分布式天線系統(tǒng)的基本概述及優(yōu)化解決方案

室內(nèi)分布式天線系統(tǒng)(DAS)的優(yōu)化通常是覆蓋率的函數(shù)，目的是追求高效的信號(hào)傳播和容量，并取得最大的吞吐量。隨著移動(dòng)技術(shù)形成的更大容量需求催生了第三個(gè)考慮因素，目的是保護(hù)未來的系統(tǒng)，確保覆蓋各種無線技術(shù)。例如隨著LTE時(shí)代的到來，以及對(duì)視頻數(shù)據(jù)流和更密集數(shù)據(jù)使用的關(guān)注，全球運(yùn)營商如今都在尋找能夠在早期安裝階段最大限度減少基礎(chǔ)設(shè)施成本的解決方案。包括2G、3G和4G在內(nèi)的完整服務(wù)必定在一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中彼此共存，而這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)需要促進(jìn)頻譜的重整和優(yōu)化。本文將討論如何在同樣的分布式天線系統(tǒng)上整合大功率和小功率遠(yuǎn)端單元來提供靈活的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，進(jìn)而正確調(diào)整解決方案的尺寸、滿足要求和降低成本。

分布式天線系統(tǒng)概述

信號(hào)從附近基站或有線中繼器耦合到光學(xué)主單元(OMU)，然后通過光纖分配到一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)端單元。遠(yuǎn)端單元通過單根光纜連接到OMU。為了以高成本效益的方式整合不同遠(yuǎn)端單元的上行鏈路，需要使用不同的顏色(波長)。

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的增長

移動(dòng)運(yùn)營商面臨著不斷改善他們提供的服務(wù)的挑戰(zhàn)。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)特別快速的增長給覆蓋率和容量提出了更高的要求。在室內(nèi)環(huán)境中，這些要求并不總是一開始就定下來的，運(yùn)營商必須為增長留有余地。

用戶接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)所用的設(shè)備復(fù)雜性的不斷提高也使得高質(zhì)量的無線覆蓋成為必要。例如，2012年移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)在移動(dòng)數(shù)據(jù)中的占比就首次超過了50%。全球移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在2012年的增長率為70%，到2012年底達(dá)到每月885拍字節(jié)(PB)，而2011年底這個(gè)數(shù)據(jù)是每月520PB(1艾字節(jié)=1000拍字節(jié))。為了加深對(duì)這個(gè)數(shù)字的印象，有必要了解單位的換算：一個(gè)PB是1000000000000000B或1015 B，相當(dāng)于1000太字節(jié)。這些令人驚駭?shù)陌l(fā)展趨勢正在推動(dòng)運(yùn)營商特別關(guān)注室內(nèi)覆蓋率來提升他們的網(wǎng)絡(luò)。這種關(guān)注源自使用環(huán)境的重要性——人們還沒有廣泛認(rèn)識(shí)到室內(nèi)使用量會(huì)占到整個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的80%，以及對(duì)今后五年中增長速度不會(huì)放緩的預(yù)測(見圖1)。

分布式天線系統(tǒng)復(fù)雜性的增長

隨著室內(nèi)使用量的增長，對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的要求也與日俱增。要求不僅關(guān)乎到全球商業(yè)高度增長、多層次出租的大樓和復(fù)雜的校園情景，而且關(guān)乎到各種集會(huì)場所，從大學(xué)和政府/公共機(jī)關(guān)園區(qū)、到隧道、地下交通網(wǎng)絡(luò)和體育設(shè)施。例如能夠容納9萬人的體育場產(chǎn)生的峰值業(yè)務(wù)量可能相當(dāng)于擁有50萬居民的城市。在這兩者中，體育場是至今面臨的最大覆蓋率挑戰(zhàn)，因?yàn)榇蟛糠钟^眾會(huì)在同一時(shí)刻使用他們的設(shè)備，從而導(dǎo)致在集中的時(shí)間段內(nèi)對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提出異常高的要求。

