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小型蜂窝解析--速度和数量问题
作者:Xilinx Harpinder S. Matharu
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小型蜂窝长期以来一直在网络中发挥着填补覆盖空缺的作用。近期对小型蜂窝的热捧主要源于市场需要更大的网络容量来满足原有的和新的数据业务需求。由于在较高传输频率下,信号的室内穿透能力有限,使得蜂窝覆盖率一直存在问题。这种情况下,小型蜂窝很有可能在提高室内覆盖率和容量方面发挥关键作用。虽然小型蜂窝有部署快、覆盖深、成本低廉的优点,但也存在严峻的部署挑战。为克服这些挑战,小型蜂窝必须与临近的宏蜂窝和其他小型蜂窝共存,解决回程连接问题并提供可编程能力,从而简化部署和管理难度,以便控制其给网络运营带来的复杂性。

同时,宏蜂窝正在从整体架构向分布式架构发展,显著加大了对远程无线电头端和有源天线技术的投资。这为我们通过替代架构增加网络容量和覆盖率提供了条件。因此,对于应采用多快速度、多大数量的小型蜂窝这个问题,答案取决于无线通信行业能够以多快的速度克服小型蜂窝的部署难题以及分布式宏蜂窝架构的推广程度。本文将讨论基站的发展趋势和演进、使用小型蜂窝的合理性、无线网络发展在未来几年内即将面临的回程方面难题。

传统无线基础设施采用安装在基站塔底部的整体基站箱,并通过基站塔顶部的无源天线收取和发送信号。基站箱和无源天线之间通过同轴电缆连接,概念图见图1。

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图1:描述分布式基站架构所带来的节能效果

这种架构的主要缺陷是基站箱传输到无源天线的信号功率会产生大约3dB的损耗。换句话说,基站机箱发出的信号功率只有一半能被天线接收到。为解决这个问题并节省电力,无线通信行业转而采用分布式基站架构,即把射频卡(安有功率放大器)从基站机箱内移出,直接安装在基站塔上临近天线的位置。这些无线电卡被称为远程无线电头端(RRH)。使用RRH后,功率放大器更靠近天线,这样可以避免信号功率损耗。RRH通过光纤与基站箱中的信道卡相连。从信道卡向射频卡传输低功率调制基带信号最常采用的协议之一是通用公共无线电接口(CPRI)。与利用同轴电缆传输大功率信号相比,在光纤链路中传送低功率信号的损耗微乎其微。

虽然分布式基站架构在降低运营成本方面效果显著,但其过渡步伐却非常缓慢。在塔顶安装RRH会带来安装问题(更大的重量和风载)、维护和可靠性问题,使现场服务的成本更高以及维修员工技能方面的调整。但通过提高RRH集成度、增强远程现场编程和控制能力以及降低设备尺寸和重量等方法,可以逐渐克服这些阻碍。此外,分布式基站架构还有望解决无线网络营运商所面临的另一个棘手问题,而这有助于加快其在未来几年内的普及速度,即:分布式基站架构凭借其高度灵活优势可以有效覆盖服务热点,从而在解决网络容量拥塞方面发挥巨大价值。

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图2, RRH安装在建筑物外侧的分布式基站架构

无线网络运营商必须持续增大网络容量才能满足对更高数据速率的无止境需求,而有限的频谱增量正是增大网络容量的重大阻碍。通信技术的改进、在LTE和LTE Advanced中使用多个发送和接收天线(分集、空间复用、聚束)以及增加使用Wi-Fi卸载功能,这些都是增大网络容量的可行途径。此外,作为典型的RRH技术,有源天线系统(AAS)在基站塔上的空间占用量与现有天线相同,且能支持多个有源天线以实现聚束,从而有助于提升覆盖率和容量。但是仅通过技术改进来增加网络容量可能还不够。要想扩展网络容量,似乎还必须使用小半径蜂窝为小规模用户提供服务,特别是在人口密集、容量拥塞最为严重的都市地区更是如此。需要不断确定新站地址来安装新基站。

