落實規畫/安裝/驗證三階段 分布式天線優化室內通訊品質

2022 年 03 月 26 日

大部分現在的行動數據流量均在室內產生,這個趨勢未來亦將會持續下去。室內用量勢必包括使用者的住處,但在這個情況,室內多半是指大型辦公場所、公共建築和商業場所。

這些建築通常很現代,窗戶採用低輻射玻璃,高效率反射並吸收紅外線和熱能,改善室內溫度控制。

很不幸的是,這些類型的窗戶也很容易減弱無線電波,導致手機訊號減弱。這種減弱問題影響所有無線電波技術,且當頻率增加時會更嚴重。LT E頻段高達2.6GHz,5G環境高達約4GHz(毫米波頻段更高),穿過這種類型的玻璃和其他材質時的衰減情況很嚴重。為了滿足經由室外基地台進行的室內通訊的需求,營運商須處理20dB到30dB的衰減範圍,且當頻率更高時,須處理衰減範圍甚至更高。

其他像是小型基地台的室內基地台,改善上述問題可同時為營運商和使用者提供最大的效益。倘若安裝位置靠近更高通訊容量需求的地點時(意思是靠近居民),與建置現有基地台(大型基地台)一樣,訊擾雜比(SINR),意即訊號對干擾加雜訊比,好壞是主要參考指標。新建置的基地台可獲得高SINR意謂著更高的通訊容量。結論是,為擴充更高的通訊容量,概念上必須在室內建置基地台。

本文將介紹行動通訊網路完整室內建置過程,例如分布式天線系統(DAS)和小型基地台。本文強調這些系統的特點、規畫階段、建置系統的安裝和驗證。最後,本文說明行動通訊網路測試解決方案,用以順利驗證室內行動通訊網路的建置。

室內建置類型

室內建置時,一般會辨識兩種機型:

1.各種類型的分布式天線系統,例如被動式、主動式和混合式。

2.小型基地台,例如Femtocell、Picocell和Microcell等小型基地台。

分布式天線系統

・被動式DAS

被動式DAS是小型建築的簡易覆蓋解決方案(圖1)。被動式DAS的核心概念,是從建築中(例如地下室)或遠端某個地方的基地台獲取訊號,透過建築中的分離器、纜線和天線,構成被動式網路分配訊號。DAS亦可透過中繼器連接至外部通訊塔獲取訊號(訊號來自外部基地台),將增強後的訊號分配至建築內。若設計上許可,網路營運商和公共安全設施可共享被動式DAS系統,透過被動纜線、分離器和天線網路實施多技術和多頻段,如同覆蓋整個空間的長距離無線電系統。

圖1 含外部基地台的被動式DAS

雖然被動式DAS需要的裝備較少,但是安裝勞動成本可能會極高。被動式DAS也難以改裝。這是因為使用很長的半剛性同軸電纜,僅能有限度地調整個別天線所分配到的功率,進而確保達到良好的覆蓋範圍。無論如何調整某支天線功率,都會影響到其他天線的功率位準。因此評估射頻訊號效能可能會較低,原因是因為前述射頻纜線的高衰減、較大的雜訊功率,導致更差的訊號對干擾加雜訊比以及增加被動式交互調變失真(PIM)的可能性。在被動式DAS難以偵測到故障或斷點(例如受損的天線)。

・主動式DAS

建立主動式DAS時可使用許多不同的配置,圖2所示的方式十分常見。圖中位於像是建築物地下室的各種收發器,會產生各頻段的射頻訊號。射頻訊號會轉換成光纖類比訊號,從光纖上傳遞給多頻段無線電單元,轉換回射頻,再經由對應的天線傳輸。終端天線和無線電單元或許整合在一個實體裝置或各自獨立安裝。

圖2 主動式DAS配置

主動式DAS系統提供最大的安裝彈性,因為光纖比射頻纜線更容易安裝和布線,更容易調整每支天線的通訊容量和功率準位,達到良好的訊號覆蓋範圍。主動式DAS系統亦能在調整手機訊號涵蓋區域時,單獨調整特定的射頻訊號來源提供高度彈性。

不過,主動式DAS系統價格昂貴。主動式DAS的設備比被動式DAS的設備價格高出不少,在設備放置區域,多頻段無線電單元的天線需要占據較大的空間。主動式DAS在安裝後和運作期間提供優良的彈性,在某些情況更可能是最佳的解決方案。

・混合式DAS

混合式DAS結合主動和被動式DAS的優點,採用的概念是結合主動式DAS的彈性跟被動式概念的低成本(圖3)。混合式可以省成本,同時改善手機通訊容量。這是在大型建築和運動場所最常見的安裝方式。在這種情況,射頻訊號來源可設置於場所中某個地方的設備機房,並於訊號傳輸距離較長時使用光纖。一旦光纖拉到了需要的樓層、運動場區或其他端點時,多頻段無線電單元可用於將光纖訊號轉換回射頻訊號,之後射頻載波經由對應的射頻纜線和分離器,到達所屬的天線網路。此區段涵蓋多頻段無線電單元到天線,通常在業界可稱為「分支(Branch)」。分支的源頭是多頻段無線電單元,通常稱為光纖雙向收發器(FBDA)或遙控射頻單元(RRU)。

