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为了室内的信号,移动公司操碎了心
2022-09-09

室内覆盖?话说基站为了伪装自己,已经不遗余力了,为啥还非要吃力不讨好,削尖脑袋往室内钻?原因无他,都是金钱的诱惑。

首先,据日本运营商NTT DOCOMO的研究,超过70%的移动通信话务发生在室内。想想也是如此,现代人每天大部分的时间都在室内活动,在比较安静,打扰较少的环境下,大家更能专注地打电话或者上网。

△ 70%的移动业务发生在室内

这室内飞舞的电话和流量,对于运营商来说,就都是白花花的银子啊!

然而,室内的覆盖却往往不尽人意。由于建筑外墙阻隔,无线信号到室内会大幅衰减,如果大楼还非常厚的话,干脆就形成了信号的盲区。

因此,超过70%的用户投诉,都是因为室内覆盖不好导致的。

△70%以上的投诉是由于室内覆盖不好导致的

所以,各个运营商都在不遗余力地进行室内覆盖增强,毕竟流量多就意味着收入潜力大,何况那么多的用户在弱覆盖里嗷嗷待哺呢。

虽然上一期《什么?还有能安装在家里的基站!》中讲到皮站和飞站也都是专门用来进行室内覆盖的,但它们能力太弱,不便于规划大面积覆盖,并且回传使用公网,可靠性也不能保证,因此只能用于少量边边角角的覆盖灵活补充。

这就需要专业的室内覆盖系统来解决了。

传统的室内覆盖系统叫做“分布式天线系统”,也叫室分系统,英文是Distributed Antenna System, 简称DAS。

DAS的思路非常简单,就是在大楼的某个不为人所见的黑暗角落安装上基站,然后通过四通八达的射频线缆,把信号传输到需要的地方,再装个蘑菇头天线发信号发射出来。

△ 蘑菇头天线,DAS系统隐藏在天花板上面

在办公室埋头工作的你,如果抬头观察天花板的话,大概率能看到每隔一段距离就会有一个长得很像蘑菇的圆圆的东西,那就是室分系统的天线。

你能看到的还是冰山一角,大量的射频线缆,功分器,耦合器就羞涩地隐藏在天花板上面的角落里,偷偷地延伸到某处暗箱操作这一切的大佬:基站。

△ DAS系统架构图

下面蜉蝣君简要介绍下这些设备及器件的作用。

1、基站:室内分布系统的核心,作为信号源,一方面发出信号并通过各个节点传递到大楼的所有角落,另一方面,收集各个方向传来的手机的信号并进行处理。

2、合路器:因为基站可能分为2G,3G,4G多种,还可能包含1800M,2100M或者2600MHz等各个不同的频段,但传输信号的射频线缆数量有限,所以需要把这些不同制式,不同频段的信号合并起来一起传送,这就需要使用合路器进行汇聚。

△ 合路器

上面的普通合路器主要用于异频合路。另外,还有一种特殊的合路器,被称作3dB电桥,用于相同频段不同信号/载波合路后馈入室分系统。

3、耦合器:这个器件是用来把信号分成不对称的两路的。比如信号从地下室的基站出来,需要把10%的能量用于一楼的覆盖,另外90%还要网上覆盖更多的楼层,这就需要耦合器来进行功率分配了。

△ 耦合器

4、功分器:一听名字就是用来进行信号的分路的,和耦合器不同,功分器只能平均分配,比如一分二,一分三等等。多个功分器进行级联,可以组成复杂的网络,像毛细血管网一样把基站的信号分到各个角落。

△ 功分器

5、室内分布天线:信号从基站出来,经过合路器,耦合器,功分器这一路的分配,到达了楼层的每一个角落,最后一步就是安装上天线,让信号释放出来,弥散到整座楼中,就这样解决了室内覆盖难题。

△ 室内蘑菇头天线和板状天线

室分天线体积较小,一般使用形似蘑菇头的全向天线,小型板状天线也有,数量比较少,可放置在角落进行定向覆盖。

这样的室分方案看似完美,却有不少缺点。

首先要面临的问题是:信号自从基站出来,经过这么多的射频器件,每个都会引起信号的损耗,往往到了天线就已经衰减殆尽了,小范围的覆盖还勉强可以接受,大范围覆盖可就真的吃不消了。

△ 常用功分器的损耗

为了解决这个问题,聪明的工程师想到了一个办法:不就是信号在传输的过程中衰减过大么,我在半路加个放大器(

干放),把信号再放大不就行了!

