唯得科技迭代升级单缆MIMO,5G移频室分系统开启规模化部署

      一、通信运营商在5G建设中期开始规模化部署移频室分系统

      根据工业和信息化部统计,截至2022年9月,我国累计建成开通5G基站196.8万个,5G信号已完整覆盖全国所有城市地区并基本覆盖乡镇,5G移动用户数达到4.55亿,5G基站和用户数均占全球60%以上,并成为全球首个基于独立组网模式规模建设5G网络的国家,在5G赛道上,中国已经位于国际前沿位置。

      5G“新基建”浪潮的前期建设重点为室外宏站及5G核心网,随着完成独立组网(SA)和实现全国5G信号覆盖,三大运营商已经开始将5G建设重心从“有没有”向“好不好”过渡。通过建设5G室分系统承载室内用户、应用多通道(MIMO)提速技术等多种手段达到5G低延时+高速率效果,实现在网5G用户感知提升并将5G优势实际应用到工业互联网和智慧城市等领域。

      在建设5G室分系统时,移频室分系统可以将4G时期已经建成且数量庞大的传统单缆室分系统利旧升级,兼容传输高频段5G信号并应用多通道(MIMO)技术,实现了有效利用运营商存量室分资源,以高速率、低成本,快速施工的模式将5G信号覆盖到5G需求最集中的楼宇及室内范围。本文着重介绍通过移频技术利旧运营商已建传统单缆DAS(Distribute Antenna System)室分系统实现MIMO提速的技术优势及使用前景。

      二、通过5G移频室分系统技术优势弥补传统室分缺陷

      为了将单缆室分系统升级为移频MIMO室分系统并实现最佳效果,移频系统中需要应用到多种射频技术及创新软件,主要包含5G频段的移频及还原、MIMO功率自动平衡、功率动态补偿、有源室分网管平台等。

      5G频段的移频及还原原理

      多路同频信号或倍频信号不能在同一介质(馈缆)内传输,因此传统5G MIMO多通道需要通过在同一线路铺设多根馈缆及多组器件才能达成,在已建室分系统或大部分已装修楼宇中很难实现。而移频技术将5G MIMO多通道中的一个或多个同频段5G信号的频率搬移至空闲频段并在终端还原,从而实现了在同一介质(馈缆)内以频分复用的形式传输多路同频信号,达到实现多通道(MIMO)室分系统的效果。

唯得科技迭代升级单缆MIMO,5G移频室分系统开启规模化部署

      MIMO功率自动平衡算法

      由室内基站信号源发射的MIMO多通道信号在发射端功率相同,但经过移频-还原、链路损耗、各频段衰减差异等传输过程中的影响,终端发射的MIMO多通道信号之间会产生一定的功率差,3GPP标准对MIMO多通道信号之间的功率差异要求为1dB。通过实测分析认为3dB以内的功率差是可以容忍的。

      下行影响分析:近点SINR高于最高MCS等级的要求,因此5dB内的双通道不平衡对近点吞吐量影响较小。在中远点,3dB功率差带来的容量损失在5%内,5dB功率差带来容量损失在10%以上。在中远点功率不平衡影响较大,同时造成的场强干扰极有可能降低室分系统覆盖率。

      上行影响分析:在近、中点, SINR高于最高MCS等级的要求,双路不平衡对吞吐量影响较小 。在远点,3dB功率差带来的容量损失约25%。5dB功率差带来容量损失达43%内。

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MIMO功率平衡对吞吐量影响

      为避免双通道功率不平衡造成的室分系统信号质量下降和吞吐量衰减,一部分移频室分系统研发实现了MIMO功率自动平衡算法,该技术可使得移频系统远端设备实时监控5G直通路信号功率,并根据直通路功率的变化实时调整还原移频路功率,使得移频路与直通路双通道始终保持功率自动平衡,甚至可将功率差幅始终控制在1dB以内。该种技术可使得移频室分系统基本达到MIMO技术可实现的吞吐量理论峰值,有效保证5G移频室分系统上下行速率。

