分布式天线系统(DAS)优化指南

 室内分布式天线系统(DAS)的优化通常是覆盖率的函数，目的是追求高效的信号传播和容量，并取得最大的吞吐量。随着移动技术形成的更大容量需求催生了第三个考虑因素，目的是保护未来的系统，确保覆盖各种无线技术。例如随着LTE时代的到来，以及对视频数据流和更密集数据使用的关注，全球运营商如今都在寻找能够在早期安装阶段最大限度减少基础设施成本的解决方案。包括2G、3G和4G在内的完整服务必定在一个生态系统中彼此共存，而这个生态系统需要促进频谱的重整和优化。本文将讨论如何在同样的分布式天线系统上整合大功率和小功率远端单元来提供灵活的网络设计，进而正确调整解决方案的尺寸、满足要求和降低成本。

分布式天线系统概述

信号从附近基站或有线中继器耦合到光学主单元(OMU)，然后通过光纤分配到一个或多个远端单元。远端单元通过单根光缆连接到OMU。为了以高成本效益的方式整合不同远端单元的上行链路，需要使用不同的颜色(波长)。

数据业务量的增长

移动运营商面临着不断改善他们提供的服务的挑战。移动网络特别快速的增长给覆盖率和容量提出了更高的要求。在室内环境中，这些要求并不总是一开始就定下来的，运营商必须为增长留有余地。

用户接入移动网络所用的设备复杂性的不断提高也使得高质量的无线覆盖成为必要。例如，2012年移动视频业务在移动数据中的占比就首次超过了50%。全球移动数据业务在2012年的增长率为70%，到2012年底达到每月885拍字节(PB)，而2011年底这个数据是每月520PB(1艾字节=1000拍字节)。为了加深对这个数字的印象，有必要了解单位的换算：一个PB是1000000000000000B或1015 B，相当于1000太字节。这些令人惊骇的发展趋势正在推动运营商特别关注室内覆盖率来提升他们的网络。这种关注源自使用环境的重要性——人们还没有广泛认识到室内使用量会占到整个移动数据业务量的80%，以及对今后五年中增长速度不会放缓的预测(见图1)。

分布式天线系统复杂性的增长

随着室内使用量的增长，对移动网络的要求也与日俱增。要求不仅关乎到全球商业高度增长、多层次出租的大楼和复杂的校园情景，而且关乎到各种集会场所，从大学和政府/公共机关园区、到隧道、地下交通网络和体育设施。例如能够容纳9万人的体育场产生的峰值业务量可能相当于拥有50万居民的城市。在这两者中，体育场是至今面临的最大覆盖率挑战，因为大部分观众会在同一时刻使用他们的设备，从而导致在集中的时间段内对网络服务提出异常高的要求。

对最高可靠性的鲁棒性网络连接的要求因紧急服务的通信需求而得到进一步增强。在上述环境中部署这些服务极具挑战性，因为这些环境中的每个构件和密集障碍物都会阻碍信号的传播。障碍物范围十分广泛，从需要覆盖的人造屏障，比如相邻大楼，到不可避免的位置特征，比如地下室。

分布式天线系统(DAS)的灵活性以及将覆盖率挑战分解成小区的能力提供了覆盖率和容量的解决方案。DAS能够无缝地将移动运营商网络接入大楼和其它原本很难到达的位置。借助光缆基础设施，DAS可以将信号引入大楼内部，并且支持包括GSM、WCDMA和LTE在内的每种主要无线技术。DAS通过最简单的方式将室内覆盖的大挑战变成不再令人畏惧的一系列小挑战，从而实现高效的信号传播。满足‘小区’内的每个特定问题将挑战以渐进的方式向上传递，从局部的(远端)光单元(中继器)直通到头端(将信号从射频转换为光纤反馈中继系统中的光的光学主单元)，再到基站(基本收发站，通常称为BTS)。基站可以在大楼内部，在基站‘宾馆’，或远达数公里的外部位置。另外一种选项是通过有线数字中继器馈送DAS。

DAS系统现在还能经过扩展为需要IP回传支持的其它设备提供IP回传基础设施，比如小蜂窝或安装在许多公共场合的监控摄像机等设备。

覆盖率

在18个月前，也就是3G到来之时，运营商们并没有针对下一代技术优化他们的室内系统。技术发展得非常快。同样这些运营商现在只能更新他们的资本支出，因为他们需要回到服务不周的地区增加基站，或者更替整个系统以降低噪声水平，使其符合新技术的要求。今天，这种情况可以避免，没有人会被指责没有预测到移动世界要求改变的步伐。这是这个行业作为整体从中学到的教训——一个灵活的系统可以根据要求帮助运营商提高室内覆盖率和容量。

设计阶段现在比以往任何时候都重要，因为运营商现在给面向未来的室内覆盖系统给予了很高的优先级。提供可以达到的最高性能取决于最大化想要的因素——源于严格的射频设计过程的相对直接事件。高性能也取决于最小化不想要的因素，其中干扰和噪声首当其冲。制定鲁棒性的架构计划如今是很成熟的任务。有现成的交互式应用向这个过程普及全面的检查清单方法。这个阶段需要根据由必要覆盖区指定的远端光学单元的相对功率作出决策，然后由这个覆盖区提示决策者要求的单元数量和光学主单元的数量，传播来自远端的信号，并将它送到基站(见图2)。