對(duì)最高可靠性的魯棒性網(wǎng)絡(luò)連接的要求因緊急服務(wù)的通信需求而得到進(jìn)一步增強(qiáng)。在上述環(huán)境中部署這些服務(wù)極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些環(huán)境中的每個(gè)構(gòu)件和密集障礙物都會(huì)阻礙信號(hào)的傳播。障礙物范圍十分廣泛，從需要覆蓋的人造屏障，比如相鄰大樓，到不可避免的位置特征，比如地下室。

分布式天線系統(tǒng)(DAS)的靈活性以及將覆蓋率挑戰(zhàn)分解成小區(qū)的能力提供了覆蓋率和容量的解決方案。DAS能夠無縫地將移動(dòng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)接入大樓和其它原本很難到達(dá)的位置。借助光纜基礎(chǔ)設(shè)施，DAS可以將信號(hào)引入大樓內(nèi)部，并且支持包括GSM、WCDMA和LTE在內(nèi)的每種主要無線技術(shù)。DAS通過最簡單的方式將室內(nèi)覆蓋的大挑戰(zhàn)變成不再令人畏懼的一系列小挑戰(zhàn)，從而實(shí)現(xiàn)高效的信號(hào)傳播。滿足‘小區(qū)’內(nèi)的每個(gè)特定問題將挑戰(zhàn)以漸進(jìn)的方式向上傳遞，從局部的(遠(yuǎn)端)光單元(中繼器)直通到頭端(將信號(hào)從射頻轉(zhuǎn)換為光纖反饋中繼系統(tǒng)中的光的光學(xué)主單元)，再到基站(基本收發(fā)站，通常稱為BTS)?；究梢栽诖髽莾?nèi)部，在基站‘賓館’，或遠(yuǎn)達(dá)數(shù)公里的外部位置。另外一種選項(xiàng)是通過有線數(shù)字中繼器饋送DAS。

DAS系統(tǒng)現(xiàn)在還能經(jīng)過擴(kuò)展為需要IP回傳支持的其它設(shè)備提供IP回傳基礎(chǔ)設(shè)施，比如小蜂窩或安裝在許多公共場合的監(jiān)控?cái)z像機(jī)等設(shè)備。

覆蓋率

在18個(gè)月前，也就是3G到來之時(shí)，運(yùn)營商們并沒有針對(duì)下一代技術(shù)優(yōu)化他們的室內(nèi)系統(tǒng)。技術(shù)發(fā)展得非?？?。同樣這些運(yùn)營商現(xiàn)在只能更新他們的資本支出，因?yàn)樗麄冃枰氐椒?wù)不周的地區(qū)增加基站，或者更替整個(gè)系統(tǒng)以降低噪聲水平，使其符合新技術(shù)的要求。今天，這種情況可以避免，沒有人會(huì)被指責(zé)沒有預(yù)測到移動(dòng)世界要求改變的步伐。這是這個(gè)行業(yè)作為整體從中學(xué)到的教訓(xùn)——一個(gè)靈活的系統(tǒng)可以根據(jù)要求幫助運(yùn)營商提高室內(nèi)覆蓋率和容量。

設(shè)計(jì)階段現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都重要，因?yàn)檫\(yùn)營商現(xiàn)在給面向未來的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)給予了很高的優(yōu)先級(jí)。提供可以達(dá)到的最高性能取決于最大化想要的因素——源于嚴(yán)格的射頻設(shè)計(jì)過程的相對(duì)直接事件。高性能也取決于最小化不想要的因素，其中干擾和噪聲首當(dāng)其沖。制定魯棒性的架構(gòu)計(jì)劃如今是很成熟的任務(wù)。有現(xiàn)成的交互式應(yīng)用向這個(gè)過程普及全面的檢查清單方法。這個(gè)階段需要根據(jù)由必要覆蓋區(qū)指定的遠(yuǎn)端光學(xué)單元的相對(duì)功率作出決策，然后由這個(gè)覆蓋區(qū)提示決策者要求的單元數(shù)量和光學(xué)主單元的數(shù)量，傳播來自遠(yuǎn)端的信號(hào)，并將它送到基站(見圖2)。

