5G各類場景的天線覆蓋解決方案

0 前言

根據(jù)通信市場發(fā)展的趨勢研判，真正基于5G技術(shù)的高階物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的出現(xiàn)還需要很長一段時間，4G/5G 將長期共存，協(xié)同發(fā)展?；?G/5G 網(wǎng)絡(luò)將長期共存的組網(wǎng)策略來分析天面架構(gòu)的演進，業(yè)界提出了所有非5G 網(wǎng)絡(luò)的天線將高度集成為1 副一體化高階多系統(tǒng)共用天線，所有服務(wù)于5G網(wǎng)絡(luò)的天線將高度集成為1副天線，各占一個天面空間，從而形成極簡天面架構(gòu)的解決方案。5G Massive MIMO 天線技術(shù)具有更高的無線吞吐量和抗干擾能力，是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著5G 試驗網(wǎng)絡(luò)開展，發(fā)現(xiàn)5G 基站系統(tǒng)通道數(shù)的增加并未提升單用戶的感知，其作用主要是增加多用戶的接入容量，但同時也增加了建網(wǎng)投資成本。實際的應(yīng)用場景，如室外密集熱點場景、廣域覆蓋場景、室內(nèi)分布場景、交通干線和隧道場景，在覆蓋和容量上的需求都是有差異的。64TR/32TR 被看作是5G Massive MIMO 天線的標準配置，但天線設(shè)計復(fù)雜度高、體積大、造價高等缺點限制了其在某些場景使用的可行性，所以很有必要針對各類細分場景研究4G/5G 網(wǎng)絡(luò)共存的天線解決方案。

1 基于場景的5G網(wǎng)絡(luò)需求分析

移動通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景主要分為室外密集熱點場景、廣域覆蓋場景、室內(nèi)分布場景、交通干線和隧道場景等，其業(yè)務(wù)特點有所不同。

1.1 室外密集熱點場景

室外密集熱點城區(qū)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量要求都較高，在密集的城區(qū)場景，部分上下行鏈路存在遮擋以及基站穿透能力有限，室內(nèi)或室外部分區(qū)域出現(xiàn)了弱覆蓋或覆蓋盲區(qū)，為實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，需要單獨進行補盲，即為深度覆蓋。業(yè)務(wù)熱點區(qū)域用戶對數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)流量需求大，特別是中心商用街區(qū)、人流量密集的廣場及重要交通樞紐區(qū)等區(qū)域，存在30%的區(qū)域消耗70%流量的現(xiàn)象，也是5G 網(wǎng)絡(luò)部署的重點區(qū)域，這類場景的5G基站站距小，設(shè)備密集，宜選用抗干擾能力強、支持MU-MIMO 及波束賦形的天線，提高整個小區(qū)的吞吐量和容量。

1.2 廣域覆蓋場景

廣域覆蓋和連續(xù)覆蓋是移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的最基本要求，需要同時兼顧用戶的移動性和業(yè)務(wù)服務(wù)的連續(xù)性。

對于城區(qū)和發(fā)達省份的城郊結(jié)合區(qū)域，人流量密集、住宅小區(qū)、機關(guān)、企事業(yè)單位等較多，日常數(shù)據(jù)流量開銷較大，但負荷量不高，業(yè)務(wù)調(diào)度的頻次也不高。實際覆蓋時不需要在垂直方向進行波束的數(shù)字掃描，常規(guī)的波束電下傾調(diào)整就可以滿足網(wǎng)絡(luò)的覆蓋要求。這類場景宜選用性價比高的寬波束天線，在滿足廣域覆蓋和連續(xù)覆蓋的基礎(chǔ)上，還能兼顧一定的容量覆蓋。

針對農(nóng)村、郊區(qū)等區(qū)域，用戶相對較少，相應(yīng)的數(shù)據(jù)流量需求也較低，只需滿足5G網(wǎng)絡(luò)的最基本需求即可。這類場景宜選用體積、重量與4G 天線相當(dāng)?shù)奶炀€，且不需要對桿塔進行升級。

