POI设备LTE扩容单元的原理和应用

2015-12-19董鑫

移动通信 2015年10期

关键词：电桥频段端口

董鑫

（中国铁塔股份有限公司安徽省分公司，安徽合肥 230088）

POI设备LTE扩容单元的原理和应用

董鑫

（中国铁塔股份有限公司安徽省分公司，安徽合肥 230088）

通过阐述LTE扩容单元的需求分析和商业价值、设计亮点和原理介绍，提出了一种快速便捷、行之有效的POI升级扩容方案，并重点介绍了方案中的亮点产品——LTE扩容单元，可应用于各系统、制式的现场快速扩容和升级，具有一定的广泛性和通用性，商业价值极强。

LTE扩容单元多系统接入平台扩容升级

1 LTE扩容单元的需求分析和商业价值

1.1 LTE扩容单元的需求分析

POI（Point Of Interface，多系统接入平台）自2002年起开始规模商用，据不完全统计，目前在全国各地应用的POI及多频段分合路单元总数量不低于100 000套。按照实际的业务运作情况，业主方一般都会为设备的升级和改造支付一定的费用，但往往在改造还是新建的选择上难以取舍。由于运营商间对于TDD/ FDD的博弈选择，TDD-2.3G频段基本还处于无人问津的境地，再加上TDD-2.6G的频谱特性天生不适合在室分系统应用，POI的升级扩容焦点自然汇聚在FDD-1.8G、FDD-2.1G这2个频段，其中FDD-1.8G的扩容需求尤其迫切。

客观来讲，从我国进行LTE的试商用这个时间段开始，才真正意义出现了含有FDD-1.8G、FDD-2.1G的POI设备。而之前所有投入现网应用的POI设备均不可兼容FDD-1.8G、FDD-2.1G的接入要求，考虑到质保期外的POI设备大多采用新建更换的方式自然淘汰，仅在网质保期内的具备待扩容条件的POI设备初步估算在15 000套以上，因此天然的扩容需求规模是非常可观的。

从运营商角度细分，由于FDD-1.8G、FDD-2.1G将逐渐成为联通和电信这两家运营商的主营业务频段，所以二者对于POI扩容升级的时效性达成、投资预算、覆盖效果等更加关注。并且由于室分投资有限的原因，这两家运营商也更加倾向于采用老设备升级改造的方式而不是新建站方式。而移动关注更多的在于其它运营商的新系统接入后会否引发新的干扰问题影响自身网络质量。三家运营商对于LTE扩容单元的热衷程度虽然各不相同，但总体而言呈欢迎态势，市场的培育已经基本成熟。

1.2 LTE扩容单元的商业价值

随着通信制式的不断衍生变化，3G时代起POI（多系统接入平台）就呈现出非常复杂的产品形态，动辄就是7系统以上的合路场景，而且频率交织、重叠情况也非常严重。比如在1.8G频段，低频部分有移动、联通的DSC1800频段，高频部分又有移动的TD-SCDMA F频段，频谱资源的紧张导致了纷繁芜杂的频谱分配现状，也给扩容新的制式提出了新的命题和挑战。

传统的扩容合路十分复杂，以单独扩容LTE-1.8G为例，需要将POI输出的混频信号分路后再与LTE-1.8G合路，现网需要新增至少两级合路单元，涉及频段多，含新增LTE-1.8G通道（联通、电信各1个）、原POI设备2G/3G通道、其它运营商4G通道等，整体数量超过10个，如果需要实现高抑制、低损耗的设备功能，整体设计难度非常大。一般来说，如合路通路超过9个，则每增加1个合路通路，设计成本将成几何级数递增。受制于具体的频谱复杂度和具体的隔离度指标要求，此方案有可能从原理上就无法实现。

如果采用新建站的方式，由于在网设备投入时间较短，远远不到退役年限，则在运营商端存在着相同站点二次立项、二次报批、二次落实资金等相关流程，即使能够获得项目批复，建设的黄金时间往往已经错过。越是关系到国计民生的重要站点，比如机场枢纽、城市公共轨道交通、重点和亮点建筑群等，二次建设面临的阻力和压力就越大，政府的干预、业主方的配合协调、民众的接受程度都是影响到项目能否顺利实施的关键因素。综合来考虑，运营商不到万不得已一定不会选择这个方案。

