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基站需求引领连接器新潮
录入时间:2017/6/9 9:35:50

基站需求引领连接器新潮

Base Station Market Reinventing Connectors

Earl LumEJL Wireless Research, Salem, N.H.

传统射频连接器常应用于基站天线、射频拉远单元(RRU)和跨接/馈电电缆,主要沿用的是7-16 DIN型和N型连接器技术。对于传统的2G/3G网络而言,这类射频连接器的表现还算是差强人意。然而,随着业界逐渐全面转向4G网络,如何解决LTE技术的一大线性问题又成为了焦点——那就是无源互调,其首字母缩写PIM更为人所熟知。

在LTE系统中,若是发射或接收路径中有任何组件的PIM性能差,都会造成整体线性度低,从而降低整个扇区、站点和网络的调制能力。频分双工(FDD)LTE系统比时分双工(TDD)LTE系统更容易受到PIM的影响。FDD-LTE网络的传输线路上,从射频单元到天线所有的组件用到的都是7-16 DIN型连接器,而TDD-LTE网络采用的则为N型连接器。7-16 DIN型连接器的PIM性能明显优于N型连接器,但仍满足不了市场的需求。

对于单个频段,采用2x2多入多出技术(MIMO)的宏基站的每个扇区总共需要八个射频连接器,分别包括塔顶RRU两个、跨接电缆四个,以及基站天线两个(如图1a)。各扇区每增加一个频段,就要多八个连接器。如果是4x4 MIMO的情况,这个数字便翻倍到了16。

1. 扇区2x2 MIMO构的准配置:(aRRU位于塔顶,bRRUTMA均位于塔顶,cTMA位于塔RRU位于塔底

通信市场正在追寻越来越高的数据速率,为了满足这一需求,未来几年内无线基础设施会经历多项变革:

  • FDD-LTE制式的RRU所采用的2x2 MIMO变为4x4/4x2及8x8 MIMO
  • 6/8端口的基站天线改为12/14甚至24端口
  • 新LTE频谱
  • 将RRU安置在塔底以减小塔的负荷
  • 使用室内分布式天线系统(DAS)来实现LTE/UMTS覆盖
  • 5G天线系统应用大规模MIMO

这些举措会增加连接器的使用数量,同时也对连接器的性能提出了更高要求。本文将逐一进行探讨。

FDD-LTE MIMO

为了转向高阶MIMO,今后大多数RRU的端口和射频连接器数量都会翻倍到四个。第一代FDD-LTE MIMO都是基于2T2R(T代表发射、R代表接收)的配置。美国和加拿大的一些移动运营商已搭建了第二代FDD-LTE MIMO;韩国和日本也正紧随其后。在引入2T4R和4T4R RRU方面,欧洲运营商比起北美和亚洲的同行们要落后一大截。运营商若要推广VoLTE,2T4R RRU配置的一大作用便是提高上行(UL)性能。VoLTE可造成高达3dB的上行损耗,导致小区缩减,宏站点间因而出现覆盖间隙,无法进行切换,于是掉话率亦增加。通过将RRU中的接收器数量增至两倍,可扩大上行链路上宏小区的覆盖范围,既限制了用户设备(UE)所需的输出功率,同时也提高了电池性能。

将4T4R RRU与FDD-LTE网络相结合还有一个潜在的原因就是,用户设备的视频显示和流媒体播放从1K逐渐进化到了2K,iPhone和安卓手机/平板产品甚至达到了4K。苹果iPhone 7配备了1K显示屏,而新款iPhone 7+则是2K显示屏。据悉,新款三星Galaxy 8将自带4K显示屏。Netflix、Amazon Prime、Hulu和YouTube等视频服务商早已推出略微压缩的4K视频。不断出新的手机和平板电脑势必将在2020年之前推动2K和4K设备的普及。通过并用MIMO和多波段载波聚合(CA),LTE-Advanced技术能够实现支持4K视频所必须的下行(DL)吞吐量。如果使用CA尚不能达到视频传输需要的带宽,移动用户的需求可能会迫使网络升级至4x4 MIMO。

多端口天线

重量、风荷载以及美观等场地制约因素一直是困扰所有移动运营商的主要问题。有些国家监管严格,将宏小区站点每个扇区的平板天线数量限定为一根。为了满足这些约束条件,运营商需要令单个分区平板天线覆盖多频带,甚至是采用高阶MIMO。在北美地区,运营商如果应用2x2 MIMO技术来覆盖700、1900和2100MHz LTE,每个频带都需要两个射频连接器端口,这也意味着一根基站天线上总共需要六个端口。若升级至4x4 MIMO,同样一根天线就需要12个端口;如果再加上850 MHz,需要的射频连接器端口数就升到了16。这里我们简单地假定了同一频谱内的多个空中接口(UMTS/LTE)可共享相同的电倾角,但真实情况会复杂许多。

LTE频谱

每次政府拍卖了新的频谱,该国的移动运营商们都要部署更多的RRU。目前,北美市场正在进行2100MHz频段的RRU升级,从band 4换到更宽的band 66。美国联邦通讯委员会的UHF倒频/直频拍卖最终将会使胜出的运营商得以在600MHz设置新的RRU。公民宽带无线业务(CBRS)引导的3.5GHz绿地部署计划()同样会促生对射频连接器的需求。4G/4.5G和5G技术更是让运营商对新频谱的竞争远无尽头。