系統(tǒng)配置——混合和匹配

在任何多頻段光纖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，當(dāng)?shù)谝淮我?guī)定反映覆蓋率要求的基礎(chǔ)設(shè)施布局之時(shí)，需要確定大功率或小功率遠(yuǎn)端單元的選擇。低功率遠(yuǎn)端單元的天線端口的復(fù)合輸出功率通常是20dBm，大功率遠(yuǎn)端單元?jiǎng)t高達(dá)37至43dBm。由于對(duì)這兩種遠(yuǎn)端單元的贊成和反對(duì)聲音都有，最優(yōu)解決方案通常是兩個(gè)一起部署。

比如在超高層大樓的情況下，使用小功率遠(yuǎn)端單元通常每一層至少配置一臺(tái)。這種配置必須安裝更多光學(xué)主單元(OMU)(也被稱為頭端)，它也需要布放較多的電纜?？傊@種情況需要付出較多的精力和成本。從高效網(wǎng)絡(luò)、最優(yōu)架構(gòu)和成本控制的角度看，更大功率的遠(yuǎn)端單元完全能夠滿足要求。它能夠滿足固定空間場合中的當(dāng)前和未來需要，因?yàn)檫@種需求是完全可以預(yù)測的(受樓層大小的控制，因此需要最大的占用容量)。

使用大功率遠(yuǎn)端單元更有利于DAS架構(gòu)，在超高層大樓中一個(gè)單元就能覆蓋6至7層。這種方法經(jīng)常被系統(tǒng)集成商因安裝階段受布線限制和接入許可而采用——這是在設(shè)計(jì)過程中必須適應(yīng)的因素。在缺少任何可以接受的工作區(qū)時(shí)(對(duì)所有各方都可接受，包括設(shè)施管理方、大樓主人和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成商)，這種限制意味著小功率遠(yuǎn)端單元也是合適的，即使它們不是最優(yōu)的解決方案。雖然從技術(shù)上講這樣做被視為妥協(xié)，但這種解決方案證明了DAS的靈活性，無論哪里需要無線覆蓋，分布式天線系統(tǒng)都可以滿足要求。重要的是對(duì)DAS這方面的靈活性有要深刻認(rèn)識(shí)。作為實(shí)際的解決方案，它能根據(jù)實(shí)際約束條件進(jìn)行配置，同時(shí)仍能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)承諾提供一流的覆蓋率。根據(jù)要求還可以增加額外的小區(qū)，特別是在大型場所，比如體育設(shè)施、會(huì)議中心和機(jī)場。

低噪聲——實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)吞吐量所必需的

整個(gè)最優(yōu)的分布式天線系統(tǒng)解決方案由大功率遠(yuǎn)端單元和較小功率的遠(yuǎn)端單元組成，前者用于覆蓋超高層大樓，后者用于較小的建筑或覆蓋區(qū)域，比如體育館中的進(jìn)一步要求。不管哪種配置，遠(yuǎn)端單元架構(gòu)布局都能滿足室內(nèi)或大型場所要求，關(guān)鍵考慮因素是確保基站本身不會(huì)受到大噪聲的影響。DAS裝置會(huì)有信號(hào)饋送給基站。如果它們有很高的噪聲系數(shù)，那就會(huì)造成干擾，并引起容量問題。反過來也正確——實(shí)現(xiàn)可能最低的噪聲系數(shù)可以確保最大的數(shù)據(jù)吞吐量。

遠(yuǎn)端單元的噪聲系數(shù)越低，整個(gè)系統(tǒng)的總體噪聲系數(shù)也越低。大功率遠(yuǎn)端單元最好的噪聲系數(shù)典型值可以低至3dB(最大增益)，小功率遠(yuǎn)端單元典型值是10dB(最大增益)。事實(shí)上，在目前這個(gè)時(shí)點(diǎn)，3dB是業(yè)界最低的噪聲系數(shù)，相當(dāng)于基站的噪聲系數(shù)值。這個(gè)數(shù)字可以確保基站的最優(yōu)使用以及用戶移動(dòng)設(shè)備的最快速體驗(yàn)。為了測量噪聲水平，例子系統(tǒng)中10個(gè)遠(yuǎn)端的計(jì)算是10log(遠(yuǎn)端的數(shù)量)+單個(gè)遠(yuǎn)端的噪聲系數(shù)。假設(shè)系數(shù)為3dB，那么評(píng)估噪聲水平的公式就是10 log 10(10)+3 = 13 dB。這是目前可以取得的最低總體噪聲系數(shù)。實(shí)際中噪聲系數(shù)為20dB左右的系統(tǒng)也很常見。