      功率动态补偿技术

      对于电信联通建设5G通讯的3400MHz-3600MHz频率而言,与原1.8G/2.1G的4G室分频率相比,3.5G频率在馈缆中传输损耗增加约35%~40%,穿透损耗增加约40%~80%,5G信源直接利旧原有DAS室分系统可能造成覆盖率降低50%以上的不良效果,传统无源DAS室分系统已无法完成5G信号的全面覆盖。

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传统室分系统传输3.5G信号

      为了将利旧原有DAS室分系统传输电信及联通的3.5G频段5G信号成为可能,一些新型移频室分系统创新使用了功率动态补偿技术,当末端天线输出功率较低时,自动补偿放大相应功率至标准值,保证了最佳的传输速率,克服了高频5G信号在馈缆中长距离传输的功率损失问题,实现天线智能化增益补偿。无需人工调节,补偿5G高频信号在馈缆及器件中的功率损失,使得3.5G频率在射频馈缆内长距离传输成为可能。

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有源移频室分系统通过功率动态补偿技术实现电联3.5G覆盖

      有源室分网管平台

      传统室分系统的网络管理功能只能对基站进行远程监控及运维,无法对室分基站下天馈分布系统中的天线点进行监控管理,在无源分布系统发生故障时也无法感知,只能由人工现场检查或接到用户投诉时检修,作为监控难题,运营商近年也一直提出对原有分布系统“可管可控”的运维要求。

      移频室分系统采用将天线替换为远端设备的方式实现移频MIMO的同时,远端设备也具备了监控及管理功能,因此通过远端设备的数据监控及远程传输,运营商即可完整实现到天线端的运维管理功能,并且可以通过移频系统搭建功能完善的远程综合网管平台,实现对所有已建站点的智能化综合运维管理,如设备接入管理、多级站点地图、设备分布图显示、可视化监控中心、工单运维管理、告警管理、设备版本管理、轮询自检、智能化维护等。

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      三、现有移频室分系统分类

      三种移频实现方式

      目前移频技术主要通过三种方式应用到运营商5G室分系统当中:有源移频室分系统(典型厂商:唯得科技)、无源移频室分系统(典型厂商:华为)、移频增速器(典型厂商:大湾区研究院)。

      有源移频室分系统

      以北京唯得科技有限公司为典型厂商的有源移频室分系统产生时间可以追溯到4G时代的单缆MIMO室分系统,在多年的实际应用中演进出了适应多种5G频段制式、功率自动平衡、功率动态补偿、智能网管平台等高阶功能,已经在中国移动、中国联通、中国电信三大运营商规模化部署。

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有源移频室分系统架构

      有源移频室分系统由近端设备和远端设备组成,架构和施工都非常简单,在5G RRU侧增加近端设备与RRU连接后通过合路器连接原有单缆室分系统,再在天线侧将原有天线换为天线一体化远端设备即可。有源移频室分系统的远端设备由近端设备供电,近端设备通过原有室分系统线缆及器件即可实现低功耗远程供电,无需添加额外的馈电单元,但需要将原系统无法供电的耦合器替换为同等规格的馈电耦合器。原有耦合器基本为不支持5G频段的低频耦合器,为减少5G信号的链路衰减,在建设5G室分系统时也应替换。

      无源移频室分系统

      无源移频室分系统是由华为技术有限公司在2022年最新推出的一种移频室分技术。随着有源移频室分系统的广发应用,作为基站厂商的华为也希望从主设备源头实现移频,通过在主设备(RRU)端进行移频,免去近端机的安装工作。

