POI設備LTE擴容單元的原理和應用

董鑫

（中國鐵塔股份有限公司安徽省分公司，安徽 合肥 230088）

POI設備LTE擴容單元的原理和應用

董鑫

（中國鐵塔股份有限公司安徽省分公司，安徽 合肥 230088）

通過闡述LTE擴容單元的需求分析和商業價值、設計亮點和原理介紹，提出了一種快速便捷、行之有效的POI升級擴容方案，并重點介紹了方案中的亮點產品——LTE擴容單元，可應用于各系統、制式的現場快速擴容和升級，具有一定的廣泛性和通用性，商業價值極強。

LTE擴容單元 多系統接入平臺 擴容 升級

1 LTE擴容單元的需求分析和商業價值

1.1 LTE擴容單元的需求分析

POI（Point Of Interface，多系統接入平臺）自2002年起開始規模商用，據不完全統計，目前在全國各地應用的POI及多頻段分合路單元總數量不低于100 000套。按照實際的業務運作情況，業主方一般都會為設備的升級和改造支付一定的費用，但往往在改造還是新建的選擇上難以取舍。由于運營商間對于TDD/ FDD的博弈選擇，TDD-2.3G頻段基本還處于無人問津的境地，再加上TDD-2.6G的頻譜特性天生不適合在室分系統應用，POI的升級擴容焦點自然匯聚在FDD-1.8G、FDD-2.1G這2個頻段，其中FDD-1.8G的擴容需求尤其迫切。

客觀來講，從我國進行LTE的試商用這個時間段開始，才真正意義出現了含有FDD-1.8G、FDD-2.1G的POI設備。而之前所有投入現網應用的POI設備均不可兼容FDD-1.8G、FDD-2.1G的接入要求，考慮到質保期外的POI設備大多采用新建更換的方式自然淘汰，僅在網質保期內的具備待擴容條件的POI設備初步估算在15 000套以上，因此天然的擴容需求規模是非常可觀的。

從運營商角度細分，由于FDD-1.8G、FDD-2.1G將逐漸成為聯通和電信這兩家運營商的主營業務頻段，所以二者對于POI擴容升級的時效性達成、投資預算、覆蓋效果等更加關注。并且由于室分投資有限的原因，這兩家運營商也更加傾向于采用老設備升級改造的方式而不是新建站方式。而移動關注更多的在于其它運營商的新系統接入后會否引發新的干擾問題影響自身網絡質量。三家運營商對于LTE擴容單元的熱衷程度雖然各不相同，但總體而言呈歡迎態勢，市場的培育已經基本成熟。

1.2 LTE擴容單元的商業價值

隨著通信制式的不斷衍生變化，3G時代起POI（多系統接入平臺）就呈現出非常復雜的產品形態，動輒就是7系統以上的合路場景，而且頻率交織、重疊情況也非常嚴重。比如在1.8G頻段，低頻部分有移動、聯通的DSC1800頻段，高頻部分又有移動的TD-SCDMA F頻段，頻譜資源的緊張導致了紛繁蕪雜的頻譜分配現狀，也給擴容新的制式提出了新的命題和挑戰。

傳統的擴容合路十分復雜，以單獨擴容LTE-1.8G為例，需要將POI輸出的混頻信號分路后再與LTE-1.8G合路，現網需要新增至少兩級合路單元，涉及頻段多，含新增LTE-1.8G通道（聯通、電信各1個）、原POI設備2G/3G通道、其它運營商4G通道等，整體數量超過10個，如果需要實現高抑制、低損耗的設備功能，整體設計難度非常大。一般來說，如合路通路超過9個，則每增加1個合路通路，設計成本將成幾何級數遞增。受制于具體的頻譜復雜度和具體的隔離度指標要求，此方案有可能從原理上就無法實現。

如果采用新建站的方式，由于在網設備投入時間較短，遠遠不到退役年限，則在運營商端存在著相同站點二次立項、二次報批、二次落實資金等相關流程，即使能夠獲得項目批復，建設的黃金時間往往已經錯過。越是關系到國計民生的重要站點，比如機場樞紐、城市公共軌道交通、重點和亮點建筑群等，二次建設面臨的阻力和壓力就越大，政府的干預、業主方的配合協調、民眾的接受程度都是影響到項目能否順利實施的關鍵因素。綜合來考慮，運營商不到萬不得已一定不會選擇這個方案。

二次建設面臨最直接的問題就是設備硬件成本的提高，新增頻段接入必然新增技術要求，新增保障設備無干擾運行的更多設計保障手段。那么，到底有沒有一種造價相對較低，又能夠充分利舊、快速實施組網建設的新型擴容方案呢？

