FDD 1 800室分接收底噪不達(dá)標(biāo)問題研究

吳德勝，劉鵬程，劉立洋（.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)山東有限公司，山東濟(jì)南 5000；.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 00080）

0 引言

FDD 引入之后，4G網(wǎng)絡(luò)的不同制式不同頻段在上下行覆蓋能力和容量方面存在較大差異，多頻段、多制式共存對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化帶來極大挑戰(zhàn)。FDD 1 800 MHz能夠彌補(bǔ)TD-LTE 上行能力不足的短板，同時(shí)也是TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)容量的有效補(bǔ)充。為提升室內(nèi)用戶感知，部分區(qū)域在室分系統(tǒng)E 頻段基礎(chǔ)上引入了FDD 1 800 MHz 補(bǔ)充容量。將FDD 1 800 MHz 合路至原室分系統(tǒng)后，個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)了FDD 1 800 MHz 室分底噪異常抬升的問題，影響了現(xiàn)網(wǎng)4G用戶感知。

本文針對(duì)FDD 1 800 室分接收底噪不達(dá)標(biāo)問題，以室分無源器件性能指標(biāo)為切入點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注無源互調(diào)抑制度和功率容量2 項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，深入分析了干擾產(chǎn)生的原因，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)無源器件性能現(xiàn)狀，提出了高性能器件與一般器件相結(jié)合的干擾問題解決方案，通過高性能器件替換和功率容限合理制定，有效解決了底噪不達(dá)標(biāo)問題，既保障了用戶感知，又減少了器件更換和改造成本。

1 FDD 1 800室分系統(tǒng)構(gòu)架及元器件

1.1 某FDD 1 800室分合路建設(shè)構(gòu)架

某FDD 1 800 室分系統(tǒng)中，TDD E 頻段配置2 個(gè)20 MHz 載波，頻點(diǎn)分別為2 320～2 340 MHz 和2 340～2 360 MHz，單載波發(fā)射功率為46 dBm。新增FDD 1 800頻段配置為15 MHz 載波，頻點(diǎn)為1 805～1 820 MHz，載波發(fā)射功率為47.7 dBm。該FDD 1 800 室分系統(tǒng)合路建設(shè)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 室內(nèi)分布系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

1.2 室分系統(tǒng)無源器件及性能影響分析

FDD 1 800 室分合路建設(shè)中，其覆蓋單元包括多頻合路器、三功分器、耦合器及室內(nèi)天線等。射頻信號(hào)經(jīng)過室分系統(tǒng)的器件、線纜后會(huì)產(chǎn)生一定的開銷損耗。一般來說，多頻合路器損耗約0.5 dBc，每段連接射頻電纜損耗約0.5 dBc，三功分器損耗約5 dBc，耦合器直通端的損耗約0.5 dBc，如表1所示。

室分系統(tǒng)無源器件的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括互調(diào)抑制、功率容量、插損、隔離度以及駐波比等，其中對(duì)干擾影響最大的關(guān)鍵指標(biāo)為互調(diào)抑制和功率容量。

a）互調(diào)抑制。無源互調(diào)是射頻信號(hào)路徑中2個(gè)或多個(gè)射頻信號(hào)因各種無源器件的非線性特性引起的混頻干擾信號(hào)。在大功率、多信道系統(tǒng)中，鐵磁材料、金屬氧化物接點(diǎn)和松散的射頻連接器都會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的混頻，其最終結(jié)果就是PIM（Passive Inter-Modulation）干擾信號(hào)?；フ{(diào)產(chǎn)物的大小取決于器件的互調(diào)抑制度?；フ{(diào)抑制度越差，互調(diào)產(chǎn)物越大；互調(diào)抑制度越好，互調(diào)產(chǎn)物越小、互調(diào)產(chǎn)物的大小還和輸入信號(hào)的功率密切相關(guān)。在相同的互調(diào)抑制度情況下，輸入功率越大，互調(diào)產(chǎn)物越大。一般取三階互調(diào)來衡量互調(diào)水平，三階互調(diào)越高，五階互調(diào)也越高。