容量

圖3所示的香農(nóng)-哈特利信道容量公式是一種廣泛使用的通過測量吞吐量和噪聲之間的關(guān)系評(píng)估容量最優(yōu)化的方法。公式是C=B log 2(1+S/N)，其中：

●C=容量，單位是比特/秒/赫茲

●B=帶寬

●S/N=信噪比。這涉及到S/N ~ 1/R n，n=路徑損耗指數(shù)

●S/N ~ 1/NF

當(dāng)功率、帶寬和頻率等變量不變時(shí)，運(yùn)營商需要從基站獲得更高的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)如前所述將噪聲系數(shù)保持在盡可能低的水平。圖3表明，根據(jù)這個(gè)公式的基本原理，在更高階調(diào)制(HOM)方案(如QPSK和QAM)中需要更高的信噪比(S/N)才能實(shí)現(xiàn)最大的容量。

基礎(chǔ)設(shè)施

在設(shè)計(jì)階段就滿足覆蓋率和容量要求，然后再進(jìn)入安裝階段，運(yùn)營商就能保證DAS系統(tǒng)滿足未來容量增長需求，只需簡單地增加更多的小區(qū)，不用再重新修改基礎(chǔ)設(shè)施。光纖頭端單元中的靈活性允許單個(gè)頭端(單個(gè)底座)支持多達(dá)8個(gè)小區(qū)——比如安裝一開始是兩個(gè)小區(qū)，那么無需修改基礎(chǔ)設(shè)施，只需增加更多的頭端或遠(yuǎn)端單元或光纖或同軸電纜就能使容量翻倍。

一個(gè)完整集成的解決方案支持從遠(yuǎn)端到頭端使用相同的電纜。變化會(huì)在接口點(diǎn)受到影響(圖3)。針對(duì)小蜂窩或Wi-Fi接入點(diǎn)的‘運(yùn)營級(jí)’IP回傳可以饋離DAS。這個(gè)特性能同時(shí)減少CAPEX和OPEX，因?yàn)闊o需運(yùn)營商應(yīng)對(duì)多家供應(yīng)商的不同系統(tǒng)，對(duì)因這種方法導(dǎo)致的復(fù)雜布線沒有要求，也無需增加在一個(gè)位置運(yùn)行獨(dú)立系統(tǒng)的成本。在網(wǎng)絡(luò)效率方面，射頻干擾也更低。

合乎邏輯的結(jié)論

為分布式天線系統(tǒng)和每組IP設(shè)備建立獨(dú)立的基礎(chǔ)設(shè)施將增加安裝時(shí)間和成本，也會(huì)造成系統(tǒng)間的潛在干擾。運(yùn)營商現(xiàn)在可以使用單根光纜上的單個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施同時(shí)支持DAS遠(yuǎn)端單元和IP回傳應(yīng)用。有利的成本暗示是不證自明的，但分布式天線系統(tǒng)天生的可擴(kuò)展性和釋放出來的靈活性也許具有更加長期的好處。因?yàn)椤^(qū)化的’設(shè)計(jì)方法，這種可擴(kuò)展性是天生的，當(dāng)要求更高容量和覆蓋率時(shí)可以增加遠(yuǎn)端單元。靈活性的‘釋放’是因?yàn)檫\(yùn)營商不再受固定和剛性結(jié)構(gòu)的限制，而這些結(jié)構(gòu)隨著無線通信技術(shù)的向前發(fā)展要求巨大的再投資。正如預(yù)測表明的那樣，無線通信技術(shù)的快速發(fā)展在今后數(shù)年內(nèi)將繼續(xù)是移動(dòng)世界的確定特征。

分布式天線系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵是在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)考慮實(shí)際世界的要求，建立在需要時(shí)可以通過包含額外中繼器實(shí)現(xiàn)增長的架構(gòu)，通過最低可達(dá)到的噪聲系數(shù)確保高質(zhì)量。這意味著部署最高質(zhì)量的設(shè)備：三個(gè)簡單的步驟實(shí)現(xiàn)邏輯上清晰的解決方案。

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