系统配置——混合和匹配

在任何多频段光纤系统的设计阶段，当第一次规定反映覆盖率要求的基础设施布局之时，需要确定大功率或小功率远端单元的选择。低功率远端单元的天线端口的复合输出功率通常是20dBm，大功率远端单元则高达37至43dBm。由于对这两种远端单元的赞成和反对声音都有，最优解决方案通常是两个一起部署。

比如在超高层大楼的情况下，使用小功率远端单元通常每一层至少配置一台。这种配置必须安装更多光学主单元(OMU)(也被称为头端)，它也需要布放较多的电缆。总之这种情况需要付出较多的精力和成本。从高效网络、最优架构和成本控制的角度看，更大功率的远端单元完全能够满足要求。它能够满足固定空间场合中的当前和未来需要，因为这种需求是完全可以预测的(受楼层大小的控制，因此需要最大的占用容量)。

使用大功率远端单元更有利于DAS架构，在超高层大楼中一个单元就能覆盖6至7层。这种方法经常被系统集成商因安装阶段受布线限制和接入许可而采用——这是在设计过程中必须适应的因素。在缺少任何可以接受的工作区时(对所有各方都可接受，包括设施管理方、大楼主人和网络系统集成商)，这种限制意味着小功率远端单元也是合适的，即使它们不是最优的解决方案。虽然从技术上讲这样做被视为妥协，但这种解决方案证明了DAS的灵活性，无论哪里需要无线覆盖，分布式天线系统都可以满足要求。重要的是对DAS这方面的灵活性有要深刻认识。作为实际的解决方案，它能根据实际约束条件进行配置，同时仍能根据网络承诺提供一流的覆盖率。根据要求还可以增加额外的小区，特别是在大型场所，比如体育设施、会议中心和机场。

低噪声——实现最大数据吞吐量所必需的

整个最优的分布式天线系统解决方案由大功率远端单元和较小功率的远端单元组成，前者用于覆盖超高层大楼，后者用于较小的建筑或覆盖区域，比如体育馆中的进一步要求。不管哪种配置，远端单元架构布局都能满足室内或大型场所要求，关键考虑因素是确保基站本身不会受到大噪声的影响。DAS装置会有信号馈送给基站。如果它们有很高的噪声系数，那就会造成干扰，并引起容量问题。反过来也正确——实现可能最低的噪声系数可以确保最大的数据吞吐量。

远端单元的噪声系数越低，整个系统的总体噪声系数也越低。大功率远端单元最好的噪声系数典型值可以低至3dB(最大增益)，小功率远端单元典型值是10dB(最大增益)。事实上，在目前这个时点，3dB是业界最低的噪声系数，相当于基站的噪声系数值。这个数字可以确保基站的最优使用以及用户移动设备的最快速体验。为了测量噪声水平，例子系统中10个远端的计算是10log(远端的数量)+单个远端的噪声系数。假设系数为3dB，那么评估噪声水平的公式就是10 log 10(10)+3 = 13 dB。这是目前可以取得的最低总体噪声系数。实际中噪声系数为20dB左右的系统也很常见。

容量

图3所示的香农-哈特利信道容量公式是一种广泛使用的通过测量吞吐量和噪声之间的关系评估容量最优化的方法。公式是C=B log 2(1+S/N)，其中：

●C=容量，单位是比特/秒/赫兹

●B=带宽

●S/N=信噪比。这涉及到S/N ~ 1/R n，n=路径损耗指数

●S/N ~ 1/NF

当功率、带宽和频率等变量不变时，运营商需要从基站获得更高的数据速率，同时如前所述将噪声系数保持在尽可能低的水平。图3表明，根据这个公式的基本原理，在更高阶调制(HOM)方案(如QPSK和QAM)中需要更高的信噪比(S/N)才能实现最大的容量。

基础设施

在设计阶段就满足覆盖率和容量要求，然后再进入安装阶段，运营商就能保证DAS系统满足未来容量增长需求，只需简单地增加更多的小区，不用再重新修改基础设施。光纤头端单元中的灵活性允许单个头端(单个底座)支持多达8个小区——比如安装一开始是两个小区，那么无需修改基础设施，只需增加更多的头端或远端单元或光纤或同轴电缆就能使容量翻倍。

一个完整集成的解决方案支持从远端到头端使用相同的电缆。变化会在接口点受到影响(图3)。针对小蜂窝或Wi-Fi接入点的‘运营级’IP回传可以馈离DAS。这个特性能同时减少CAPEX和OPEX，因为无需运营商应对多家供应商的不同系统，对因这种方法导致的复杂布线没有要求，也无需增加在一个位置运行独立系统的成本。在网络效率方面，射频干扰也更低。

合乎逻辑的结论

为分布式天线系统和每组IP设备建立独立的基础设施将增加安装时间和成本，也会造成系统间的潜在干扰。运营商现在可以使用单根光缆上的单个基础设施同时支持DAS远端单元和IP回传应用。有利的成本暗示是不证自明的，但分布式天线系统天生的可扩展性和释放出来的灵活性也许具有更加长期的好处。因为‘小区化的’设计方法，这种可扩展性是天生的，当要求更高容量和覆盖率时可以增加远端单元。灵活性的‘释放’是因为运营商不再受固定和刚性结构的限制，而这些结构随着无线通信技术的向前发展要求巨大的再投资。正如预测表明的那样，无线通信技术的快速发展在今后数年内将继续是移动世界的确定特征。

分布式天线系统优化的关键是在设计基础设施时考虑实际世界的要求，建立在需要时可以通过包含额外中继器实现增长的架构，通过最低可达到的噪声系数确保高质量。这意味着部署最高质量的设备：三个简单的步骤实现逻辑上清晰的解决方案。