表1 室內(nèi)分布系統(tǒng)主要器件信號(hào)損耗表

b）功率容量。無源器件功率容量指標(biāo)包括平均功率和峰值功率。平均功率指信號(hào)持續(xù)不斷加到器件上的功率，會(huì)引起器件發(fā)熱，導(dǎo)致器件老化、變形等損壞。峰值功率是指多載波工作時(shí)，產(chǎn)生極高的瞬間電磁場(chǎng)導(dǎo)致電壓飛弧現(xiàn)象，使器件損壞。平均功率容量和峰值功率容量指不產(chǎn)生上述損壞所容許通過的功率。當(dāng)器件輸入極限功率時(shí)，自身熱耗導(dǎo)致溫度升高，溫度升高導(dǎo)致?lián)p耗增大，一般情況下，當(dāng)無源器件損耗增加1倍（損耗小于1 dB）或增加1 dB時(shí)的允許輸入的最大功率，即為無源器件的極限功率容量。室內(nèi)分布系統(tǒng)無源部件的功率容量一般是指環(huán)境溫度為+65℃時(shí)部件所能承受的最大功率。功率容量是網(wǎng)絡(luò)干擾的直接體現(xiàn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性有直接影響。無源器件的功率容量不達(dá)標(biāo)表現(xiàn)為輸入信號(hào)超出器件承受值后，會(huì)產(chǎn)生上行寬頻的脈沖噪聲（飛弧噪聲），對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生寬帶的上行干擾，嚴(yán)重情況下器件直接打火燒壞。就平均功率而言，當(dāng)輸入信號(hào)的平均功率超出器件平均功率容量，將抬升網(wǎng)絡(luò)底噪，產(chǎn)生上行干擾。峰值功率更易產(chǎn)生飛弧和打火。器件的工藝、毛刺都會(huì)產(chǎn)生瞬間打火現(xiàn)象，往往有效功率尚未進(jìn)入器件功率容限時(shí)，因峰值功率的影響，器件已進(jìn)入瞬間脈沖造成的打火引發(fā)區(qū)間，直接表現(xiàn)在器件所涉及的工作區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)無規(guī)則脈沖噪聲。

2 FDD 1 800室分底噪不達(dá)標(biāo)原因分析

2.1 FDD-LTE和TDD-LTE互調(diào)干擾分析

2.1.1 無源器件產(chǎn)生互調(diào)雜散的原理

無源器件的理想狀態(tài)，即負(fù)載駐波比為1的狀態(tài)，以功率放大器為例，當(dāng)放大器輸入一個(gè)理想的單音信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)除了基波外，還會(huì)產(chǎn)生2，3，4……次諧波，也就是說輸出信號(hào)是基波和多次諧波的矢量疊加值。當(dāng)放大器輸入2 個(gè)單音信號(hào)時(shí)，其頻率分別為f1和f2，它的輸出仍然是2個(gè)單音信號(hào)以及它們多次諧波的矢量疊加。

對(duì)于實(shí)際的工程器件，駐波比根本不可能等于1，這樣經(jīng)過負(fù)載反射回到放大器的2次諧波和基波混頻就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)互調(diào)雜散頻率信號(hào)。f1的基波和f2的2次諧波2f2反射信號(hào)，混頻就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)三階互調(diào)雜散頻率信號(hào)，這個(gè)頻率為2f2-f1；f2的基波和f1的2 次諧波2f1反射信號(hào)，混頻就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)三階互調(diào)雜散頻率信號(hào)，這個(gè)頻率為2f1-f2。負(fù)載反射的f1的3次諧波和f2的2 次諧波混頻就會(huì)產(chǎn)生5 階互調(diào)雜散頻率信號(hào)3f1-2f2；負(fù)載反射的f2的3次諧波和f1的2次諧波混頻就會(huì)產(chǎn)生5階互調(diào)雜散頻率信號(hào)3f1-2f2。

對(duì)于放大器，假設(shè)其輸入雙音信號(hào)功率為P1=P2=P0，在這個(gè)輸入功率下測(cè)試到的某裝置或部件3 階互調(diào)指標(biāo)為PIM30（dBc），當(dāng)輸入雙音信號(hào)功率為P1=P2==Px，此時(shí)，PIM3x和PIM30的關(guān)系為PIM30+2（Px-P0），當(dāng)Px值比P0值高時(shí)，PIM3x就比PIM30差，假設(shè)功率大1 dBc，互調(diào)指標(biāo)就會(huì)下降2 dBc；PIM3（dBm）和PIM3（dBc）的關(guān)系為PIM3（dBm）=P+PIM3（dBc），假設(shè)輸入雙音信號(hào)功率增加1 dBc，互調(diào)雜散絕對(duì)功率值則抬升3 dBc。

2.1.2 FDD-LTE和TDD-LTE跨頻段互調(diào)干擾分析

TDD-LTE 3 次諧波頻率范圍為6 960～7 020 MHz和7 020～7 080 MHz。TDD-LTE 3 次諧波經(jīng)過負(fù)載反射后混頻后的差拍頻率為0～120 MHz。

