中频拉远——创新的TD-SCDMA基站解决方案

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      第二代移动通信系统基站设备的典型设计方案是将接收天线、发射天线安装在室外,将射频收发信机安装在室内,射频收发信机与接收天线、发射天线间用低损耗的射频电缆连接。这就是所谓射频拉远技术。

      第三代移动TD-SCDMA通信系统工作于2GHz频段,受此频段电波传播特性的限制,基站数量大为增加,并且还有三维覆盖的要求。由于TD-SCDMA的核心技术采用了智能天线技术,它是TD-SCDMA系统的优势所在。正因如此,TD-SCDMA和其它移动通信系统最大的区别在于其天馈系统的特殊性,即天线尺寸大、馈线多、塔放外挂。

      对于一个标准TD-SCDMA三扇区基站而言,其天馈系统由3个智能天线、27根射频电缆、3根电源/控制线、1个GPS天线及线缆和6个集成塔放等构成。WCDMA未使用智能天线技术,故塔放及馈线相对较少。在上述同等条件下,只需9根射频电缆和3根电源/控制线。


图1:TD天馈系统外观



图2:中频拉远方案示意图


表1:中频拉远与射频拉远对室外设备的要求对比

      由于连接天线和室内射频收发信机之间的射频电缆在2GHz以上频段的损耗比较大,天线拉远距离短,一般在60m左右;且射频电缆数量多,也相应带动其他辅材数量的增加,为TD-SCDMA基站成本控制带来了很大压力;而射频拉远技术在降低馈线损耗和电缆数量及安装难度控制等方面面临着极大的困难,特别是导致建设成本偏高的后果。

      由于2GHz频段的电波传播特性,TD-SCDMA网络中每个宏小区基站(一套天线)的覆盖半径只能有1~3公里,在城市内高楼大厦林立的地区、树木遮挡的区域、楼房内等,此覆盖半径还要小得多。而且,在此覆盖区域内可能还会存在很多无法通信的阴影区域。由于每个无线基站的覆盖区域太小,因此要在一个城市内实现完好的覆盖,就必须架设大量的基站,其中站址的选择和建设成本也是非常困难的问题。

      按照目前的基站设备设计方案,每个小区都必须有完整的基站设备配置,包括从数字基带信号处理到模拟射频收发的全部部件,导致基站成本太高。而且,很多基站设备无法使用Iub接口方便地接入系统,使每小区承担的无线基站设备的成本居高不下。

      因此,在TD-SCDMA网络即将大规模商用之前,如何减少射频电缆数量,降低射频馈线损耗及扩大基站覆盖范围,同时增加基站系统集成度,已经成为各设备制造厂家面临的重要问题。然而,目前使用的射频拉远技术面临着巨大的挑战。

中频拉远技术

      在TD-SCDMA系统中,无线基站采用中频拉远方案就可以很好地解决上述问题。此方案是将无线基站中的模拟射频收发部分与无线基站的基带数字信号处理部分在模拟中频处分开,从而形成远端射频前端设备与室内单元。中频拉远技术通过基站室内单元的模拟中频接口,将射频收发信机拉远至天线附近。下行方向将中频信号传输到射频前端,经混频后转换为射频信号,再由天线发射;上行方向将从天线过来的射频信号在前端混频为中频信号,通过中频传输系统传回到基站室内单元。

      采用模拟中频传输技术,远端射频前端设备与室内单元间可以用有线和无线传输手段相连接。其介质可以是中频电缆、光纤以及微波接力设备等。连接方式可以是星形结构,也可以是串行结构。

      比较传统方式的射频拉远技术,基于中频电缆的中频拉远技术具有以下的特点:

1. 电缆数量少

      在中频拉远技术中将所有的5条中频电缆采用专门的技术进行处理,合成为大小与目前的射频电缆差不多的1条电缆,加上控制和电源的1条电缆,每台前端只需要使用2条电缆,从而使电缆数量大大降低。一个三载扇的TD-SCDMA系统总共只需12条电缆,而现有的需要31条电缆,相比而言具有极大的优势。最新的技术中已经可以使用一个前端一条电缆的方式,加上TD-SCDMA技术上可以采用6天线智能天线系统,一个三载扇的TD-SCDMA系统只需要使用3条电缆的方式很快就可以实现。