二次建设面临最直接的问题就是设备硬件成本的提高，新增频段接入必然新增技术要求，新增保障设备无干扰运行的更多设计保障手段。那么，到底有没有一种造价相对较低，又能够充分利旧、快速实施组网建设的新型扩容方案呢？

LTE扩容单元的商业价值就在于能够融洽地解决上述问题，它具备现场快速安装、可批量实施整改的特点，能够大大节约升级改造的工程造价；它并没有完全意义地废弃原POI设备，而是最大程度地利用原POI提供的功能，并增补必要的隔离度，设备的硬件造价一定要低于新建POI设备。同时，还避免了原POI返厂或者在线改造发生的拆装费用和运输费用，是一种最为经济、快捷、高效、可靠的POI升级改造方案。

2 LTE扩容单元的设计亮点和原理介绍

2.1 LTE扩容单元的设计亮点

LTE扩容单元最大的设计亮点就在于把不起眼的电桥“化腐朽为神奇”。电桥是非常普通的工程零件，通信行业内普遍的认识仅仅局限在电桥是用于同频合路的，但对于正交电桥的正交特性（输出相位差90°）却普遍缺乏研究和应用。而LTE扩容单元恰恰是利用了这些不被大家关注的原理特性，并结合双工器的频率选择特性，组合成了一种“1加1大于2”的新的功能体现，具体阐述如下：

首先利用正交电桥的正交特性（输出相位差90°）和等功率双路输出特性，使信号通过2次电桥，产生4路相位不同的信号，通过对相位的控制实现信号的抵消和叠加。其中需要扩容的信号频段和滤波器的通带相同，信号在进入滤波器前经过1次电桥，通过滤波器后再经过1次电桥，达到2次经过电桥控制4路相位的目的，从而在ANT端口实现叠加，相当于实现了扩容信号的传输接入；另一路原覆盖信号经过1次电桥后，由于滤波器不能通过该信号，滤波器的阻带会反射原覆盖信号，信号被反射后再次经过电桥，被滤除的信号成为有利用价值的信号，实现相位控制产生抵消和叠加，控制在ANT端口实现叠加后相当于实现了原覆盖信号的接入传输。

这种设计方法的核心理念就是充分利用不同器件专有特性进行互补、组合，用常见的器件实现了非常规器件的功能。带通滤波器非常常见，也很容易设计，再加上正交电桥的相位变换功能，就可以把带通滤波器的通带变阻带、阻带变通带，从而实现了同时实现多通路带阻的功能。同时，带通滤波器自身的带外抑制功能又能够提供待扩容系统和原有系统之间无扰共存需要的最少隔离度。该设计方法具有扩容频段选择面广、理论附加插入损耗为0dB等特点，对于扩容系统而言，能够提供待扩容系统和原接入系统之间兼容指标最大程度地优化实现，如有二次扩容需求，则可以通过更换核心模块实现。

设备原理图如图1所示：

图1 设备原理图

2.2 LTE扩容单元的原理介绍

新系统的扩容接入首先不能影响老系统的正常运行，这是前提；其次才应该考虑新系统接入后的插损尽可能地小、干扰尽可能地少，整体覆盖效果不发生明显恶化。下面将分别介绍原POI设备的老系统信号以及新扩容的系统信号是如何通过扩容单元接入天馈系统并无扰共存的。

