TD—LTE室内覆盖建设解决方案研究

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本文摘自《移动通信》2012年16期。作者 付威 谭展

【摘要】文章先根据TD—LTE室内覆盖需求，对TD—LTE室内覆盖单通道和双通道两种建设方式进行了研究分析，并给出相应应用场景。再针对双通道模式，提出了具体的室内覆盖解决方案，主要包括基于分布式基站组网方式的室内分布系统建设的解决方案和天线的解决方案。
　　【关键词】TD—LTE 室内覆盖 分布系统 MIMO中继器
　　1 引言
　　LTE作为未来通信发展的大趋势，各大运营商都先后加大了对LTE的投资与研究力度，一些发达国家目前已开始或即将部署LTE网络。TD—LTE网络的优势在于能更好地支撑高速数据业务与多媒体业务。国内外3G业务发展规律表明，视频电话、视频流媒体以及在线游戏等高速数据业务70%都发生在室内环境中[1]，TD—LTE室内覆盖建设势必成为TD—LTE网络建设的重中之重。因此，本文就TD—LTE室内覆盖建设的解决方案进行了研究。
　　2 TD—LTE室内建设方案需求分析
　　LTE与2G、3G存在同样的问题是高层覆盖的质量问题及底层弱覆盖问题。2G/3G主要通过室外基站覆盖室内和室内分布系统两种方案来解决；在LTE系统中，由于快衰落和空间损耗等问题，使MIMO系统的室内覆盖很难通过室外基站实施覆盖，因此TD—LTE室内覆盖最佳的解决思路是采用室内分布系统来进行覆盖。具体的TD—LTE室内分布系统建设需要综合考虑成本、网络质量、建设与后续优化维护的难度以及网络扩容等多方面的需求，同时还要考虑尽量降低对现网运营的影响。
　　3 TD—LTE室内分布系统的建设方式
　　根据上述LTE建设需求分析，室内分布系统考虑单通道和双通道两种建设方式[2]，其中双通道模式下可考虑采用单极化天线或双极化天线。
　　3.1 单通道建设方式
　　单通道建设方式是指通过合路器将TD—LTE系统馈入现有单通道室内分布系统。该模式工程改造量小，施工成本低。由于采用单通道，实现的天线模式较少，因此虽然能够提高系统吞吐量，但相比双通道模式无法提升UE峰值速率。单通道模式系统框图如图1所示：
　　在TD—LTE网络建设初期，如果用于TD—LTE系统的频谱资源丰富，则可考虑不引入MIMO双通道方式，只改造单通道室内分布系统引入TD—LTE；尤其是已存在室内分布系统，但数据业务需求并不高的楼宇，可以优先考虑该模式。
　　3.2 双通道建设方式
　　根据业界大量研究表明，TD—LTE室内分布系统使用双路建设方式能充分体现MIMO上下行容量增益。考虑到与现有通信系统2G/3G共用基础设施，TD—LTE室内分布系统双路建设时有新建和改造两种方案。
　　（1）新建两路
　　在不改动原分布系统天馈线的基础上，额外增加两路天馈线系统；LTE独立使用新建天馈线。建议仅在合路时存在严重多系统干扰且具备新增两路天馈线条件的场景应用。
　　（2）新建一路，改建一路
　　TD—LTE一路室分与其他系统（如GSM、TD—SCDMA等）共用，另一路室分主要为TD—LTE使用。共用的一路室分按照TD—LTE系统性能需求进行规划和建设；另外一路也应通过馈线（型号及路由）、无源器件（如功分器和耦合器等）的选择确保TD—LTE系统在不同MIMO通道中的功率平衡。
　　4 TD—LTE室内覆盖解决方案
　　TD—LTE室内组网方式包括基于分布式基站的方式以及采用FemtoCell、Pico的方式等。在实际的室内组网中，主要采用基于分布式基站的方式[3]；而FemtoCell、Pico主要应用于对数据通信速率、质量要求较高且难以覆盖的盲点区和阴影区，以满足小范围覆盖和低容量的需求。
　　TD—LTE室内分布系统使用双路建设方式，能充分体现MIMO上下行容量增益。基于分布式基站组网方式，下文给出了具体的双路室分系统建设方案建议。
