系統(tǒng)的方位角和天線高度會(huì)被統(tǒng)一，這樣最終的方位角和天線高度需要根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)的部署策略找到最優(yōu)的平衡。

由于改造前后天線在波瓣上（波寬、副瓣、前后比等）的細(xì)微差異，改造前后的天線在覆蓋性能上會(huì)出現(xiàn)差異，即使是兩款等規(guī)格的天線，這個(gè)差異也會(huì)客觀存在，所以在替換前后需要做細(xì)微的優(yōu)化來保障替換前后的網(wǎng)絡(luò)性能，主要手段是優(yōu)化各個(gè)頻段的下傾角和方位角。

3 ? ?天饋系統(tǒng)融合改造案例分析

PIM問題導(dǎo)致合路方案變更：在某個(gè)天饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，其網(wǎng)絡(luò)GSM，UMTS，LTE各制式共站部署，其中，GSM1900是由兩段頻譜組成，分別支持25個(gè)載波和7個(gè)載波。UMTS1900一共有連續(xù)的18.4 M，計(jì)劃配置成2個(gè)4.2 M和2個(gè)5 M。所以對(duì)于每個(gè)扇區(qū)，G1900和U1900的配置都是S4/4/4，L700和L-AWS的配置都是S1/1/1。基于站點(diǎn)塔上的安裝空間有限及成本考慮，所以對(duì)這些站點(diǎn)選用了某款三頻天線，其能夠同時(shí)支持690-960和1710-2690兩個(gè)頻段;合路器選用能支持1 900 M頻段和1710-1755//2110-2155頻段的輸入。具體方案如圖1所示。

4 ? ?結(jié)語

天饋系統(tǒng)融合改造是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的工作，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求比較高，需要對(duì)無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和天饋系統(tǒng)有充分的了解，并需要在不同的項(xiàng)目中積累并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。