LTE擴容單元的商業價值就在于能夠融洽地解決上述問題，它具備現場快速安裝、可批量實施整改的特點，能夠大大節約升級改造的工程造價；它并沒有完全意義地廢棄原POI設備，而是最大程度地利用原POI提供的功能，并增補必要的隔離度，設備的硬件造價一定要低于新建POI設備。同時，還避免了原POI返廠或者在線改造發生的拆裝費用和運輸費用，是一種最為經濟、快捷、高效、可靠的POI升級改造方案。

2 LTE擴容單元的設計亮點和原理介紹

2.1 LTE擴容單元的設計亮點

LTE擴容單元最大的設計亮點就在于把不起眼的電橋“化腐朽為神奇”。電橋是非常普通的工程零件，通信行業內普遍的認識僅僅局限在電橋是用于同頻合路的，但對于正交電橋的正交特性（輸出相位差90°）卻普遍缺乏研究和應用。而LTE擴容單元恰恰是利用了這些不被大家關注的原理特性，并結合雙工器的頻率選擇特性，組合成了一種“1加1大于2”的新的功能體現，具體闡述如下：

首先利用正交電橋的正交特性（輸出相位差90°）和等功率雙路輸出特性，使信號通過2次電橋，產生4路相位不同的信號，通過對相位的控制實現信號的抵消和疊加。其中需要擴容的信號頻段和濾波器的通帶相同，信號在進入濾波器前經過1次電橋，通過濾波器后再經過1次電橋，達到2次經過電橋控制4路相位的目的，從而在ANT端口實現疊加，相當于實現了擴容信號的傳輸接入；另一路原覆蓋信號經過1次電橋后，由于濾波器不能通過該信號，濾波器的阻帶會反射原覆蓋信號，信號被反射后再次經過電橋，被濾除的信號成為有利用價值的信號，實現相位控制產生抵消和疊加，控制在ANT端口實現疊加后相當于實現了原覆蓋信號的接入傳輸。

這種設計方法的核心理念就是充分利用不同器件專有特性進行互補、組合，用常見的器件實現了非常規器件的功能。帶通濾波器非常常見，也很容易設計，再加上正交電橋的相位變換功能，就可以把帶通濾波器的通帶變阻帶、阻帶變通帶，從而實現了同時實現多通路帶阻的功能。同時，帶通濾波器自身的帶外抑制功能又能夠提供待擴容系統和原有系統之間無擾共存需要的最少隔離度。該設計方法具有擴容頻段選擇面廣、理論附加插入損耗為0dB等特點，對于擴容系統而言，能夠提供待擴容系統和原接入系統之間兼容指標最大程度地優化實現，如有二次擴容需求，則可以通過更換核心模塊實現。

設備原理圖如圖1所示：

圖1 設備原理圖

2.2 LTE擴容單元的原理介紹

新系統的擴容接入首先不能影響老系統的正常運行，這是前提；其次才應該考慮新系統接入后的插損盡可能地小、干擾盡可能地少，整體覆蓋效果不發生明顯惡化。下面將分別介紹原POI設備的老系統信號以及新擴容的系統信號是如何通過擴容單元接入天饋系統并無擾共存的。

（1）新擴容的系統信號

新擴容的系統信號流向圖如圖2所示。

圖2 擴容系統信號流向圖

擴容信號通過正交電橋A，在電橋的輸出端口產生了f的相位差，即一個端口信號的相位為φ，則另一個端口為(φ-f)°（正交電橋的特性Δf為90°）。為了便于理解和方便計算，假定輸入相位為0°，輸出端口分別為-90°（耦合端口）和-180°（直通端口），也就是說φ為90°、Δf為90°。2路信號分別通過了濾波器，該濾波器是擴容系統的通帶，阻其它頻帶的信號通過，通過濾波器后會產生相位變化，但由于2個濾波器是相同的，所以相位差還是90°，可以認為不變。-90°相位的信號此時到達了另一個正交電橋B，同理該信號在電橋的輸出端口也產生了兩個相位的信號，分別為-180°（耦合端口）和-270°（直通端口），而另一個-180°信號通過該電橋后同樣產生了兩個相位相差90°的信號，分別為-360°和-270°。此時可以看到電橋B其中的一個端口同時有-180°和-360°的信號，其幅度相同、相位相反，剛好抵消，此端口無信號通過；電橋B的另一個端口（連接天饋）存在2個-270°的信號，其幅度相同、相位相同，剛好疊加，此時的功率等于擴容信號的輸入功率，理論插損為0dB，但考慮到線損和濾波器的損耗，其插損約為0.2dB，到此時擴容信號已經順利地到達了天饋進行覆蓋。