　　4.1 基于分布式基站组网方式的室分系统建设
　　考虑到TD—LTE室内分布系统有新建和改造两种方案，在工程中可根据实际情况选择单极化天线或双极化天线。
　　（1）新建室内分布系统
　　对于新建的室内分布系统，建议采取以下具体解决方案：
　　1）对于覆盖区域面积相对较小的场景，建议采用BBU+RRU+无源分布系统来进行覆盖。一个BBU可以连接多个RRU，BBU+RRU方案对于容量配置非常灵活，可按照容量需求，通过BBU控制给该区域的RRU分配足够的容量，从而解决容量问题。其示意图如图2所示：
　　2）对于覆盖面积中等甚至较大的场景，建议采用BBU+RRU+MIMO中继器+无源分布系统进行覆盖，从而解决覆盖的问题。
　　◆当可新增两路主馈线时，建议采用两个通路进行传输，即采用双馈线MIMO中继器，从而保证室内分布系统的覆盖质量。其示意图如图3所示。
　　◆当多根馈线安装受限，只能通过一根馈线传输时，建议采用单馈线MIMO中继器（分近端单元和远端单元）。其示意图如图4所示。
　　（2）改建室内分布系统
　　对于在原有2G/3G室内分布系统的基础上改建TD—LTE的共享室内分布系统建设，建议采取以下具体解决方案：
　　1）对于覆盖区域面积相对较小的场景，建议采用BBU+RRU+无源分布系统来进行覆盖。其示意图如图5所示。
　　2）对于覆盖面积中等甚至较大的场景，建议采用BBU+RRU+MIMO中继器+无源分布系统进行覆盖，从而解决覆盖的问题。
　　◆可新增主馈线电缆时的解决方案（加双馈线MIMO中继器）如图6所示。
　　◆不能新增主馈线传输电缆时的解决方案（加单馈线MIMO中继器）如图7所示。
　　（3）MIMO中继器介绍
　　室内区域的特点是人流密度大，业务量随时间变化。其覆盖的主要方式为基站+干线放大器+室内分布系统。使用干线放大器可以灵活便捷地对室内分布系统末端进行功率补偿，提高室内覆盖的信号质量，为室内高端用户提供优质服务。同时也降低了室内覆盖建网成本，避免了室内分布系统中小区过多现象的出现[4]。

TD—LTE MIMO中继器的作用相当于2G/3G系统中的干放，其信号直接通过馈线从基站耦合。TD—LTE室内分布系统中下行最高支持2×2 MIMO，上行支持1×2 MIMO，因此TD—LTE MIMO中继器也只考虑2×2 MIMO。TD—LTE中MIMO技术的使用，使TD—LTE中继器需要解决的首要问题是如何处理基站过来的MIMO信号，实现在中继器发射端MIMO信号的独立发送。根据TD—LTE中继器对基站过来的MIMO信号处理方式的不同，可将其划分为双馈线MIMO中继器和单馈线MIMO中继器。
　　1）TD—LTE双馈线MIMO中继器
　　双馈线MIMO中继器如图8所示。
　　下行链路：将TD—LTE基站的下行2路信号通过外接耦合器的方式引入到双馈线MIMO中继器下行输入端口，首先通过施主端的滤波器滤除TD—LTE频段以外的杂散干扰信号，再经由环形器后由功放进行射频放大，出环形器后就通过重发端的滤波器出干放进入覆盖区传输电缆中，通过重发天线发送TD—LTE信号，完成下行链路系统覆盖。
　　上行链路：手机发射的TD—LTE信号由外部重发天线引入，首先进入MIMO中继器重发端的滤波器滤除TD—LTE频段以外的干扰信号，减少TD—LTE以外频段信号的干扰，TD—LTE射频信号通过低噪放模块进行放大，再经由滤波器出MIMO中继器并经过基站耦合器进入基站接收机端。
　　2）TD—LTE单馈线MIMO中继器
　　为了解决实际工程中多根馈线安装受限的难题，设计出一种利用单馈线实现MIMO传输的单馈线MIMO中继器。该中继器分为近端单元和远端单元，一个近端单元可以带多个远端单元。近端与远端之间通过一根馈线连接，从而实现单根馈线的MIMO传输。