2. 传输距离远

      与射频电缆相比,中频电缆传输衰减小、传输距离远,中频信号在中频电缆的损耗每100米小于10dB,在满足TDD系统对时延的要求下,天线距离室内基站单元有效距离可以做到300米,远远大于目前的射频拉远60米的距离。

3. 组网灵活

      由于可以实现300米的连接距离,运营商在组网的时候可以灵活考虑室内基站的位置,特别在高楼建网的时候,运营商可以在楼内任何的位置考虑设置机房(包括在地下室)。比起目前的射频塔放方式运营商不得不在有限的5~60米范围内为了寻找机房而费尽周折,并且还不得不和物业讨价还价,中频拉远方式让运营商省去了很多的麻烦。

4. 硬件成本低

      由于中频拉远的前端成本和目前的塔放成本持平,而中频电缆的成本远低于射频电缆(大约是1/4),馈线系统的成本在整个基站系统成本中占的份额很高,所以整个基站系统的成本也得到很大的降低。

5. 网络建设成本低

      由于前端和室内基站的距离可以拉远到300米,运营商在建网的时候可以灵活地考虑机房的位置,所以站址的成本可以大大降低,而由于线缆数量的减少,也会导致铺设电缆的费用大大降低。

      基于光纤的中频拉远技术,使得超级基站(即基带处理能力足够大的公共室内单元)成为可能,它可以连接数个甚至数十个位于远端的射频前端设备中的模拟射频收发单元,用以连接一个天线或者多个天线,同时支持数个至数十个宏小区、微小区及微微小区。在做无线网络规划时,在城市中心等地区,可以灵活地根据覆盖要求,组成成本低、覆盖良好的移动通信网。


图3:NTS-8000外场示意图

NTS-8000模拟中频拉远子系统

      为解决城市热点区域的室外覆盖问题,芯通科技率先推出NTS-8000系列产品,NTS-8000是采用TD-SCDMA基站射频子系统中频接口的中频拉远子系统,属于TD-SCDMA NodeB的射频/中频室外收发信单元。

      NTS-8000包含4个射频收发单元,可支持单载波和三载波信号;采用4根射频电缆和一根校准电缆与天馈系统相连;1根中频电缆与基站室内单元连接,室内基站单元通过控制电源电缆对NTS-8000进行控制和系统供电。

NTS-8000的主要特点如下:

  1. 减少电缆数量,降低建站成本和施工难度。NTS-8000的优势可以在下表中看出来,对比使用射频拉远与中频拉远技术对室外机箱和电缆的要求,显然,NTS-8000将大大减少室外设备和电缆要求,大大降低设备成本和工程造价。这里均是指在一个3扇区的基站,WCDMA采用空间分集技术(两路分集)。

  2. 系统备份设计,提高基站可靠性。NTS-8000可以成对使用、对称连接,从而支持8天线阵列。并且两个前端可互为备份,提高了基站的可靠性。

  3. 操作简便,支持多种安装方式。NTS-8000设计小巧,单机总重量小于20千克,支持抱杆、挂壁、塔顶等安装方式,操作安装简便。

  4. 特殊可靠性设计。NTS-8000充分考虑到室外工作环境的防热、防潮、防雷及电磁干扰等因素,且机箱具有采集告警功能,以保证系统的可靠工作。

      NTS-8000系列目前已经规模用于TD-SCDMA外场实验,对于智能天线校准、语音及高速数据下载等均表现优异。在中心城区和热点地区等基站选址比较困难的地方,NTS-8000已显现其低成本、布站灵活、安装简便的优点。NTS-8000对促进TD-SCDMA产业链的成熟和降低TD-SCMDA网络成本具有重要意义。