基于双路耦合技术的5G传统室分设计的研究

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2022.04.014
基于双路耦合技术的5G 传统室分设计的研究
［陈浩］
为了节省5G 室分建设投资，缩短建设工期，提升用户体验速率，创新性的提出了一种双路耦合技术，论述了该技术的核心器件及其工作原理，介绍了几种典型场景的双路耦合室分设计方案并定性分析了引入该技术后的网络性能，通过工程实例验证了双路耦合技术在下载速率及工程造价方面的优越性，该技术对推动5G 低成本无源室分的建设具有着重要意义。

陈浩
福建省邮电规划设计院有限公司高级设计师，工程师，一级注册建造师，主要从事移动网络、通信电源的规划设计和科研工作，对通信网络建设和软硬件产品研发具有丰富的经验，主持的科研项目曾获得省通信学会科技奖1项，拥有多项专利及软件著作权。

关键词：双流 双路耦合 5G 传统室分 错层覆盖
摘要
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。

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
实现两路信号的等比由于双路耦合器内两输入端口及两输出端口设置因此主干各级双路耦合器两路输入信号以及
从而实现两路主干信号经过双路
由于两路信号到各楼层所
因此各楼层间的信号相
其数学模型如下
楼天线的传输系数
楼天线的传输系数
层间的楼板覆盖到1楼中楼天线的两路信号的空中传输矩阵正交，
楼信号正交的多径信两路正交多径信号经终端双天线接收解调，以用户在楼手机两天线接收到的信号数学模型如下
接收的信号；
楼天线与终端接收天线1间的传输
楼天线与终端接收天线2间的传输图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。

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。

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。

L TE 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%。

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%。

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。

图5 北京华文学院5号公寓改造前后示意图
图3 最低楼层2端口方案图4 最低楼层4端口方案
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表2 双路耦合与传统单路室分性能指标对比（64QAM）
改造前（单流）改造后（双流）楼层RSRP SINR平均速率（Mbit/s）RSRP SINR平均速率（Mbit/s）速率提升1F-66.3832.2767.08-64.3131.53102.8353.29% 2F-72.5922.3468.45-71.1525.48128.0987.13% 3F-69.0227.3269.53-66.9728.74108.3955.89% 4F-70.7221.4769.09-70.3524.17105.6952.97% 5F-69.6526.0171.73-69.0125.6995.1732.68% 6F-68.324.3869.29-65.1928.01114.8365.72% 7F-68.4925.2971.58-65.5627.84117.1363.64% 8F-71.8323.9570.83-69.7626.35119.9169.29%平均-69.6325.3869.69-67.7827.22111.5160.01%
表3 双路耦合与传统单路室分性能指标对比（256QAM）
改造前（单流）改造后（双流）楼层RSRP SINR平均速率（Mbit/s）RSRP SINR平均速率（Mbit/s）速率提升1F-64.8132.4974.41-61.5232.1131.9777.36% 2F-71.6527.1772.85-68.8929.12159.26118.61% 3F-69.0527.7880.93-68.3531.46137.5569.96% 4F-66.826.0375.79-65.3230.6139.9184.60% 5F-69.9129.0381.71-69.5429.97129.4558.43% 6F-66.5227.8479.79-66.7930.31148.8886.59% 7F-66.7527.1981.98-67.7628.7144.8276.65% 8F-72.0525.0976.07-70.128.35138.9182.61%平均-68.4427.8277.94-67.2830.07141.3481.34%
表4 双路耦合与传统双路室分方案造价对比表
改造方案新增双路耦合器数量（个）总改造成本（万元）单平米造价（元/m2）备注
重耕成传统双路室分03 2.5分布系统建设成本按2.5元/m2
重耕成双路耦合室分60.480.4每双路耦合器替换成本800元
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。

参考文献
1 徐霖洲.5G室分奇偶错层覆盖的研究［J］.电信工程技术与
标准化,2020年第10期:72-76.
2 侯彦庄，和静，毕猛，等.5G无源室分场景下的分布式
MIMO研究与应用［J］邮电设计技术,2021(12):50-53.
3 张勤贵，邱宝刚.传统室分错层单支路泄漏实现MIMO双流
效果[J].电信工程技术与标准化,2020年第6期:44-48.
4 彭湘衡，吴组辉，杨一帆.基于错层的5G传统室内分布系统
MIMO方案研究［J］.广东通信技术,2021年第1期:33-36.
（收稿日期：2022-02-25）。