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(yíng)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(zhǎng))。

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的增長(zhǎng)

移動(dòng)運(yùn)營(yíng)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(zhǎng)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(yíng)商必須為增長(zhǎng)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(zhǎng)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(shì)正在推動(dòng)運(yùn)營(yíng)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(zhǎng)速度不會(huì)放緩的預(yù)測(cè)(見圖1)。

分布式天線系統(tǒng)復(fù)雜性的增長(zhǎng)

隨著室內(nèi)使用量的增長(zhǎng)，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(zhǎng)、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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(yíng)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(jiǎn)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(chǎng)合的監(jiān)控攝像機(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(yíng)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(yíng)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(cè)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(yíng)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(yíng)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(chǎng)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(cè)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(chǎng)所，比如體育設(shè)施、會(huì)議中心和機(jī)場(chǎng)。

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(chǎng)所要求，關(guān)鍵考慮因素是確?；颈旧聿粫?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(cè)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(cè)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(yíng)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(yíng)商就能保證DAS系統(tǒng)滿足未來容量增長(zhǎng)需求，只需簡(jiǎn)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(yíng)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(yíng)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(yíng)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(zhǎng)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(yíng)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(cè)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(zhǎng)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(jiǎn)單的步驟實(shí)現(xiàn)邏輯上清晰的解決方案。