基于双路耦合技术的5G 传统室分设计的研究

［陈浩］

1 引言

目前存量传统室分多数为单路无源室分，无法发挥5G 双流传输模式的技术优势，而通过新建一路实现双路MIMO的方式施工难度大、成本高，工程上可行性低。因此，在节省工程造价和缩短建设周期的前提下，只需对主设备至楼层分布接口间的主干进行双路改造便可提升5G 室内下载速率的双路耦合技术成为重要的研究课题。

2 双路耦合技术核心器件及其工作原理

2.1 双路耦合技术核心器件

双路耦合技术通过无源双路耦合器件实现，该双路耦合器为5 端口器件，各端口连接方式如下：两输入口（1、2 口）接信源或上一楼层双路耦合器，两输出口（3、4 口）接下一楼层双路耦合器或平层单路分布，耦合口（5 口）接平层单路分布系统，各端口如表1 所示。

双路耦合器采用高功率容限（＞300 W）、低互调（＜-140 dBc）标准制造，与常规耦合器同型号（耦合度5、6、7、10 dB 等），满足现有各类频段（700～3 700 MHz）5G无源室分主干高性能器件标准要求。双路耦合器具体设计参数和制造工艺如表1 所示。

表1 双路耦合器设计参数、制造工艺、端口说明表

2.2 双路耦合技术工作原理

双路耦合室分通过双路主干传送两路信源信号，每个楼层设置一个双路耦合器，利用该耦合器通过耦合合路方式将两路耦合信号合路到各楼层的单路分布系统中，其中两路信号经过耦合器后耦合度相同，实现两路信号的等比例合路。由于双路耦合器内两输入端口及两输出端口设置了隔离端口，因此主干各级双路耦合器两路输入信号以及两路输出信号相互隔离，从而实现两路主干信号经过双路耦合器后仍相互独立。

两路信号耦合到各楼层后，由于两路信号到各楼层所经过的器件与电缆性能均不相同，因此各楼层间的信号相互正交。以1 楼、2 楼支路天线为例，其数学模型如下。

式中：

S1、S2 分别为1 楼、2 楼天线发射的信号；

g11、g12分别为RRU端口1、2经馈路到1楼天线的传输系数；

g21、g22分别为RRU端口1、2经馈路到2楼天线的传输系数；

T1、T2 分别为RRU 端口1、2 发射的信号。

2 楼的信号会穿透1、2 层间的楼板覆盖到1 楼中，且与来自1 楼天线的两路信号的空中传输矩阵正交，因此可以形成一路传输损耗与时延与1 楼信号正交的多径信号。两路正交多径信号经终端双天线接收解调，以用户在1 楼为例，1 楼手机两天线接收到的信号数学模型如下：

式中：

R1、R2 分别为终端接收天线1、2 接收的信号；

h11、h12 分别为1 楼、2 楼天线与终端接收天线1 间的传输系数；

h21、h22 分别为1 楼、2 楼天线与终端接收天线2 间的传输系数；

L 为信号经过楼板的穿透损耗；

S1、S2 分别为1 楼、2 楼天线发射的信号。

（1）（2）式中两个传输矩阵的秩都为2，使用其逆矩阵即可根据终端天线接收到的信号解调出原码流信号，即T1 和T2。例如，信源RRU 在前向会发送参考信号，终端通过测量参考信号可以得到两路信号的传输矩阵，终端根据传输矩阵计算出逆矩阵，再将接收到的R1，R2 矩阵乘以逆矩阵就可以得到T1和T2，从而实现空间MIMO传输。

3 双路耦合传统室分设计方案

双路耦合技术特别适合应用在具有垂直主干的多层无源室分的方案中，如商务办公楼、酒店、医院和校园宿舍等场景，下面根据室分信源部署的位置不同介绍以下两种典型设计。

3.1 信源部署在中间楼层场景的设计方案

当信源为2 端口时，利用传统功分器将两端口信号分别进行功分，两功分器各一个输出端口接向上（或向下）楼层的双路耦合器输入口；当信源为4 端口时，利用电桥将四端口信号进行混合，两电桥各一个输出端口接向上（或向下）楼层的双路耦合器输入口；各楼层间双路耦合器通过串接方式连接，双路耦合器耦合口连接各楼层单路分布系统。具体设计方案如图1 和图2 所示。

图1 中间楼层2 端口方案

图2 中间楼层4 端口方案

3.2 信源部署在最低楼层场景的设计方案

当信源为2 端口时，直接将信源两端口连接双路耦合器输入口；当信源为4 端口时，用传统电桥将四端口信号进行混合，两电桥各一个输出端口接向上楼层的双路耦合器输入口；各楼层间双路耦合器通过串接方式连接，双路耦合器耦合口连接各楼层单路分布系统。具体设计方案如图3 和图4 所示。

