基于雙路耦合技術(shù)的5G 傳統(tǒng)室分設(shè)計的研究

［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)省工程造價和縮短建設(shè)周期的前提下，只需對主設(shè)備至樓層分布接口間的主干進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）標準制造，與常規(guī)耦合器同型號（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準要求。雙路耦合器具體設(shè)計參數(shù)和制造工藝如表1 所示。

表1 雙路耦合器設(shè)計參數(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，每個樓層設(shè)置一個雙路耦合器，利用該耦合器通過耦合合路方式將兩路耦合信號合路到各樓層的單路分布系統(tǒng)中，其中兩路信號經(jīng)過耦合器后耦合度相同，實現(xiàn)兩路信號的等比例合路。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，因此主干各級雙路耦合器兩路輸入信號以及兩路輸出信號相互隔離，從而實現(xiàn)兩路主干信號經(jīng)過雙路耦合器后仍相互獨立。

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

式中：

S1、S2 分別為1 樓、2 樓天線發(fā)射的信號；

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。

2 樓的信號會穿透1、2 層間的樓板覆蓋到1 樓中，且與來自1 樓天線的兩路信號的空中傳輸矩陣正交，因此可以形成一路傳輸損耗與時延與1 樓信號正交的多徑信號。兩路正交多徑信號經(jīng)終端雙天線接收解調(diào)，以用戶在1 樓為例，1 樓手機兩天線接收到的信號數(shù)學模型如下：

式中：

R1、R2 分別為終端接收天線1、2 接收的信號；

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。

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

3 雙路耦合傳統(tǒng)室分設(shè)計方案

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。

3.1 信源部署在中間樓層場景的設(shè)計方案

當信源為2 端口時，利用傳統(tǒng)功分器將兩端口信號分別進行功分，兩功分器各一個輸出端口接向上（或向下）樓層的雙路耦合器輸入口；當信源為4 端口時，利用電橋?qū)⑺亩丝谛盘栠M行混合，兩電橋各一個輸出端口接向上（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)計方案

當信源為2 端口時，直接將信源兩端口連接雙路耦合器輸入口；當信源為4 端口時，用傳統(tǒng)電橋?qū)⑺亩丝谛盘栠M行混合，兩電橋各一個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

當信源設(shè)備部署在最高樓層時，主干向下部署，與最低樓層設(shè)計方案相似，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，會較單路低3 dB，但引入雙流，業(yè)務(wù)感知不降反升；

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

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（約0.2 dB），理論上覆蓋能力與單路相當。

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)實現(xiàn)雙流性能，其中當終端上行不支持MIMO 時，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。

5 雙路耦合技術(shù)室分實施驗證

5.1 方案說明

本方案為北京電信首個雙路耦合MIMO 試點項目，位置選取在北京華文學院5 號公寓，位于北京市昌平區(qū)七北路69 號，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1～8F弱電井的無源單路室分系統(tǒng)主干進行改造，并對改造前后的網(wǎng)絡(luò)性能進行測試對比。具體設(shè)計方案如圖5 所示。

圖5 北京華文學院5 號公寓改造前后示意圖

5.2 改造前后性能指標對比

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

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)單路室分性能指標對比（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)單路室分性能指標對比（256QAM）

本方案使用雙路耦合器將主干兩路信號耦合到平層，僅在垂直主干進行雙路改造，平層分布系統(tǒng)保持不變，即可實現(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)雙路室分方案造價對比

本方案基于雙路耦合技術(shù)進行室分改造，無需新增主設(shè)備軟硬件，不改變原有平層單路分布，1～8 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；消耗總工時為3 小時（2 人）。由此估算替換一個雙路耦合器材料費、施工費約800 元（含器件、輔材、施工費等）。

北京華文學院5 號公寓總覆蓋面積約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%。具體造價對比如表4 所示。

表4 雙路耦合與傳統(tǒng)雙路室分方案造價對比表

因此該方案盡可能的保護了原有分布系統(tǒng)投資，快速實現(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。

（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）能夠快速實現(xiàn)MIMO 功能，較傳統(tǒng)單路錯層覆蓋技術(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)用價值。