1.3 室內(nèi)分布場景

一般的建筑物內(nèi)部間隔多，阻擋大，深度覆蓋需求主要靠天線分布系統(tǒng)解決。室內(nèi)場所人流固定，熱點區(qū)域日常數(shù)據(jù)流量開銷較大，負荷較高。室內(nèi)覆蓋具有天線功率小、天線體積小、容量靈活等需求。數(shù)字化室分系統(tǒng)能夠較好滿足5G 室內(nèi)覆蓋的需求。容量方面，目前數(shù)字化室分只支持4TR，會損失部分波束賦形的特性，單用戶速率體驗受小區(qū)用戶數(shù)影響較大。

1.4 交通干線和隧道場景

交通干線和隧道場景是典型的線覆蓋，盡可能增加天線的覆蓋距離和天線增益，保證線覆蓋的連續(xù)性。典型的線覆蓋通常使用窄波束天線來增強主瓣方向的天線增益，但容易出現(xiàn)塔下黑的現(xiàn)象，水平方向上會出現(xiàn)零點覆蓋。在線覆蓋的場景中，天線設(shè)計應(yīng)采用多波束天線，讓波束在水平方向上具有賦形功能，能夠兼顧遠點和近點的連續(xù)覆蓋。

1.5 其他場景

在某些場景，用戶對于環(huán)境和諧度要求高，或者業(yè)主對電磁敏感，需要特殊的美化天線或小型基站解決方案，如住宅小區(qū)和商業(yè)街區(qū)，對深度覆蓋與數(shù)據(jù)流量需求較高，分布面積廣。這種場景，單個基站的大規(guī)模波束賦形也難以解決深度覆蓋問題，需要分布廣泛、小型美化的天線方案。

2 主宏站場景5G天線解決方案

2.1 覆蓋與速率測試

主宏站場景包括密集城區(qū)、一般城區(qū)以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村的覆蓋場景。中國聯(lián)通對64T&32T 高樓覆蓋進行了對比測試，測試結(jié)果如下。

密集城區(qū)測試見圖1和圖2。普通城區(qū)測試見圖3和圖4。郊區(qū)測試見圖5和圖6。

測試結(jié)果表明，64T 在密集城區(qū)的覆蓋和下行速率增益更明顯，64T 下行覆蓋增益為4 dB，下行速率增益平均為40%。而在普通城區(qū)或郊區(qū)，天線通道數(shù)的增加并沒有獲得明顯的覆蓋和下行速率增益。

圖1 密集城區(qū)64T&32T高樓覆蓋SSB-RSRP增益

圖2 密集城區(qū)64T&32T高樓覆蓋下行速率增益

圖3 普通城區(qū)64T&32T高樓覆蓋SSB-RSRP增益

圖4 普通城區(qū)64T&32T高樓覆蓋下行速率增益

圖5 郊區(qū)64T&32T高樓覆蓋SSB-RSRP增益

圖6 普通城區(qū)64T&32T高樓覆蓋下行速率增益

2.2 上下行容量仿真

主宏站場景包括密集城區(qū)、一般城區(qū)以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村的覆蓋場景。中國聯(lián)通對64T&32T 進行以上場景的容量仿真對比，仿真結(jié)果見圖7和圖8。

仿真結(jié)果表明，64T 密集城區(qū)容量增益更明顯，64T 下行容量為32T 的1.2～1.6 倍，上行為1.1～1.2 倍。而在普通城區(qū)或郊區(qū)，天線通道數(shù)的增加并沒有獲得明顯的上下行容量增益。

圖7 64T&32T高樓覆蓋下行容量增益對比

圖8 64T&32T高樓覆蓋上行容量增益對比

2.3 主宏站場景5G天線解決方案

基于以上分析，綜合考慮覆蓋與容量及天線投資的性價比，在密集城區(qū)，5G天線宜采用64T/32T為主的Massive MIMO 3D 賦形天線。在普通城區(qū)，5G 天線宜采用16T 為主的多波束天線。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)郊區(qū)，5G 可使用8T 為主的普通天線。主宏站場景5G 天線解決方案見圖9。