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有源移频室分系统架构

      无源移频系统由移频型RRU和远端设备组成,架构和施工与有源移频系统基本一致,主要区别为不需要安装近端设备和替换耦合器,通过在远端设备中添加无源混频器的方式实现移频信号的还原。无源移频系统相比有源移频系统进一步减少了改造工程量,但需要使用移频型RRU,因此不适用已建5G基站站点,同时因为远端设备使用无源混频方式实现移频信号的还原,因此不具备有源移频系统适应多种5G频段制式、功率自动平衡、功率动态补偿、智能网管平台等高阶功能和应用。

      移频增速器室分系统

      移频增速器室分系统由中国移动粤港澳大湾区(广东创新研究院有限公司在2021年研发推出,移频增速器室分系统的近端设备部分与有源室分系统完全相同,其创新点在于将移频系统远端设备与室分天馈系统“断开”,额外在室内多个点位添加新的远端设备并就近取电使其工作,远端采用无线方式接收原室分系统天线发射出的未还原的移频信号,将其还原为5G信号后发射至覆盖区域,与原天线发射的5G信号共同组成双通道MIMO效果。

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无源移频室分系统架构

      该方案也不需要进行耦合器的替换,但就近取电、移频设备的安全管理、大功率移频信号在空间发射的频段授权等问题暂未解决,因此属于实验型产品还未正式商用。

      四、有源移频室分系统相比其他移频系统优势分析

      以上三种实现移频的方案各具特点,后两种都在施工便利性上有进一步的提升,但回归移频系统的本质:实现MIMO效果和室分系统可管可控,三种移频系统还是有较大差异。

      MIMO提速效果

      具备功率自动平衡和功率动态补偿技术的有源移频室分系统在每个天线点都可以达到15dBm-20dBm的发射功率,保证每近端设备300平方米覆盖范围内实现良好的5G双通道信号覆盖效果。在移动2.6G频段达到800Mbps以上下载速率;在电信/联通3.5G频段(100M带宽)达到600Mbps以上下载速率;在电信/联通3.5G频段(200M带宽)达到1100Mbps以上下载速率;在电信/联通2.1G频段(20M带宽)达到200Mbps以上下载速率,基本实现信源带宽范围内MIMO速率的理论峰值。

      无源移频室分系统和移频增速器缩减了馈线供电的难度,但相应失去了移频远端设备的功率调整能力,因此在提速效果上相比有源移频室分系统有较大差距。

      无源移频室分系统的混频器还原方式限制了移频型RRU可携带的远端设备数量,最大仅支持30个远端天线点,天线数量较多或功率差较大的场景中,移动2.6G频段下载速率约为400Mbps-500Mbps,且不支持电信/联通3.5G频段(100M带宽)、电信/联通3.5G频段(200M带宽)、电信/联通2.1G频段(20M带宽)。

      移频增速器的远端设备采用外置接收天线发射出的移频信号模式,因此还原后共同组成的MIMO信号存在巨大的覆盖差异,在功率分配理想区域(20%)基本可达到有源移频室分覆盖效果,在大部分交叉覆盖区域(80%)MIMO信号效果仍不太理想。与无源移频室分系统相同,移频增速器方案仅支持移动2.6G频段,不支持其他3.5G和2.1G室分5G频段。

      室分系统可管可控

      有源移频室分系统可以实现前述综合化网管平台的运维管理功能;无源移频室分系统未采用远端移频有源设备,因此没有网管功能;移频增速器具备一定的设备掉线告警功能和在线状态显示,但其他链路检测和综合化平台功能无法拓展实现。

唯得科技迭代升级单缆MIMO,5G移频室分系统开启规模化部署

      通过对以上技术特点的分析,结合运营商采用多种低成本手段综合建设5G网络指导意见,可以预期在未来五年5室分建设发展期,移频技术将广泛应用于升级改造庞大的存量无源DAS室分资源。

      而移频室分系统中较为成熟且具备综合优势的有源移频室分系统,可以快速完成原有单缆室分系统的改造,提升系统带宽,满足移动用户对于高速数据业务的需求。解决困扰运营商5G建设过程中利旧、提速及管理的难题,同时也为5G室分系统设计提供了一套新的设计思路。

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