5G通信系統(tǒng)深度覆蓋分析與研究

吳俊卿

【摘? 要】首先對5G深度覆蓋面臨的問題進行分析與總結(jié);其次對5G深度覆蓋解決方案進行研究;隨后針對每一種解決方案給出部署策略和應用指導;最后對本文所述解決方案進行總結(jié)和對比。

【關鍵詞】深度覆蓋;3D-MIMO;微小基站;數(shù)字化室分;傳統(tǒng)DAS

中圖分類號：TN929.53

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）04-0057-06

[Abstract]?Firstly， the problems faced by 5G depth coverage are analyzed and summarized. Secondly， the solution to 5G depth coverage is studied. Then， the deployment strategy and application guidance are given for each solution. Finally， the solutions described in this paper are summarized and compared.

[Key words]depth coverage; 3D-MIMO; micro/femto device; digital indoor distribution system; traditional DAS

1? ?引言

人們對移動通信的需求隨著社會的發(fā)展不斷提高，以解決三大場景（eMBB、uRLLC、mMTC）為主要目標的5G移動通信系統(tǒng)應運而生。深度覆蓋作為5G移動通信網(wǎng)絡建設的重要組成部分一直備受業(yè)界關注。本文對5G深度覆蓋進行研究與分析，旨在對5G網(wǎng)絡建設提供幫助和參考。

2? ?5G深度覆蓋面臨的典型場景和主要問題

2.1 5G深度覆蓋面臨的典型場景

5G深度覆蓋面臨的典型場景包括：密集城市環(huán)境、城中村建筑物及其道路、高層住宅樓宇、具有廣度與深度的大型樓宇、熱點區(qū)域、工廠與隧道。影響5G深度覆蓋的問題主要包括：頻率問題、MIMO問題、大帶寬問題和傳統(tǒng)DAS問題。不同場景下，5G深度覆蓋需要關注的問題有較大差別，二者的關系如表1所示。

（1）頻率問題

3GPP R15 TS 38.101明確指出：5G通信系統(tǒng)包含兩個頻率范圍，即Sub 6 GHz（FR1）和毫米波（Millimeter Wave， FR2），如表2所示：

2017年11月，工信部印發(fā)文件確定5G通信系統(tǒng)使用的頻段：3 300 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz。其中，3 300 MHz—3 400 MHz原則上用作室內(nèi)分布系統(tǒng)。由此可見，5G通信系統(tǒng)的電磁波傳播損耗和4G相比有提高。隨著毫米波頻段在5G中的使用，對于非視距傳輸，電磁波的傳播損耗會更大?；?GPP TS 38.901提供的InH office_NLOS_Model模型，對比TD-LTE與5G空口鏈路損耗預算，發(fā)現(xiàn)3.5 GHz（5G）較之于3 GHz（TD-LTE）大約增大8 dB。對比3.5 GHz（5G）與2.6 GHz（TD-LTE band38）的穿透損耗大約增大3 dB，如圖1所示。對比3.5 GHz（5G）與2.6 GHz（TD-LTE band38）的室內(nèi)傳播損耗大約增大4 dB，如表3所示：

（2）MIMO問題

Massive MIMO是5G通信系統(tǒng)的關鍵技術，其對于頻譜效率與網(wǎng)絡容量的提升有著顯著的效果。一方面，Massive MIMO與高頻段結(jié)合有利于系統(tǒng)獲取陣列增益，增強覆蓋;另一方面，Massive MIMO需要的天線數(shù)量由LTE的8根擴展到128根/192根（通道數(shù)量由8通道擴展到64通道）。深度覆蓋時如何構建多個天線（通道）以發(fā)揮Massive MIMO的性能是需要思考的問題。是否需要在系統(tǒng)性能和網(wǎng)絡建設之間謀求折中也成為5G通信系統(tǒng)深度覆蓋需要著重考慮的問題。

（3）大帶寬問題

5G系統(tǒng)支持靈活的帶寬配置，3GPP R15 TS 38.101中明確規(guī)定：FR1支持的帶寬為5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz、25 MHz、30 MHz、40 MHz、50 MHz、60 MHz、80 MHz、100 MHz;FR2支持的帶寬為50 MHz、100 MHz、200 MHz、400 MHz。帶寬的增大對于系統(tǒng)速率和容量提升有著顯著的效果，但是對于設備和器件也提出了極大的挑戰(zhàn)。例如：無源器件和有源設備的帶內(nèi)波動隨著帶寬的增加，控制難度將直線上升;功放增益的抖動隨著帶寬的增加也將加劇;大帶寬場景下，無源器件的雜散指標將惡化;其他問題。上述問題必然會影響5G系統(tǒng)深度覆蓋性能，解決上述問題可能會增加設備和器件的成本。