a）64T/32T 3D賦形天線。在密集城區(qū)，5G天線宜采用64T/32T 為主的Massive MIMO 3D 賦形天線。Massive MIMO 作為5G 的關(guān)鍵技術(shù)之一，其關(guān)鍵技術(shù)在于MU-MIMO技術(shù)和3D-MIMO技術(shù)。MU-MIMO即多用戶MIMO，網(wǎng)絡(luò)中的多個用戶可以在同一時頻資源上利用Massive MIMO 提供的空分通道與基站同時進行通信，在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率。3D-MIMO 技術(shù)是基于多陣列的波束賦形，波束賦形技術(shù)通過對各個天線陣元的信號作加權(quán)組合，進而改變天線陣列的權(quán)值，使波束形狀和方向隨之改變，讓能量較小的波束集中在一塊小型區(qū)域，可以賦形不同指向的不同增益的窄波束，這些窄波束可以根據(jù)需要在垂直和水平方向進行掃描，具備三維立體的覆蓋能力。同時，還可以根據(jù)業(yè)務(wù)調(diào)度的需要匹配相應(yīng)的波束，實現(xiàn)對小區(qū)內(nèi)不同終端的靈活跟蹤，且具備超強的抗干擾能力。一方面3D-MIMO 波束具有更高的增益、更窄的波束寬度，并根據(jù)實際的需求指向任意的垂直和水平方向；另一方面，3D-MIMO波束可以同時存在并形成MU-MIMO 波束，完成全空域覆蓋。波束賦形技術(shù)的實現(xiàn)不僅需要更多的天線陣子，同時也需要天線由過去的射頻處理單元同天線陣子相分離的無源向融合后的有源天線轉(zhuǎn)變，以實現(xiàn)各個天線陣子相位和功率的自適應(yīng)調(diào)整。缺點是算法復(fù)雜，大規(guī)模的天線陣列增加天線的體積和重量，天線造價昂貴。優(yōu)點是3D 波束賦形技術(shù)在提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時可以抑制干擾，提升小區(qū)邊緣用戶的體驗，并能容納更多的用戶，提高小區(qū)的無線吞吐量和容量。

圖9 主宏站場景5G天線解決方案示意圖

b）16T/8T 水平多波束天線。在普通城區(qū)，5G 天線宜采用16T 為主的多波束天線。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)郊區(qū)，5G 可使用8T為主的普通天線。如前所述，廣域覆蓋時不需要在垂直方向進行波束的數(shù)字掃描，常規(guī)的波束電下傾調(diào)整就可以滿足網(wǎng)絡(luò)的覆蓋要求，但為發(fā)揮MIMO天線的作用，可以在水平方向做成多波束天線，在滿足廣域覆蓋和連續(xù)覆蓋的基礎(chǔ)上，還能兼顧一定的容量。多波束天線也是利用多個天線陣列，將水平寬波束天線分裂成多個窄波束天線，以實現(xiàn)空間分集。水平多波束天線相比3D 的賦形天線，其算法相對簡單，陣元數(shù)量減少，從而減小天線的體積和成本。

3 室分場景5G天線解決方案

3.1 典型數(shù)字化室分系統(tǒng)

典型的室分場景包括政企寫字樓、購物中心、賓館酒店、醫(yī)院等。一般建筑物內(nèi)部間隔多，阻擋大，深度覆蓋需求主要靠天線分布系統(tǒng)解決。傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)（DAS）難以滿足5G 時代3.5 GHz以上的高頻和Massive MIMO 等要求，在工程實施、故障檢測難和業(yè)務(wù)單一等方面的不足持續(xù)凸顯。相比傳統(tǒng)的DAS 方案，數(shù)字化室內(nèi)分布方案將逐漸成為主流。

傳統(tǒng)的無源天線分布系統(tǒng)很難實現(xiàn)MIMO，于是集成了傳統(tǒng)RRU+天線的新型數(shù)字化室分在5G 時代將會得到廣泛應(yīng)用。室內(nèi)覆蓋具有天線功率小、天線體積小、覆蓋距離小，信號分布均勻和容量靈活調(diào)整等需求，數(shù)字化室分系統(tǒng)能夠較好地滿足5G室內(nèi)覆蓋的需求，但數(shù)字化室分系統(tǒng)天線仍是以全向天線為主以達到一定空間的全面覆蓋，因此會損失波束賦形的特性，并且體積和功耗也受到限制，天線通道數(shù)目前只能做到4～6個TR。

