5G低成本有源室分解決方案探討

邱太勇 江西省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司 南昌市 330002

0 引言

5G的eMBB高速率、uRLLC低時延、mMTC大連接三大業(yè)務(wù)應(yīng)用場景將更多地發(fā)生在室內(nèi)。根據(jù)相關(guān)研究報告和4G現(xiàn)網(wǎng)流量分析，2C數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的70%將發(fā)生在室內(nèi)，而對于2B應(yīng)用（如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療、智能家居、智慧城市等）眾多業(yè)務(wù)也大都以室內(nèi)為主，由此可見5G室內(nèi)覆蓋的重要性。然而，5G將采用3.5GHz及更高的頻率，其傳播損耗和穿透損耗更大，單站覆蓋范圍更小，出現(xiàn)室外站難以覆蓋室內(nèi)，傳統(tǒng)DAS室分饋線損耗大、器件不支持等新覆蓋難題。同時5G將采用MIMO來增強網(wǎng)絡(luò)容量和速率，采用多路DAS室分或pRRU有源室分存在建設(shè)成本高難題?？梢灶A(yù)見，樓宇室內(nèi)深度覆蓋將成為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的最大挑戰(zhàn)，本文將探討兼顧覆蓋與容量的有源室分+外接天線的低成本5G室分解決方案，以解決上述的兩大難題。

1 5G現(xiàn)有室分解決方案分析

1.1 5G無源室分解決方案

受無源D A S室分器件、饋線的技術(shù)限制，低于2.6GHz頻段的5G設(shè)備仍可以采用“室分信源+DAS分布系統(tǒng)”的建設(shè)方式。目前我國已經(jīng)批復(fù)5G商用中頻頻段，中國電信與聯(lián)通獲得2.1GHz共55×2 MHz頻段，中國移動獲得2.6GHz共160MHz頻段，可以采用5G無源室分解決方案。采用2.1/2.6GHz RRU作為5G信源，將5G信號合路到饋線分布系統(tǒng)中，再通過將信號功分或耦合到不同樓層的吸頂天線，實現(xiàn)對信號的覆蓋。

本方案適應(yīng)于對現(xiàn)有4G室分系統(tǒng)改造，以引入5G信號。利舊改造可再細(xì)分為2種不同的解決方案，一是利舊原單路饋線分布系統(tǒng)，實現(xiàn)1T1R（1發(fā)1收）；二是利舊一路原饋線分布系統(tǒng)，并再新建一路新的饋線分布系統(tǒng)，實現(xiàn)2T2R（2發(fā)2收），這種雙路的方案成本更高，但網(wǎng)絡(luò)容量和速率能提升60%以上。但為了提升5G速率及容量性能，通常需要新建2路或4路無源DAS室內(nèi)分布系統(tǒng)，將帶來建設(shè)成本進一步增加，所以本方案主要適用于低容量的覆蓋需求場景。

圖1 5G無源室分系統(tǒng)（DAS）組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

1.2 5G有源室分解決方案

3GPP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中采用有更大可用帶寬的高頻通信、多天線MIMO等技術(shù)，來提升5G速率及容量，同樣，針對高流量、高價值等容量需求場景，可以基于3.5/4.9GHz的設(shè)備，采用有源室分解決方案。但此方案的設(shè)備及工程造價高，對于容量和覆蓋兼有的場景性價比低。

5G有源室分系統(tǒng)也稱為毫瓦級分布式小基站，一般由基帶單元（BBU）、匯聚單元（RHUB）和遠端單元（pRRU）組成，基帶單元與匯聚單元通過光纖連接，匯聚單元與遠端單元通過網(wǎng)線或光電復(fù)合纜連接，遠端單元通過POE供電。

圖2 5G有源室分系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

2 5G低成本室分解決方案探討

2.1 5G有源室分+外接天線解決方案

對于內(nèi)部隔斷較多、覆蓋和容量兼有的樓宇，若采用現(xiàn)有5G室分解決方案存在效果差或投資大的問題。為此，可采用5G有源室分+外接天線解決方案，通過3.5/4.9GHz大帶寬有源室分滿足速率及容量需求；采用外接無源天線，降低對pRRU設(shè)備需求，并可延伸到房間內(nèi)以抵消墻體穿透損耗，以滿足覆蓋要求，從而降低建設(shè)成本。

圖3 5G有源室分+外接天線組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

針對不同的容量及速率需求和建筑物內(nèi)房間隔斷情況，可將pRRU設(shè)備的外接射頻端口進行不同組合，對于有一定容量需求、中等價值的場景可采用1個pRRU拖2個無源天線點位方案，實現(xiàn)5G雙通道信號覆蓋，提升用戶峰值速率和容量；對于房間隔斷多、以覆蓋為主的低價值場景可采用1個pRRU拖4個無源天線點位方案，實現(xiàn)5G單通道信號低成本覆蓋。

2.2 覆蓋規(guī)劃

適合室內(nèi)覆蓋鏈路預(yù)算的傳播模型一般有自由空間傳播模型、衰減因子模型、Keenan-Motley和ITU-R P.1238等，業(yè)界推薦使用ITU-R P.1238室內(nèi)傳播模型進行單天線覆蓋半徑估算。傳播模型的公式如下：

該傳播模型的參數(shù)說明如下：

表1 距離損耗系數(shù)N參考取值

表2 穿透損耗系數(shù)參考取值

表2 穿透損耗系數(shù)參考取值

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ITU-R P.1238室內(nèi)傳播模型可分為視距（LOS）、非視距（LOS）兩種傳播環(huán)境。對于視距（LOS）傳播是以自由空間傳播損耗為主，距離損耗系數(shù)N約為20，穿透損耗系數(shù)Lf(n)為0，傳播模型可簡化為：

