无线基站天馈系统融合改造方案研究

全贻波

摘   要：随着移动流量需求的飞速增长，各营运商的LTE（4G）网络基本完成规模部署，国内和海外一些国家也陆续发放了5G牌照和频谱，当前2G/3G/4G制式网络与5G网络在未来一段时间内必然共存。为了解决现网的容量问题，3G/4G网络还在引入新频谱和持续的扩容，使原本复杂的天馈系统变得更加复杂，同时，为了空出安装空间规划给5G天线使用，这必然要求对现有天馈系统的进行融合改造。文章主要从天线选型和天馈方案设计这两点来展开，探讨在5G即将陆续部署的大势下，制定2G/3G/4G网络下的天馈融合方案。

关键词：天馈设计;天线选型;多频段;多制式

1    天馈系统融合改造对多频天线的需求

1.1  天面安装空间受限

随着2G/3G/4G各制式网络共存及新频谱资源的增加，楼顶和铁塔站点已经承载的天馈数量越来越多，对于新加天线来说越来越难。在欧洲，有90%的以上的天面只能安装1～2面天线;在拉美，有80%以上的天面只能安装1～2面天线。

普通大众对射频辐射越来越敏感，对新增的射频天线抵制心理很强烈，就迫使运营商在某些站点只能使用多频天线或伪装天线替换单频天线来引入新的频段和制式。

天线安装空间的限制是多频天线需求的重要驱动因素。

1.2  高阶MIMO需求

多输入多输出（Multiple-Input and Multiple-Output，MIMO）作为长期演进（Long Term Evolution，LTE）的关键特性，在LTE部署时，2×2 MIMO已经成为最基础的配置。随着用户感知需求的提升，4×4 MIMO将逐步成为FDD LTE的标准配置。4×4 MIMO对天线端口的需求会增加一倍。

多频天线的需求在无线运营商的频段、制式、天面和高阶MIMO的需求等因素的影响下会逐步增加。

预测四频及以上的天线的需求会占到天线总体需求的50%以上。

2    天馈系统融合改造方案设计的基本原则

2.1  多频天线选型的基本原则

2.1.1  网络部署整体策略

不同频段和不同制式的无线系统在无线网络中，承担着不同角色，基本上可以分为：基本覆盖层、基本容量层、热点容量层。

在天线系统改造过程中，选择共天线系统的原则如下：

（1）在天面受限的情况下，对于总站点数相近的系统优先共天线，可以保证两个系统的拓扑结构最接近，共天线的规划优化难度最小，对现网影响最小。

（2）相邻频段的系统，在没有干扰风险的情况下可以考虑共天线。

2.1.2  频段需求

建议为每个频段和每个制式安排独立的天线端口，保持独立电下倾的能力。建议综合考虑未来2～3年的新增频段和系统的要求，预留天线端口。

2.1.3  安装空间

从网络性能考虑，如果有足够的安装空间，建议每个制式和频段都使用独立天线，最大程度上给网络优化提供可能。

如果安装空间受限，使用多频天线替换当前天线成为必然。在这种情况下，一般建议保持当前天线数量，通過增加天线的频段来引入新的系统。

建议使用振子复用系列天线，能够在保持天线宽度不变的情况下引入更多的频段。一般情况下，新天线的长度不要超过原有天线。

2.1.4  网络性能

因为不同天线在设计上的差异，带来波宽、副瓣、增益等指标的细微差异，会影响最终覆盖强度的分布，所以在做多频天线改造过程中，需要做性能评估。各个基站设备厂家基本有各自的网络规划工具来做性能评估和RF规划。

2.1.5  系统干扰

在多频的天馈方案中，干扰风险需要提前识别。当前常见干扰主要分为系统间的杂散、阻塞和互调干扰。

2.1.6  总体营运成本

多频天馈方案的总体营运成本主要包含以下3种：

（1）天线系统，天线产品成本、租赁费用、安装费用。

（2）馈线系统，馈线合路器产品成本、租赁费用、安装费用。

（3）专业服务，联合规划费用、优化和咨询费用。

从天线系统来考虑，一般情况下，常用的四频以上天线的综合成本（产品成本+安装+租赁）最优;所有频段独立天线的方案成本最高。

从馈线系统来考虑，视频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）靠近天线安装，省去馈线和合路的费用，成本最低。对于基站主设备不能靠近天线安装的场景，常用的合路场景，可以省去一半以上的馈线和安装成本，推荐使用。

2.2  天馈系统干扰分析的原则

2.2.1  阻塞和杂散干扰分析方法和规避措施

在两个频段相隔较近的系统中，在基站侧，系统A的下行频段距离系统B的上行频段很近，由于系统A发射机的杂散性能或者系统B接收机的抗阻塞性能不能满足两个系统需要的隔离度需求，会影响系统B的接收性能。一般多频天线的两个频段之间的隔离度能够达到30 dB，当两个系统所需要的最小隔离度需要30 dB以上时，需要采取规避措施。

2.2.2  互调干扰分析方法和规避措施

多系统的互调干扰场景主要体现在如下两个场景：

（1）同系统的载波扩展范围太大，两个载波之间产生的互调产物落入该频段的接收频段。

（2）不同频段的系统通过合路器合路共享馈线时，不同频段之间的互调产物落入到参与合路的系统的接收频段内。

互调干扰的强度跟系统的产品信息营销管理PIM指标直接相关。一般来说，单个RF器件的PIM指标是明确的，但是多个RF器件组成的系统，PIM指标跟很多因素相关，例如工程质量、安装场景的电磁环境等，非常难定量评估，所以在互调干扰分析的时候一般使用较为保守的经验值来分析，例如一般馈线合路场景的系统PIM3指标大致在130 dBc，PIM5的指标大致在150 dBc。

2.2.3  不同系统间的干扰

系统间的干扰主要是有限的频谱资源被逐步占满，相近或相邻频段被不同移动通信系统使用的场景越来越多，系统间的干扰也就随之而来。

在天馈系统设计过程中，可以根据下面的表格来识别系统间的干扰风险，选择正确的滤波器来规避系统间的干扰风险。

2.3  天馈改造方案性能分析原则

天馈改造中，性能分析主要是为了保障改造前后的网络性能。

在多频替换单频的过程中，多系统的方位角和天线高度会被统一，这样最终的方位角和天线高度需要根据各个系统的部署策略找到最优的平衡。

由于改造前后天线在波瓣上（波宽、副瓣、前后比等）的细微差异，改造前后的天线在覆盖性能上会出现差异，即使是两款等规格的天线，这个差异也会客观存在，所以在替换前后需要做细微的优化来保障替换前后的网络性能，主要手段是优化各个频段的下倾角和方位角。

3    天馈系统融合改造案例分析

PIM问题导致合路方案变更：在某个天馈网络设计中，其网络GSM，UMTS，LTE各制式共站部署，其中，GSM1900是由两段频谱组成，分别支持25个载波和7个载波。UMTS1900一共有连续的18.4 M，计划配置成2个4.2 M和2个5 M。所以对于每个扇区，G1900和U1900的配置都是S4/4/4，L700和L-AWS的配置都是S1/1/1。基于站点塔上的安装空间有限及成本考虑，所以对这些站点选用了某款三频天线，其能够同时支持690-960和1710-2690两个频段;合路器选用能支持1 900 M频段和1710-1755//2110-2155频段的输入。具体方案如图1所示。

4    结语

天馈系统融合改造是一个相对复杂的工作，对设计人员的要求比较高，需要对无线移动网络和天馈系统有充分的了解，并需要在不同的项目中积累并总结经验。