由于市政部门的审批手续繁琐,因此新基站地址(基站塔和用于安装基站箱的临近空间)的获取成本越来越高、耗时越来越长。安装基站的主要成本来自物业获取成本和工程建设成本。就典型的基站而言,电子设备的成本仅占基站总建设成本的不足20%。在拥挤的城区或郊区建立蜂窝基站,除了选址空间有限这个难题以外,铁塔的视觉影响也会让事情变得更糟,造成市政审批难度不断加大。

采用分布式基站架构,可以在距离RRH数英里外的位置安装基站箱,从而可以灵活地在建筑物、电线杆旁边安装小型RRH单元。这种RRH小型单元可以显著降低视觉影响,并改善覆盖效果(临近最终用户)。最终,通过中心站对多个远离RRH单元的基站箱(也成为云RAN)进行统一控制的这种方法成为可能,这样多家运营商就有可能通过虚拟化技术来共享高性能硬件。未来,还有可能把基站布置在数据中心内部,利用临近应用服务器和应用/用户数据的优势来提高网络效率,开创新的业务和机遇。另一方面,远程无线电头端也将不断靠近最终用户。

分布式基站架构部署在扩展前端—回程网络(front-haul network)或基站与远程无线电头端之间的连接功能方面存在一定的缺陷。目前正在敷设将RRH连接到基站的专用光纤。同时也需要进行技术创新,引入服务优先级分类以维持合适的确定时延水平和端到端时间延迟管理,实现通用介质共享。

就在分布式基站架构为扩展网络容量提供可行性解决方案方面取得缓慢进展的同时,近期小型蜂窝作为一种替代性方案悄然崛起,掀起了新一轮行业聚焦和一系列创新。小型蜂窝尚无行业标准加以规定。一般来说,小型蜂窝指使用小型紧凑机箱的完整基站,可方便地安装在电线杆和建筑物外墙上。小型蜂窝的发射功率介于250毫瓦到5瓦之间,覆盖范围在50米到5千米之间。支持32/64个以上用户且半径为100米的小型蜂窝在人口密集的城区可能最为常见。小型蜂窝成本极低,预计约为典型宏蜂窝的1/10左右。可考虑在宏蜂窝机箱内布置由5到10个甚至更多小型蜂窝组成的集群,作为增大网络容量的支持设备,主要用于满足数据业务需求。可使用小型蜂窝网关控制小型蜂窝,使之与相邻小型蜂窝和上级宏蜂窝协调工作。负载均衡和蜂窝间干扰管理将是小型蜂窝网关控制的重要参数。

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图3,以宏蜂窝辅助集群的方式部署小型蜂窝

虽然小型蜂窝拥有大量优势,正在强烈地刺激推动行业创新,但要实现更广泛的部署仍面临着各种严峻的挑战。其中小型蜂窝回程是主要的障碍之一。根据具体部署场景,能否从回程解决方案工具套件中选取恰当的回程解决方案是简化部署的关键所在。但这会给在小型蜂窝中集成回程技术带来相当大的难度。使用两个机盒(一个用于小型蜂窝,一个用于回程)的方式,从长远来看不具可行性。小型蜂窝无线接入网络(RAN)在移动回程层级中新增一层,进一步加大了已经捉襟见肘的移动回程接入网络的压力。部署小型蜂窝的另一大障碍就是需要行业标准和真正可互操作的框架,以确保小型蜂窝与相邻蜂窝和平共存。小型蜂窝应像自优化网络实体一样良好运行。如果管理不善、控制不好,蜂窝间干扰协调和动态负载均衡就会成为问题,导致网络整体性能低下。虽然困难重重,小型蜂窝技术仍有很大的希望从容应对无止境增长的网络容量需求。

总而言之,小型蜂窝部署数量与速度将取决于行业找到解决小型蜂窝问题解决方法的速度,以及分布式基站架构运用和推广的程度。作为扩展现有宏蜂窝的远程无线电头端和有源天线系统,在许多情况下具有同样的吸引力。毫无疑问,分布式基站架构和小型蜂窝这两种创新型技术将同时得以部署,共同提高网络容量。小型蜂窝部署的简便性,小型蜂窝回程网络的安装与维护成本,以及小型蜂窝集群连同宏蜂窝网络的总体性能,预计将是影响未来几年小型蜂窝推广与使用量的部分主要因素。
文章内容仅供参考 (投稿) (1/11/2013)
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