△ 增加干放的有源DAS

干线放大器,简称干放,是在功率变低而不能满足覆盖要求时的信号放大设备。当基站设备功率难以达到覆盖要求时,干放可以放大信号源的功率,以覆盖更多的区域。

△ 这个大块头就是干放

这个方案就叫“有源DAS”,其中的“有源”就是指信号放大器使用需要电源;而原始版本的DAS就叫“无源DAS”,因为合路器,耦合器,功分器这些器件都是不需要电源就可以工作的。

有源DAS看起来完美,然而信号的放大是有代价的,会必可避免地引入噪声。也就是说,经过放大,虽然信号强度高了,但质量却变差了,原先的问题还是没有得到很好地解决。

随着基站形态进化,原先的一体化基站被拆分成了两个部分:基带单元(BBU)和射频单元(RRU)。既然室分一直在和信号的衰减作斗争,那么,何不把产生信号的装置,也就是RRU放得离天线近一些,比如每个楼层都安装一个,少了中间节点自然衰减就小了。

△ BBU+RRU分布式基站+DAS

但是,这个架构还是有缺点的,那就是:RRU要有地方装啊!不是啥楼都有在每一层安装RRU的条件的。而且,无源DAS标志性的耦合器,功分器等无源器件还都存在,只是少了些,并没有从根本上解决问题。

到了4G时代,DAS系统遇到了更为棘手的问题,那就是来自MIMO的挑战。4G相对于3G的巨大优势之一源自于对2x2MIMO乃至4x4MIMO的支持,要实现MIMO就要有空间上独立的传播路径。

可是,在2G和3G时代布设的DAS系统往往只有一条线,只能支持单发单收(1T1R),而4G最基础的2x2MIMO则至少需要支持双发。

基站支持双发倒是问题不大,可是信号的传播路径也就得两条啊!也就是说,要把DAS改造地支持2x2MIMO,就必须要整个新建另外一条信号传输链路,包含跟已有链路一样的一套器件:馈线,耦合器,功分器,天线。

就算移动运营商一咬牙改造,再新安装一套设备,也就仅仅是能支持4G 2x2MIMO而已。现在用户对网速的渴求指数增长,室内又占了70%以上的业务量,4x4MIMO早都成4G的标配了,难道再加两条链路不成?

这DAS的硬伤随技术的发展不断凸显,到底该怎么破?

其实前面各种对无源DAS的改进思路是完全正确的,我们只需顺着一路走到黑就行了:那就是,把基站的信号源拉得远一些,更远一些,直到和最终端的蘑菇头天线融为一体!

这样一来,基站的基带单元BBU到射频单元RRU+天线的传输链路就全部可以使用光纤或者网线,这些数字信号完全可以无损地传输到RRU,再通过天线把信号发出来。

由于RRU和天线是合一的,它们之间可以零距离直接相连,没有任何馈线,合路器,耦合器,功分器这类玩意,也就不会引入损耗。

此时的RRU,已经和传统DAS的RRU不同。由于它拉得跟BBU相当远,一般在屋顶上贴近用户安装,因此被叫做“

射频远端”。

由于射频远端没有功率损耗,因此它的发射功率可以非常小,一般也就是每载波100到200毫瓦,跟皮站(Pico cell)的发射功率相当;其次它和天线集成在一起取代了原先的蘑菇头天线,因此,这些小型RRU被称为pico RRU,简称pRRU。

这个方案好是好,但一细想还是有些问题。一栋楼有好多层,每层都布有很多的pRRU,少了几十个,多了上百个,它们全部连到同一个BBU上的话,费线不说,BBU也没有这么多接口啊!