由此，進行室內(nèi)鏈路預(yù)算，其過程和結(jié)果如下表所示：

表3 3.5GHz有源室分+外接天線低成本室內(nèi)覆蓋鏈路預(yù)算表

假定運營商對5G室分目標(biāo)網(wǎng)的覆蓋指標(biāo)為：-RSRP≥-110dBm、SINR≥-3dB。從上表可以看出，當(dāng)手機離天線間距離在10米時，可以滿足覆蓋指標(biāo)要求，因而取定單天線的覆蓋半徑為不超過10米。

天線點位設(shè)置應(yīng)盡量靠近目標(biāo)覆蓋區(qū)域，但距離用戶終端較遠時，可以通過更換7/8饋線、天線點位入房間等方法解決；應(yīng)考慮與其它無線通信系統(tǒng)之間隔離要求；并應(yīng)控制室內(nèi)信號外泄，如天線安裝位置距離窗口2米以內(nèi)，可改用外接定向天線方法控制室內(nèi)信號向外泄露。

2.3 容量規(guī)劃

室分容量規(guī)劃流程可分為用戶容量需求估算、單小區(qū)容量能力估算。根據(jù)業(yè)務(wù)的話務(wù)模型（業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)速率、業(yè)務(wù)滲透率），預(yù)測用戶數(shù)，估算用戶容量需求。再根據(jù)室分信源設(shè)備的頻率、帶寬、通道等參數(shù)，估計單小區(qū)容量能力，對上下行信道分別估算支持的連接數(shù)能力，最后估算小區(qū)數(shù)量=用戶容量需求/單小區(qū)容量。再進行室分小區(qū)規(guī)劃。

圖4 室分容量規(guī)劃流程

5G初期以信號覆蓋為主，可以按樓棟或多個樓層為單位來劃分有源室分小區(qū)，一個小區(qū)可包括多個pRRU，以減少小區(qū)間的切換和干擾。電梯廳盡量使用與電梯同小區(qū)信號覆蓋，確保電梯與平層之間的切換在電梯廳內(nèi)發(fā)生。必須在同一樓層設(shè)置兩個以上小區(qū)的，切換區(qū)域應(yīng)盡量避開話務(wù)密集區(qū)。合理利用隔斷阻隔兩個相鄰的同頻異PCI小區(qū)，減少小區(qū)間干擾。

5G后期，隨著5G用戶及業(yè)務(wù)不斷發(fā)展，可根據(jù)建筑物的容量需求及廠商設(shè)備支持的小區(qū)分裂和合并能力，靈活進行小區(qū)規(guī)劃，可基于每個樓層、每個房間或甚至每個pRRU進行小區(qū)劃分，以提升室分容量。

2.4 工程應(yīng)用

2.4.1 低成本案例介紹

某市政府行政服務(wù)中心要采用3.5GHz頻段進行5G室內(nèi)信號覆蓋，該大樓有1棟15層主樓、2棟裙樓，建筑面積約11萬平米。用戶為政府工作人員和外來辦事人員，主要業(yè)務(wù)需求是5G eMBB高速率上網(wǎng)及政務(wù)查詢，考慮對網(wǎng)絡(luò)速率、容量要求不高，設(shè)計了單路、雙路5G有源室分+外接天線兩種方案，技術(shù)經(jīng)濟比較如下表：

表4 3.5GHz有源室分+外接天線低成本室內(nèi)覆蓋方案比較

由上表可以得出，單路（1拖4）比雙路（1拖2）可節(jié)省30%投資，比常規(guī)四路有源室分可節(jié)省60%投資，測試的下行峰值速率可達400Mbps；雙路（1拖2）比常規(guī)四路有源室分可節(jié)省40%投資，測試的峰值速率下行可達900Mbps、上行可達170Mbps。

2.4.2 工程應(yīng)用建議

不同室內(nèi)場景對于容量需求存在差異性，5G室內(nèi)場景根據(jù)容量需求可以劃分為覆蓋、體驗、容量三類場景。每類場景又對應(yīng)著不同的具體樓宇，覆蓋場景包括辦公樓/寫字樓、停車場；體驗場景包括醫(yī)院、CBD/商業(yè)綜合體、娛樂場所、賓館酒店、咖啡廳/餐館；容量場景包括交通樞紐、會展中心、體育館、高校等。

5G低成本有源室分+外接天線的應(yīng)用建議：覆蓋場景對于網(wǎng)絡(luò)速率、容量的需求低，運營商可接受建維成本低，優(yōu)選1拖4單路（1T1R）室分組網(wǎng)；體驗場景對于網(wǎng)絡(luò)速率、容量需求適中，可接受建維成本居中，優(yōu)選1拖2雙路（2T2R）室分組網(wǎng)；容量場景對于網(wǎng)絡(luò)速率、容量需求高，可接受建維成本高，優(yōu)選四路（4T4R）室分組網(wǎng)。

3 結(jié)束語

5G室內(nèi)深度覆蓋應(yīng)結(jié)合用戶業(yè)務(wù)需求，基于不同業(yè)務(wù)場景來選擇高性價比的5G室分解決方案。對于內(nèi)部隔斷少、較為開闊的高價值場景，優(yōu)先采用有源室分方案，確保網(wǎng)絡(luò)容量、提升用戶體驗；對于內(nèi)部隔斷較多的中價值場景，優(yōu)先采用有源室分+外接天線方案，降低建設(shè)成本。對于低價值樓宇，可考慮采用2.1/2.6GHz無源室分合路/新建方案，進一步降低建設(shè)成本。從而低成本、高效快速地實現(xiàn)5G室內(nèi)覆蓋，支撐5G應(yīng)用規(guī)模發(fā)展。