0～120 MHz 差拍頻率經(jīng)過負(fù)載發(fā)射后再和FDDLTE 的1 805～1 820 MHz 混頻后產(chǎn)生的雜散頻率范圍為1 685～1 820 MHz，其中和FDD-LTE 的1 710～1 725 MHz 接收頻率重合可能會(huì)導(dǎo)致底噪抬升。假設(shè)部件駐波比為1.3，其回波損耗為-17.6 dBc，加上混頻增益-7～-8 dBc，0～120 MHz 差拍信號(hào)幅度比三階互調(diào)PIM3大約低25 dBc。

0～120 MHz 3 次諧波差拍頻率經(jīng)過再次反射后產(chǎn)生的FDD-LTE 和FDD-LTE 跨頻段混頻產(chǎn)物為1 685～1 820 MHz，雜散比PIM3雜散產(chǎn)物大約低50 dBc。

2.1.3 FDD-LTE頻段內(nèi)發(fā)射載波互調(diào)干擾分析

FDD-LTE 工作在1 800 MHz 頻段內(nèi)，其中發(fā)射和接收頻點(diǎn)之間的間隔為95 MHz，將配置的發(fā)射載波頻率跨度設(shè)為W，當(dāng)95/2=47.5 MHz≤W≤75 MHz 時(shí)，PIM3會(huì)和接收頻點(diǎn)重合導(dǎo)致接收底噪抬升；當(dāng)95/3=31.67 MHz≤W≤47.5 MHz 時(shí)，PIM5 會(huì)和接收頻點(diǎn)重合導(dǎo)致接收底噪抬升。FDD-LTE 1 800 MHz 的配置帶為15 MHz，大于95/7=13.57 MHz 且小于95/6=15.83 MHz；LTE 15 MHz 的PIM13 雜散頻點(diǎn)1 715～1 725 MHz 會(huì)和1 800 MHz接收頻點(diǎn)重合。

一般而言PIM5=PIM3-10；PIM7=PIM5-10=PIM3-20；PIM9=PIM7-5=PIM3-25，高階互調(diào)大約比PIM3 低30～35 dBc。由此可見，F(xiàn)DD-LTE 1 800 MHz 發(fā)射產(chǎn)生的PIM13 雜散是影響FDD-LTE 接收底噪抬升的主要因素。

2.1.4 FDD-LTE發(fā)射對(duì)接收底噪的抬升值估計(jì)

TDD-LTE 每載波發(fā)射功率為40 W，F(xiàn)DD-LTE 發(fā)射功率為60 W，總共3載波，每載波功率（40+40+60）/3=46.67 W。預(yù)計(jì)互調(diào)雜散對(duì)接收底噪抬升時(shí)，+46.69 dBm 估計(jì)室分系統(tǒng)PIM13 雜散相對(duì)值，47.7 dBm 預(yù)計(jì)PIM13絕對(duì)值比較準(zhǔn)確。

室分系統(tǒng)產(chǎn)生互調(diào)雜散干擾主要是多頻合路器和三路功分器，功分器后器件輸入功率較小，可以忽略不計(jì)。多頻合路器產(chǎn)生的互調(diào)雜散絕對(duì)值為：47.7-（160-2×（46.7-43））=-104.9 dBm/15 MHz=-123.65 dBm/Rb。三路功分器產(chǎn)生的互調(diào)雜散絕對(duì)值為：46.7-（150-2×（45.69-43））=-97.9 dBm/15 MHz=-116.67 dBm/RB。

輸入功率增大1 倍，PIM3 相對(duì)值惡化2 dBc，這是功率放大器在非線性區(qū)估算互調(diào)指標(biāo)的一般規(guī)律，對(duì)于不同的功放個(gè)體會(huì)存在一定的偏差，特別是當(dāng)實(shí)際輸入功率比測(cè)試PIM3參數(shù)時(shí)輸入功率大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，實(shí)際功率比測(cè)試PIM3指標(biāo)時(shí)的功率差值越大，偏差越大。對(duì)于無源器件也有相同的問題，甚至偏差還會(huì)更大。因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)必須對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)于多頻合路器，PIM15 導(dǎo)致的FDD-LTE 接收底噪抬升值為-117 dBm/RB 較為合理；三路功分器為-111 dBm/RB比較合理。