（4）傳統(tǒng)DAS問題

傳統(tǒng)2G/3G/4G DAS（Distributed Antenna System，分布式天線系統(tǒng)）支持5G系統(tǒng)困難，具體包括：傳統(tǒng)DAS無源器件/天線的工作頻段是800 MHz—3 000 MHz;傳統(tǒng)DAS多系統(tǒng)合路時，系統(tǒng)間頻率差異過大，會導致同點位高低頻之間傳輸損耗的差異過大;傳統(tǒng)DAS支持MIMO的能力隨著天線數(shù)量的增加愈發(fā)困難，具體如圖2所示：

3? ?5G通信系統(tǒng)深度覆蓋解決方案及其部署

3.1? 3D MIMO解決方案及其部署

（1）3D MIMO解決方案

3D MIMO解決方案：室外建站解決室內(nèi)深度覆蓋，利用宏站集中解決不同樓宇內(nèi)信號深度覆蓋問題。3D MIMO技術是Massive MIMO的一個特殊應用，在傳統(tǒng)水平面波束覆蓋的基礎上增加了垂直面的波束覆蓋能力，實現(xiàn)立體深度覆蓋?；?D MIMO技術，5G小區(qū)可以分裂出指向不同樓層位置的波瓣，波瓣能量更加集中，從而實現(xiàn)在密集城市環(huán)境中對不同樓層的室內(nèi)深度覆蓋。

（2）3D MIMO方案部署

4G基站的部署方式（BBU+RRU+天線）不適合3D MIMO技術（基于Massive MIMO實現(xiàn)）使用，其原因為：3D MIMO技術導致天線與RRU設備之間饋線連接較多;3D MIMO技術需要較多的通道數(shù)，導致BBU與RRU之間CPRI接口速率高達200 Gb/s（64通道，100 MHz組網(wǎng)）。當前，采用BBU+AAU部署方案實現(xiàn)3D MIMO技術，其重點為：將RRU與天線集成;使用CPRI接口壓縮技術應對CPRI接口速率高的弊端;降低傅里葉變換采樣頻率以降低CPRI接口速率。3D MIMO部署方式如圖3所示，該方案特點如下：支持水平與垂直維度賦形，實現(xiàn)立體覆蓋，其中上行最大支持8流，下行最大支持16流;最大支持3個20 MHz載波;需要配置4個25Gb/s SFP+光模塊;AAU采用128天線陣列，64通道實現(xiàn);AAU設備支持抱桿、掛墻安裝。

3.2? 微小基站解決方案及其部署

（1）微小基站解決方案

微小基站解決方案可以有效解決深度覆蓋問題。其設備特點表現(xiàn)為：高集成、小體積、低重量、易施工、強隱蔽性以及較好的可維護性。常見的微小基站包括：一體化微站（將BBU&RRU&天線集成為一體）、PAD微站（將RRU&天線集成為一體）、Femto微站（將網(wǎng)關與基站設備融合為一體）和relay中繼微站（依托無線完成信號回傳）。不同類型的微小基站構成了不同的5G深度覆蓋解決方案，具體如下所示：

1）對于城中村建筑物及其道路，采用一體化微站（考慮覆蓋和容量）或PAD基站（考慮覆蓋）構建解決方案。通過在路燈桿、信號桿、墻體等固定物體上布放一體化微站或PAD微站，解決5G城中村建筑物及其道路的深度覆蓋問題。

2）對于室內(nèi)用戶，采用Femto微站構建解決方案。通過在用戶家中部署Femto微站，將5G信號引入用戶家中，解決室內(nèi)深度覆蓋問題。

3）對于有線傳輸受限的場景，采用relay中繼微站構建解決方案。通過在合適的地點部署relay中繼微站，中繼覆蓋區(qū)域與信源基站之間的信號傳遞，解決相應覆蓋區(qū)域的深度覆蓋問題。