塔荷

大部分移动运营商都会把RRU安置得尽可能贴近基站天线,目的在于通过跨接电缆来改善上行性能并减少射频损耗。然而,单个RRU一般重约25kg,而每个不同的频带都需要一个RRU。设想一个支持四频带的三扇区宏站点,其负载可重达300kg,这还不包括扇形平板天线和塔内辅助设施的重量。目前的塔体设计都只关注了基站天线,而没将RRU的额外重量考虑进去。有些地区的天线塔因无法支撑这些额外的负重以及风荷载,致使RRU必须被装在塔的底部。一般情况下,每个RRU端口需要用一根跨接电缆(和两个射频连接器)来接到主馈电电缆上(又要两个射频连接器),再通过一根跨接电缆(还需两个射频连接器)连上塔顶放大器(TMA),最后由另一根跨接电缆(再加两个射频连接器)引向基站天线上的射频连接器(如图1c)。TMA和额外的跨接电缆需要补偿天线与RRU间通过跨接/馈电电缆造成的上行损耗。有时,馈电电缆可长达100米,导致了约为3dB的信号损失。

室内DAS

通常来说,多运营商共享的有源DAS的扇区数范围很广,小至个位数、大到体育场用的五十多。DAS前端的信号源由一列宏小区数字基带单元构成,根据频带要求与运营商数量的不同,支持了从几个到上百个不等的宏小区RRU(见图2)。RRU的每个输出端都需要一根跨接电缆连至DAS的衰减器板,再有另一根射频电缆接上DAS前端。目前大多数DAS衰减器板仍在使用传统的7-16 DIN型连接器。不过,下一代产品应该会换成4.3-10 DIN型连接器。连接DAS衰减器板和前端的电缆可能会通过一个DIN型连接器来连至小一号的QMA型射频连接器。DAS功放点(通常每扇区一个)一般由7-16 DIN型连接器以及不止一条跨接电缆与宽带DAS天线相连。无源DAS所用到的射频连接器量更大,原因包括需要从建筑物内的多条路径分离出射频信号,以及系统内同轴电缆数的增加。

 

2. aDAS RRU,(b)前端。片来源:EJL Wireless Research LLC ©2016.

5GMIMO线

5G时代的到来,将使得传统低阶(2/4/8)MIMO的RRU一下子被32/64/128/256等高阶MIMO技术所替代。实际总的射频输出功率基本不变,但高阶MIMO能显著降低每个端口的射频输出功率。举例来说,2x2 MIMO RRU每条信道射频功率为80W,那么对天线的总输出功率即为160W;同等条件下,64x64 MIMO RRU的每条信道只需2.5W射频输出。

利用这种架构,天线得以与RRU相结合,形成一个完整的集成收发器/天线系统,被业界称为大规模MIMO有源天线阵列。由于天线与RRU集成为了一体,RRU外部不存在需要用跨接电缆与64端口天线相连的64个射频连接器。目前,大规模MIMO有源天线设计基于的都是大型印制板上的天线阵列和射频收发器子系统。每个天线阵列都由小型板对板射频连接器与对应的射频收发器相连。例如,64x64大规模MIMO有源天线系统的射频收发器PCB、天线阵列PCB上各需要64个连接器,外加64个板对板连接器——一个天线系统共计需要192个射频连接器。

更小更好的接器

为了应对基站配置的变化,同时达到更好的PIM性能,RRU、天线和跨接/馈电电缆所用到的高功率射频连接器正在转型。传统7-16 DIN型连接器被尺寸更小、性能更好的4.3-10 DIN型以及最新研发的NEX10TM,还有针对5G大规模MIMO天线系统的小尺寸MCX/MMCX连接器所替代。

4.3-10 DIN与传统7-16 DIN型连接器相比有许多优点,包括占地面积小、PIM性能高。Pre-LTE系统不宜受PIM水平影响,但LTE、LTE-Advanced的出现以及即将到来的LTE-Advanced Pro和5G时代意味着射频连接器需要具备良好的线性度。

一直以来,TDD-LTE市场所用的都是PIM性能很差的N型射频连接器。不过TDD-LTE对PIM不如FDD-LTE系统那般敏感。中国移动搭建的TDD-LTE网络就是由N型连接器构成的,因为其成本比7-16 DIN型连接器要低得多。不过,中国联通和中国电信的FDD-LTE网络用的都是7-16 DIN型连接器。北美市场的Verizon等不及4.3-10 DIN型连接器的问世,直接选择了4.1-9.5 DIN技术。它们也是世界上唯一一家采用了4.1-9.5 DIN标准的移动运营商,将来若要进行网络升级可能会出现大问题。

NEX10连接器的优势在于无论是单端口或是多端口的版本,都能保持较高的PIM性能。此外,论体积,它比4.3-10 DIN还要小50%(见图3)。

3. NEX10接器:(a端口,(b)多端口

随着广大运营商从LTE到LTE-Advanced,再到LTE-Advanced Pro,乃至最终5G大规模MIMO的转变,连接器接口也会随之由7-16 DIN换为4.3-10 DIN、NEX10以及MCX/MMCX。业界对无线基础设施网络中所用到的射频连接器的要求与需求还会继续增加。未来数年全球射频连接器市场的前景可谓一片乐观。


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