多頻合路器和三路功分器PIM15雜散疊加后的值為-110 dBm/RB。

2.1.5 TDD-LTE載波關(guān)斷對(duì)FDD-LTE 底噪的影響

TDD-LTE 載波關(guān)斷前多頻合路器，三路功分器輸入功率分別為：3×46.69 dBm 和3×45.69 dBm，TDDLTE 載波關(guān)斷后總功率分別為：2×44.77 dBm 和2×43.78 dBm，比TDD-LTE 沒有關(guān)斷前輸入功率下降了1.92 dBc，而三路功分器PIM 雜散是接收底噪抬升的主要因素，TDD 載波關(guān)斷后互調(diào)雜散減少理論值為：1.91×3=5.7 dBc。

2.2 FDD 1 800合路室分無源器件性能驗(yàn)證

對(duì)現(xiàn)網(wǎng)室分系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一方面，大部分室分系統(tǒng)建設(shè)年限較長(zhǎng)，較多設(shè)備已經(jīng)老化，指標(biāo)惡化嚴(yán)重；另一方面，隨著室分承載話務(wù)增多，系統(tǒng)擴(kuò)容需求加大，在原有的室分系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)容，往往超出了器件所能承受的界限。

現(xiàn)網(wǎng)FDD 1 800 室分合路建設(shè)后，F(xiàn)DD 1 800 平均底噪出現(xiàn)異常抬升現(xiàn)象，整體底噪水平不達(dá)標(biāo)。通過模擬加載，當(dāng)PRB 利用率大于95%時(shí)，F(xiàn)DD 1 800 平均底噪為-106～-107 dBm，上行干擾信號(hào)明顯。根據(jù)無源互調(diào)理論計(jì)算結(jié)果，F(xiàn)DD-LTE 接收底噪因?yàn)镻IM 雜散影響抬升至-110 dBm，而網(wǎng)絡(luò)實(shí)測(cè)結(jié)果接收底噪抬升至-106 dBm，兩者相差4 dBc，實(shí)際結(jié)果比理論值差。

對(duì)室分合路系統(tǒng)進(jìn)行無源器件更換，發(fā)現(xiàn)FDD 1 800 平均底噪存在明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，如表2 所示。由此可見，無源器件性能不佳是導(dǎo)致FDD 1 800 室分底噪不達(dá)標(biāo)的主要原因。

表2 室內(nèi)分布系統(tǒng)器件更換與底噪波動(dòng)表

3 FDD 1 800室分底噪不達(dá)標(biāo)問題解決方案

當(dāng)前中國(guó)移動(dòng)對(duì)于無源器件功率容量的標(biāo)準(zhǔn)要求是平均200 W，按照LTE 制式對(duì)功率的要求，可以滿足LTE 系統(tǒng)多載波的平均功率要求。但引入FDDLTE后，由于峰均比較大，在多載波和大話務(wù)量的沖擊下，很容易帶來寬帶互調(diào)雜散干擾。

FDD 1 800 直接利舊合路在TDD 室分天饋中，由于射頻能量傳輸?shù)摹摆吥w效應(yīng)”，阻抗變化將會(huì)引起信號(hào)的反射，傳輸介質(zhì)的溫度變化都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。因此，為了保證室內(nèi)分布系統(tǒng)中無源器件的正常工作，有必要合理制定器件的功率容限，即無源器件最大輸入信號(hào)所引起的熱能不會(huì)產(chǎn)生問題的最大承受限度。

對(duì)于FDD 1 800 室分合路建設(shè)底噪不達(dá)標(biāo)問題，一方面，建議替換互調(diào)抑制度不低于-140 dBc 的高性能器件；另一方面，設(shè)置合理的器件功率容限，建議將發(fā)射功率降低到每載波20 W以下使用。

按照業(yè)界對(duì)無源器件互調(diào)指標(biāo)的標(biāo)注，對(duì)于現(xiàn)存的無源器件，可對(duì)其進(jìn)行場(chǎng)景化功率容限配置?；フ{(diào)指標(biāo)PIM＜-120 dBc@2×43 dBm 的無源器件適合2 W每載波及以下的小功率場(chǎng)景，降低組網(wǎng)成本?；フ{(diào)指標(biāo)PIM＜-130 dBc@2×43 dBm 的無源器件適合2 W 每載波至20 W 每載波場(chǎng)景，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量?；フ{(diào)指標(biāo)PIM＜-140 dBc@2×43 dBm 的無源器件適合于20 W 每載波以上的超大功率場(chǎng)景，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文首先對(duì)引入FDD 后室分系統(tǒng)存在的上行干擾原因進(jìn)行了分析，然后分析了無源器件功率容量對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，最后提出了高性能器件與一般器件相結(jié)合的干擾解決方案，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際需要定制無源器件功率容量指標(biāo)，既保證室分系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，又能減少器件更換及改造成本，具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。