　　远端单元供电方式可采用远程供电和远端独立供电两种方式。在采用远程供电时，由于射频信号和直流电流的属性相差甚远，以至于在同一条电缆中传送可以互不影响。远程供电实现方法：在近端单元通过馈电器将射频信号和直流电流同时馈入同轴电缆中，在远端单元再通过分电器分离出射频信号和直流电流，从而进行供电。前期研发中可先考虑远端独立供电的方式。
　　单馈线MIMO中继器近端/远端单元原理框图分别如图9和图10所示。
　　下行链路：将TD—LTE下行两路信号通过外接耦合器耦合到单馈线MIMO中继器近端单元下行两个输入端口，通过近端单元的滤波器滤除TD—LTE频段以外的杂散干扰信号，两路信号分别进入环形器后通过变频器将两路信号变到不同频率上（保证两路信号频率有一定间隔），然后通过合路器将两路信号合为一路信号，再通过环形器将射频信号放大出环形器，信号通过主馈线送到远端单元；在远端单元，信号通过环形器，经由放大器将信号放大后由分路器根据不同频率分离出两路信号，再分别通过变频还原为原两路频率信号出环形器，经由滤波器将信号送至天线进行发送。
　　上行链路：终端发射的TD—LTE信号由单馈线MIMO中继器的两根重发天线引入，两路信号经由滤波器滤除TD—LTE频段以外的杂散干扰信号，之后进入环形器，出来的两路信号通过合路器合为一路信号（TD—LTE上行支持1×2 MIMO，因此引入的两路信号为同一信号，可以直接合路，不需要加变频），然后由放大器将信号放大出环形器送至近端单元；在近端单元，信号首先通过环形器，再由功分器将信号均分为两路信号出双工器，然后两路信号分别经滤波器出近端单元，由耦合器耦合到基站进行接收。
　　4.2 TD—LTE室内分布系统中天线的解决方案
　　天线的选择和安装是否合理直接影响到室内分布系统覆盖性能。在实际工程中，不同场景下选择何种类型天线、天线距离如何等是TD—LTE室分系统建设关注的重要问题。对于室内某一指定区域，若考虑实现MIMO，则采用两（套/
　　通道）吸顶天线覆盖为宜，基于不同的极化方向，可分为单极化吸顶天线和双极化吸顶天线。
　　天线选择原则：开阔场景（走廊、楼道）时单极化天线/双极化天线均可满足MIMO应用，由于双极化天线可以降低双路天馈线系统中天线部分的建设难度，因此根据工程安装需求尽可能选择双极化天线；封闭场景（会议室、办公室）时双极化天线与单极化天线相比性能下降明显，在工程安装允许的条件下，优先采用单极化天线（天线间距1m～2m）[2]。
　　单极化吸顶天线间距要求：对于两套单极化吸顶天线而言，希望通过增大天线间距以达到双天线通道低相关性的要求。开放场景（走廊、楼道）天线间距配置为4倍波长（0.5m）以上；封闭场景（会议室、办公室）天线间距为10倍波长（约1.25m）以上[2]。
　　TD—LTE天线频段要求：TD—LTE系统需至少支持E频段，与GSM/TD—SCDMA/WLAN系统共用需支持800MHz～2500MHz频段[3]。
　　5 结束语
　　本文主要针对当前的TD—LTE室内覆盖热点技术进行分析研究，为TD—LTE室内建设提供了一定的指导意见。根据对TD—LTE室内建设需求的分析，提出了单通道和双通道两种建设方式，并基于TD—LTE室内分布系统使用双路建设方式能充分体现MIMO上下行容量增益，给出了相应的建设方案建议。
　　参考文献：
　　[1] 赵经纬. 锁定70%业务区 专家解析3G室内覆盖策略[J]. 通信世界， 2008（37）.
　　[2] 梁晋仲. TD—LTE室内多天线模式探讨[J]. 电信技术， 2010（12）： 32—35.
　　[3] 中国移动通信集团公司. TD—LTE网络工程室内覆盖系统建设指导原则V0.6[S]. 2011.
　　[4] 中国移动通信企业标准. 第四代移动通信系统TDD—LTE无线子系统辅助设备规范直放站分册V1.0[S].
　　[5] 沈嘉. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2008.