图3 最低楼层2 端口方案

图4 最低楼层4 端口方案

当信源设备部署在最高楼层时，主干向下部署，与最低楼层设计方案相似，在此不再赘述。

4 引入双路耦合技术后的网络性能分析

4.1 覆盖分析

上述双路耦合改造设计中由于增加功分器，引入了3 dB损耗，覆盖分析如下。

（1）中近场：RSRP 按单路测量，会较单路低3 dB，但引入双流，业务感知不降反升；

（2）远场：在远场传输模式由TM3 切换到TM2，引入3 dB 增益，总覆盖水平与单路相当。

双路耦合和传统单路室分在相同的信源功率条件下覆盖相同面积，差别在于引入功分的插入损耗（不含分配损耗）可以忽略不计（约0.2 dB），理论上覆盖能力与单路相当。

4.2 速率分析

上述双路耦合技术可将无源单路室分系统实现双流性能，其中当终端上行不支持MIMO 时，上行将引入3 dB增益，上行速率略有提升；在终端具备双发功能条件下，理论上上下行速率提升效果相当。

5 双路耦合技术室分实施验证

5.1 方案说明

本方案为北京电信首个双路耦合MIMO 试点项目，位置选取在北京华文学院5 号公寓，位于北京市昌平区七北路69 号，高8 层，覆盖面积约1.2 万 m2，属于中高流量的高校宿舍场景。方案首先将原有华为FDD-LTE 1.8G RRU 替换为华为FDD-LTE 2.1G+FDD 2.1GNR 双模RRU，其次再对1～8F弱电井的无源单路室分系统主干进行改造，并对改造前后的网络性能进行测试对比。具体设计方案如图5 所示。

图5 北京华文学院5 号公寓改造前后示意图

5.2 改造前后性能指标对比

本方案LTE 2.1 G 及2.1 G NR 系统带宽各20 MHz，分别对LTE 64QAM和5G 256QAM两种调制方式进测试。

LTE 64QAM 测试结果如表2 所示，改造前传统单路室分平均下行速率为69.69 Mbit/s；改造后双路耦合室分平均下行速率为111.51 Mbit/s；改造后速率性能平均提升60.01%。

表2 双路耦合与传统单路室分性能指标对比（64QAM）

5G 256QAM 测试结果如表3 所示，改造前传统单路室分平均下行速率为77.94 Mbit/s；改造后双路耦合室分平均下行速率为141.34 Mbit/s；改造后速率性能平均提升81.34%。

表3 双路耦合与传统单路室分性能指标对比（256QAM）

本方案使用双路耦合器将主干两路信号耦合到平层，仅在垂直主干进行双路改造，平层分布系统保持不变，即可实现传统单路室分形成2*2 MIMO 分双流效果，较传统单路覆盖和速率均有提升，且下行平均速率可提升60%～80%。

5.3 双路耦合与传统双路室分方案造价对比

本方案基于双路耦合技术进行室分改造，无需新增主设备软硬件，不改变原有平层单路分布，1～8 层楼室分主干改造工作量：布放1/2 馈线25 m，更换耦合器6 个；消耗总工时为3 小时（2 人）。由此估算替换一个双路耦合器材料费、施工费约800 元（含器件、辅材、施工费等）。

北京华文学院5 号公寓总覆盖面积约1.2 万 m2，若按传统方式双路改造建设成本约3 万元（2.5 元/m2），而双路耦合方式建设成本约0.48 万元（0.4 元/m2），较传统双路改造成本降低84%。具体造价对比如表4 所示。

表4 双路耦合与传统双路室分方案造价对比表

因此该方案尽可能的保护了原有分布系统投资，快速实现4/5G 双流效果，提升了传统单路DAS 分布系统性能。

6 结束语

通过上述的研究及工程实践不难发现，引入双路耦合技术的5G 传统室分可使网络性能大幅提升，提升了5G用户速率感知，主要具有以下特点。

（1）全无源系统，系统稳定故障率低，能耗小；

（2）重耕场景下只需对主干改造，工程量小，施工便捷，成本低，物业易协调；

（3）能够快速实现MIMO 功能，较传统单路错层覆盖技术，端口功率平衡，MIMO 性能得以保证；

（4）较纯双路覆盖略有提升，最大双流比例能够达到80%，接近传统双路室分效果。

因此该技术特别适合存量单路系统的低频段5G 重耕场景，也可作为低成本新建2X2 MIMO 高频段5G 室分场景的解决方案，具有极高的推广应用价值。