圖3 混合式DAS配置

混合式DAS的彈性比主動式DAS低、雜訊指數稍高,在這兩方面,混合式DAS都比被動式DAS更佳,價格比主動式DAS更低。

小型基地

台小型基地台擁有較低的發射功率。「小型基地台(Small  Cell)」是一個統稱,包含所有類型比大型基地台小的基地台(圖4)。

圖4 小型基地台網路

在小型基地台網路上,每個小型基地台在所對應的細胞(服務區間)中,新增通訊容量(依可達到的SINR而相異)和訊號覆蓋範圍。每個小型基地台的頻譜資源可重新再被利用。在建築物中使用小型基地台布線時大部分使用的是LAN,相較於射頻同軸電纜,LAN十分容易安裝,也能由非技術人員安裝。

小型基地台提供較高的射頻效能(布線未發生衰減情況、低雜訊、低PIM可能性,因此必然能達到良好SINR),和巨大的彈性。小型基地台布建往往比DAS系統更省成本(至少對單一營運商建置的情況是如此)。

為了避免故障,小型基地台通常會由營運支撐系統(OSS)或自我組織網路(SON)自動配置。室內解決方案並不存在絕佳解。營運商會依據策略和需求,來決定建置DAS系統或小型基地台。

室內建置步驟有效率

一般來說,室內建置包含三個階段:網路規畫和設計(規畫)、安裝和試運轉(安裝),以及現場驗收(驗證)。

為了達到最大效率,須造訪現場兩次以採取這些步驟。於初次造訪時進行現場探勘,包括仔細規畫。根據規畫工具找出的適合安裝天線的位置以及電纜路徑。在特殊的情況,使用網路掃描器並嘗試使用測試用訊號產生器分析射頻訊號品質,檢查重要據點/樓層的規畫。

於第二次造訪時,會安裝小型基地台並進行試運轉,最後確認是否已符合訊號涵蓋範圍和傳輸容量所預期和規畫的效能,以進行驗收。

室內通訊系統須謹慎規畫

一般規畫階段:

若要以成功和具成本效益的方式規畫小型基地台建置程序,使用規畫工具必須能確保達到最大的可靠度和準確度。不過,不一定都是這樣,因為樓層平面圖可能已過時,即時建置的變更紀錄並未正確地更新。

早在現場探勘前,須擷取並找出客戶重點需求,使用規畫工具在模擬階段設計室內配置圖,例如,透過室內規畫軟體供應商iBwave,其使用羅德史瓦茲(R&S)量測解決方案支援的檔案格式。

一般來說,進行現場探勘的員工在處理跟射頻、基地台或天線有關的作業經驗,會比在第二次造訪時安裝小型基地台的人員多。現場探勘工程師使用規畫軟體,這種軟體提供樓層平面圖、基地台地點提案、模擬訊號覆蓋範圍、通訊容量預測等。這些工程師查看規畫工具提出的潛在天線安裝位置,確認規畫的纜線路徑是否可行。

可靠的室內小型基地台規畫包含測試用訊號產生器和網路掃描器,在重點場所進行現場探勘時執行。

重點場所勘查流程

對重點場所和關鍵建置點來說,例如醫院、生產線或VIP(CxO)辦公室樓層和會議室(以及其他許多範例),必須以可靠的方式規畫小型基地台。重點場所和安裝地點的規畫階段必須在現場探勘時確認初步計畫,並由技師記錄下尚未規畫小型基地台/天線時的實際情況。

欲收集此資訊,技師只要用網路掃描器進行測量即可。網路掃描器是一種被動的量測工具,將來自所有已配置頻段內,所有行動通訊技術的射頻訊號,進行接收和解碼。另一方面,使用行動電話因受限於SIM卡,收到的訊號來源有限,量測重複率的準確度較低也比較不可靠。

在建築內部使用掃描器量測來自大型基地台室外LTE或5G網路訊號的結果,可能測試到參考訊號接收功率(RSRP)較弱,且訊號與干擾加雜訊比亦較低。RSRP指示測量位置的訊號覆蓋範圍,SINR數值指示跟干擾有關的訊號品質。若覆蓋範圍跟訊號品質低落,可預期到資料傳輸速度亦會較低。

進行掃描器量測後,技師使用測試用訊號產生器模擬LTE或5G安裝情況,以確認規畫是否良好(圖5)。

圖5 以訊號產生器設定5G訊號時間規畫

於安裝測試用訊號產生器時,必須注意是否產生正確頻段。技師須避免自己可能錯用屬於其他業者的專屬執照頻段進行傳輸。

建議可使用由營運商專屬的訊號頻率來安裝室內通訊系統。開啟測試用訊號產生器並開始運轉後,在專屬的頻段中進一步地進行掃描器測量後,即使訊號產生器功率不用太高,RSRP和SINR數值仍大幅改善。

比較測試時連續波/調變訊號差異

連續波訊號CW產生器在某固定頻率產生窄頻訊號(單頻)。連續波訊號產生器通常比可產生調變訊號的訊號產生器便宜。

然而接收機將會接收一個頻率範圍的功率,偵測到CW單頻訊號,以及在此頻率範圍中,來自其它訊號源的所有訊號成分。測試用訊號產生器傳輸5G調變訊號的優點是,接收機可直接將測試用訊號產生器訊號解調變,測量此訊號確切的接收位準。

不過,為了執行確切的效能預測,需使用營運商使用的技術與相關資訊,以獲得訊號覆蓋範圍參數(例如5G  RSRP)和通訊容量數據(例如5G  SINR)。規畫布建的小型基地台僅用這些數據即可協助預測的效能(資料傳輸速度/通訊容量)。因此測試用訊號產生器必須採用專用技術寬頻調變訊號。
(本文由羅德史瓦茲提供)

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