（1）新扩容的系统信号

新扩容的系统信号流向图如图2所示。

图2 扩容系统信号流向图

扩容信号通过正交电桥A，在电桥的输出端口产生了f的相位差，即一个端口信号的相位为φ，则另一个端口为(φ-f)°（正交电桥的特性Δf为90°）。为了便于理解和方便计算，假定输入相位为0°，输出端口分别为-90°（耦合端口）和-180°（直通端口），也就是说φ为90°、Δf为90°。2路信号分别通过了滤波器，该滤波器是扩容系统的通带，阻其它频带的信号通过，通过滤波器后会产生相位变化，但由于2个滤波器是相同的，所以相位差还是90°，可以认为不变。-90°相位的信号此时到达了另一个正交电桥B，同理该信号在电桥的输出端口也产生了两个相位的信号，分别为-180°（耦合端口）和-270°（直通端口），而另一个-180°信号通过该电桥后同样产生了两个相位相差90°的信号，分别为-360°和-270°。此时可以看到电桥B其中的一个端口同时有-180°和-360°的信号，其幅度相同、相位相反，刚好抵消，此端口无信号通过；电桥B的另一个端口（连接天馈）存在2个-270°的信号，其幅度相同、相位相同，刚好叠加，此时的功率等于扩容信号的输入功率，理论插损为0dB，但考虑到线损和滤波器的损耗，其插损约为0.2dB，到此时扩容信号已经顺利地到达了天馈进行覆盖。

（2）原POI设备的老系统信号

原POI设备的老系统信号流向图如图3所示。

图3 原系统信号流向图

图3 （a）为原理图，描述的是如何利用开路器的全反射特性有选择叠加或者抵消信号。图3（b）是设计思路和实现方法，原覆盖的宽频信号通过POI端口输入到了电桥中，同样产生了两个相位相差90°的等幅信号，其中一个为-90°（即φ为90°），则另一个信号相位为-180°（Δf为90°，同时图中的β是正交电桥的代号，也可以理解为90°，与Δf是一个含义）。为了便于计算和理解，假定输入信号相位为0°，则电桥的两个输出端一个是-90°相位的信号，则另一个就是-180°的信号。这2路信号传输至滤波器时，由于滤波器是不能通过原覆盖信号的（滤波器的频率选择特性），在此处这2路信号被全反射，相位翻转0°或者180°（根据滤波器接口设计形式不同，开路时相位翻转0°，短路时相位翻转180°，此处以短路的相位翻转进行说明），变成了一个-270°的信号和一个-360°的信号（也就是0°）。这2路信号回到相同电桥后，又分别产生了2路相位相差90°的信号，最终在原覆盖的输入端口和连接天馈的输出端口产生了共计4路相位变换处理过的信号，其中在输出端口获得0°和180°的相位相反、幅度相同的信号，刚好抵消；在连接天馈的端口上产生了2个-90°的相位相同、幅度相同的信号，刚好叠加，其功率和输入信号完全相同，理论插入损耗为0dB。考虑到主线损耗和反射损耗，实际插损约为1dB，此时原POI设备的老系统信号也接入到了天馈系统，新增插损很小，所以覆盖效果与扩容前相比基本没有变化。

综上所述，无论是新扩容的系统信号还是原POI设备的老系统信号，如果需要按照设计方案实现抵消或者叠加，相位控制至关重要。这就对组成整机的各个关键模块、附加的电缆组件等都提出了关于相位的严格要求，比如正交电桥后端两个通路使用到的电缆组件的相位差应控制为零；对于用于信号反射的关键模块双工模块，一致性一定要强，双工器的接头设计方式有开路和短路形式，二者的反射相位相差90°，为了达到预想的信号抵消或者叠加效果，两个通路的双工器必须选择相同接头设计形式的，而不能混搭使用，这也是扩容单元产品实现过程中关键的质量工艺控制要点。

3 结束语

LTE扩容单元的核心价值在于方案设计，对于生产制造商的材料工艺选择、生产精度的要求并不算很高，具备规模量产的可能性。同时，先期市场培育也已经成熟，已有比较清晰、可落地实施的盈利模型。

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Principle and Application of LTE Extension Unit of POI Equipment

DONG Xin
(China Tower Corporation Limited, Anhui Branch, Anhui 230088, China)

Demand analysis, commercial value, design highlight and principle of LTE expansion unit discussed and a fast and effective POI upgrade expansion solution was proposed in this paper. As the highlight product, LTE expansion unit was emphatically introduced. It has commendable universality and commercial value which can be applied to fast fi eld expansion and upgrade of different systems and modes.

LTE expansion unit point of interface (POI) expansion upgrade