其实这个问题系统规划专家早都想到了,那就是在BBU跟pRRU之间,再加一个类似交换机一样的设备,专门用来连接pRRU。这个设备相当于BBU上接口的扩展,因此叫做“

扩展单元”。

扩展单元可以每层楼都放一个,还可以级联起来以方便安装。这样一来,BBU只需要直接管理少量的扩展单元就可以了,三级架构各司其职,完美。

目前全球四大主流通信设备供应商都提供这种新型室内覆盖方案,虽然产品名称各不相同,但架构都是类似的,均由

BBU,扩展单元,射频远端这三部分构成。

下面蜉蝣君就以华为的lampsite为例,介绍下室内分布的翘楚,这种新型有源室内覆盖方案的结构。

华为的lampsite产品的名字由“lamp”和“site”这两个单词组成,其中lamp就是灯的意思,site就是基站的意思。这个名字传达的含义非常精准:像吸顶灯一样,安装在天花板上的基站,自带拟态伪装!

如上图所示,lampsite由BBU,RHub,以及pRRU三部分组成。其中的BBU和宏站的BBU是完全一样的;pRRU也就是射频远端,前面也已介绍过。

RHub就是那个类似“交换机”的设备:扩展单元。每个RHub可以连接8个pRRU,并且RHub之间还可以支持4级级联,连成一串部署方便布线。

BBU和RHub之间采用光纤连接,RHub和pRRU之间采用网线(类型为Cat5e或者Cat6类)连接。光纤和网线远比普通DAS的射频线要轻软得多。

采用这种新型DAS,可以带来诸多好处。

1、架构简单

只需三种设备,再加上连接它们的光纤和网线即可。传统DAS的的馈线,合路器,耦合器,功分器,天线等物料统统不再需要。

这样一来,不但易于规划,方便施工,而且吃瓜群众对网线等物料也没那么神经敏感,物业协调相对容易,施工阻力减少。

2、全面管理

传统的DAS使用了大量的合路器,耦合器,功分器等无源器件,这些器件数量多,但是却在网管上不可见,无法集中管理。虽说无源设备一般很不容易坏,但是万一呢?

如果真的某个节点发生了故障,就只能看到服务小区的指标异常,但排查定位非常困难。而新型DAS就的所有设备都是有源的,网管可以随时无死角监控。如果出现问题,故障点也一目了然。

3、天生MIMO

由于pRRU和天线集成并直接部署在天花板上,只需要pRRU就可支持多路发射和接收,不用再像传统的DAS一样要考虑增加一整套链路来支持MIMO。

在4G环境下,有了MIMO加持,下载速率可能就要快上一倍!

这样一来,实现了不但2x2MIMO,并且,多个pRRU还可以多点协作,下行共同实现虚拟4x4MIMO的效果,上行也可以通过联合接收来提升速率。

4、弹性容量

如果话务量较少,多个pRRU可以聚合成一个比较大的小区,小区内的用户自由移动,不会发生切换重选等信令,用户体验好。

举例来说,如果在整栋楼存在多个小区,你打着电话走到小区边界时,就会发生切换,频繁切换不但会影响用户体验,还会加大掉话风险,增加网络信令负荷。而如果在话务量很小的时候把这些小区合并成一个,那在整栋楼内活动就不再需要切换了。

在话务量较大的时段,在把大的小区分裂为多个,这样容量也就增加了多倍。当然这样也是有代价的,那就是小区间干扰增多,切换重选增加,用户体验降低。但是,保证大家在忙时都能打电话上网是第一要务。

因为新型有源DAS的优点众多,因此在世界上得到了非常广泛的应用。光是中兴的Qcell,就在全球40多个运营商得到了应用,并广受赞誉。

好了,本期的介绍就到这里,希望对大家能有所帮助。

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