（2）原POI設備的老系統信號

原POI設備的老系統信號流向圖如圖3所示。

圖3 原系統信號流向圖

圖3 （a）為原理圖，描述的是如何利用開路器的全反射特性有選擇疊加或者抵消信號。圖3（b）是設計思路和實現方法，原覆蓋的寬頻信號通過POI端口輸入到了電橋中，同樣產生了兩個相位相差90°的等幅信號，其中一個為-90°（即φ為90°），則另一個信號相位為-180°（Δf為90°，同時圖中的β是正交電橋的代號，也可以理解為90°，與Δf是一個含義）。為了便于計算和理解，假定輸入信號相位為0°，則電橋的兩個輸出端一個是-90°相位的信號，則另一個就是-180°的信號。這2路信號傳輸至濾波器時，由于濾波器是不能通過原覆蓋信號的（濾波器的頻率選擇特性），在此處這2路信號被全反射，相位翻轉0°或者180°（根據濾波器接口設計形式不同，開路時相位翻轉0°，短路時相位翻轉180°，此處以短路的相位翻轉進行說明），變成了一個-270°的信號和一個-360°的信號（也就是0°）。這2路信號回到相同電橋后，又分別產生了2路相位相差90°的信號，最終在原覆蓋的輸入端口和連接天饋的輸出端口產生了共計4路相位變換處理過的信號，其中在輸出端口獲得0°和180°的相位相反、幅度相同的信號，剛好抵消；在連接天饋的端口上產生了2個-90°的相位相同、幅度相同的信號，剛好疊加，其功率和輸入信號完全相同，理論插入損耗為0dB。考慮到主線損耗和反射損耗，實際插損約為1dB，此時原POI設備的老系統信號也接入到了天饋系統，新增插損很小，所以覆蓋效果與擴容前相比基本沒有變化。

綜上所述，無論是新擴容的系統信號還是原POI設備的老系統信號，如果需要按照設計方案實現抵消或者疊加，相位控制至關重要。這就對組成整機的各個關鍵模塊、附加的電纜組件等都提出了關于相位的嚴格要求，比如正交電橋后端兩個通路使用到的電纜組件的相位差應控制為零；對于用于信號反射的關鍵模塊雙工模塊，一致性一定要強，雙工器的接頭設計方式有開路和短路形式，二者的反射相位相差90°，為了達到預想的信號抵消或者疊加效果，兩個通路的雙工器必須選擇相同接頭設計形式的，而不能混搭使用，這也是擴容單元產品實現過程中關鍵的質量工藝控制要點。

3 結束語

LTE擴容單元的核心價值在于方案設計，對于生產制造商的材料工藝選擇、生產精度的要求并不算很高，具備規模量產的可能性。同時，先期市場培育也已經成熟，已有比較清晰、可落地實施的盈利模型。

[1] 蘇華鴻,孫孺石,薛鋒章,等. 蜂窩移動通信——射頻工程[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2005.

[2] Giuseppe Macchiarella, Giovanni B Stracca, Lorenzo Miglioli. 34th European Microwave Conference-Amsterdam[C]. 2004.

[3] A E Atia, A E Williams, R W Newcomb. Narrow-Band Multiple-Coupled Cavity Synthesis[J]. IEEE Trans. Circuits and Systems, 1974,21(5): 649-655.

[4] Ralph Levy. Filters with Single Transmission Zeros at Real or Imaginary Frequencies[J]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 1976,21(4): 172-181.

[5] Richard J Cameron. General Coupling Matrix Synthesis Methods for Chebyshev Filtering Functions[J]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 1999,47(4): 433-442.

[6] Ji-Fuh Liang, William D Blair. High-Q TE01 Mode DR Filters for PCS Wireless Base Stations[J]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 1998,46(12): 2493-2500.

[7] J-S Hong, M J Lancaster. Microstrip Filters for RF/ Microwave Applications[M]. New York: Wiley, 2001.

[8] J Brian Thomas. Cross-Coupling in Coaxial Cavity Filters—A Tutorial Overview[J]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2003,51(4): 1368-1376.

[9] Morikazu Sagawa, Mitsuo Makimoto, Sadahiko Yamashita. Geometrical Structure and Fundamental Characteristics of Microwave Stepped-Impedance Resonators[J]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 1997,45(7): 1078-1085.

[10] Kaixue Ma, Jian-Guo Ma, Kiat Seng Yeo. A Compact Coupling Controllable Filter with Separate Electric and Magnetic Coupling Paths[J]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2006,54(3): 1113-1119.★

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

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.10.006

TN929.53

A

1006-1010(2015)10-0032-04

董鑫. POI設備LTE擴容單元的原理和應用[J]. 移動通信, 2015,39(10): 32-35

2015-04-09

責任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn

董鑫：工程師，學士畢業于合肥工業大學金屬材料工程專業，碩士畢業于北京郵電大學電子與通信工程專業，現任職于中國鐵塔股份有限公司安徽省分公司，主要研究方向為無線網絡規劃、優化、設計和建設等方面。