（2）微小基站方案部署

以一體化微站和Femto微站為例，對微小基站方案部署進行舉例，具體如下所示：

1）Femto微站部署方案

以NSA方式進行Femto微站方案部署，如圖4所示：

方案應用場景：熱點小區(qū)域、家庭用戶，但不適用大型樓宇和密集城區(qū)深度覆蓋。

2）一體化微站部署方案

在電源與傳輸具備的條件下，一體化微站可以直接部署，如圖5所示。本方案可以基于SA/NSA場景部署，設備掛置于路燈桿上，天線隱藏于設備前面板。

方案應用場景：密集城區(qū)覆蓋、街道覆蓋、熱點補盲;不適用于大型樓宇覆蓋和高容量、大話務區(qū)域覆蓋。

3.3? 數(shù)字化室分解決方案及其部署

（1）數(shù)字化室分解決方案

數(shù)字化室分解決方案可以有效解決深度覆蓋問題，是5G室內(nèi)深度覆蓋的主流方案。數(shù)字化室分結(jié)合了FTTH技術和移動通信技術的優(yōu)點，其實現(xiàn)原理如圖6所示：

信號從BBU到pRRU使用光纖和網(wǎng)線完成傳輸;pRRU最大集成4天線;BBU與pRRU之間的信號為基帶信號;基帶信號在pRRU轉(zhuǎn)換為射頻信號，由pRRU集成的天線發(fā)出;pRRU可以部署到用戶側(cè)，拉近用戶與微站設備之間的距離;系統(tǒng)設備具備極強的隱蔽性和部署靈活性。隨著5G網(wǎng)絡建設的深入，BBU、HUB、pRRU均可靈活獨立進行擴容、升級或更換;使用的光纖和網(wǎng)線具備極強的通用性，設備具備較強的可維護性和可管理性，建網(wǎng)和維護成本較低。

（2）數(shù)字化室分方案部署

數(shù)字化室分方案在4G時期已經(jīng)得到成熟使用，涉及的設備與配套已經(jīng)十分成熟。其中，pRRU可以很好地融入覆蓋環(huán)境，其所需的線纜（光纖、網(wǎng)線）可以提前預埋。具體部署如圖7所示。

方案應用場景：大型樓宇、寫字樓、CBD、商場等，前期建議部署2T2R pRRU;高密度區(qū)域，大型場館、交通樞紐、大型醫(yī)院、校園，建議直接部署4T4R pRRU;熱點區(qū)域擴容可以使用本方案;本方案不適合密集城區(qū)覆蓋、室外深度覆蓋以及普通居民樓宇覆蓋。

3.4? 傳統(tǒng)DAS解決方案及其部署

（1）傳統(tǒng)DAS解決方案

傳統(tǒng)DAS解決方案最大的特點是成本低廉和原理簡單，其由有源設備+無源器件構成。無源器件包括：耦合器、功分器、衰減器、合路器、濾波器、負載等。傳統(tǒng)DAS技術在5G中使用需要解決頻率升高和帶寬增大的問題。傳統(tǒng)DAS技術也在發(fā)展和演進，其中一個發(fā)展方向稱之為MDAS技術，其中M表示多系統(tǒng)。MDAS的實現(xiàn)原理如圖8所示：

MDAS包括MU（Main Unit，主單元）、EU（Extend Unit，擴展單元）和RU（Radio Unit，射頻單元）。系統(tǒng)工作流程為：多系統(tǒng)信號由MU饋入并轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖拉遠至EU;EU對光信號進行擴展（分配），通過光纖/網(wǎng)線連接至RU;RU將信號還原并加以區(qū)分，射頻處理之后，將不同移動通信系統(tǒng)的信號發(fā)射出來。

MDAS傳統(tǒng)解決方案實現(xiàn)簡單，鏈路預算容易，部署速度快，可以實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)合部署。缺點是不具備容量提升能力，容易抬升信源設備底噪，系統(tǒng)間相互影響明顯，擴容會引起用戶接收信號強度下降等問題。

（2）傳統(tǒng)DAS方案部署

傳統(tǒng)DAS方案不建議作為5G深度覆蓋的主要解決方案。對于部分低價值區(qū)域在綜合考慮投入產(chǎn)出比之后，傳統(tǒng)DAS方案依舊有其存在的價值。此類部署方案已經(jīng)十分成熟，這里不再贅述。現(xiàn)將5G部署傳統(tǒng)DAS方案時需要注意的問題，總結(jié)如下：

3.5? 解決方案對比

基于前文，對不同解決方案進行的對比總結(jié)如表4所示。

4? ?結(jié)束語

本文對5G深度覆蓋場景和相應的問題進行了分析和研究，并給出了對應的解決方案和部署方式，對不同方案的應用場景和關注點進行了總結(jié)。當前5G實驗網(wǎng)建設正在我國如火如荼地開展，作為5G網(wǎng)絡建設的有機組成部分，深度覆蓋技術的研究和應用已經(jīng)逐漸提上日程，本文旨在為我國的5G網(wǎng)絡建設貢獻力量。

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