以華為的5G數(shù)字化室分為例，其組成示意圖見圖10。

圖10 數(shù)字化室分示意圖

RHUB 為射頻遠端CPRI 數(shù)據(jù)匯聚單元，其主要功能包括：

a）RHUB 配合BBU、DCU 以及pRRU 使用，用于支持室內(nèi)覆蓋。

b）接收BBU/DCU 發(fā)送的下行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給各pRRU，并將多個pRRU的上行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給BBU/DCU。

c）內(nèi)置DC供電電路，向pRRU供電。

d）支持通過光纖鏈接pRRU組網(wǎng)方式。

pRRU 為射頻拉遠單元，實現(xiàn)射頻信號處理功能，其主要功能包括：

a）將基帶信號調(diào)制到發(fā)射頻段，經(jīng)濾波放大后，通過天線發(fā)射。

b）從天線接收射頻信號，經(jīng)濾波放大后，將射頻信號進行變頻，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后發(fā)送給BBU進行處理。

c）通過光纖/網(wǎng)線傳輸CPRI數(shù)據(jù)。

d）支持內(nèi)置天線（4T4R）。

e）支持通過PoE/DC供電。

f）支持多頻多模靈活配置。

3.2 大型場館立體方波賦形天線

大型場館作為特殊的室內(nèi)覆蓋，具有空間大、人員密集、用戶集中，業(yè)務(wù)需求量極大的特點。為了保證場館內(nèi)的容量需求，傳統(tǒng)使用壁掛板狀天線+小區(qū)分裂的方案來解決覆蓋，但是小區(qū)分裂對同頻組網(wǎng)會產(chǎn)生較嚴重鄰區(qū)干擾，影響用戶體驗。借鑒宏站場景的賦形天線思路，針對大型場館的室內(nèi)覆蓋，可采用特殊的賦形天線，控制波束的輻射范圍，以達到精準覆蓋和分區(qū)切割的效果。

立體方波賦形天線具有優(yōu)異的波束收斂與旁瓣抑制能力，使得覆蓋范圍以外的信號迅速衰減，邊界清晰，有效避免越區(qū)干擾與弱覆蓋。

表1示出的是立體方波賦形天線與其他天線波束增益與波寬對比。

表1 立體方波賦形天線與其他天線波束增益與波寬對比

立體方波賦形天線波束寬度合理收窄，更利于密集場景下多小區(qū)分割，實現(xiàn)容量提升?；谛旁垂β首銐虼螅鶕?jù)天線波束寬度及三角函數(shù)推算出天線覆蓋范圍。

表2示出的是立體方波賦形天線與其他天線覆蓋范圍對比。

4 高鐵場景5G天線解決方案

4.1 傳統(tǒng)33°與65°高增益天線

表2 立體方波賦形天線與其他天線覆蓋范圍對比

相比傳統(tǒng)高鐵信號覆蓋，5G 高鐵覆蓋面臨更大難題，一方面5G 特色業(yè)務(wù)要求更高的網(wǎng)絡(luò)性能，另一方面，5G 更高的頻率，高鐵更快的速度會帶來更嚴重的信號衰減和畸變，影響用戶體驗。傳統(tǒng)線覆蓋使用33°水平窄波束天線或65°水平寬波束高增益天線，都容易出現(xiàn)塔下黑的現(xiàn)象，水平方向上會出現(xiàn)零點覆蓋。

4.2 5G 8TR波束賦形天線

5G 高鐵天線可考慮波束賦形，5G 技術(shù)支持波束時分掃描。波束時分掃描可以有效地提高覆蓋范圍，即增加了等效的波束寬度?；诓ㄊ鴷r分掃描原理，針對高鐵應(yīng)用場景可以在水平和垂直方向賦形，以彌補零陷帶來的覆蓋空洞，可彌補塔下黑的問題。

5G 高鐵賦形天線由4 列天線振子組成，在水平有8個通道，可實現(xiàn)±30°的掃描范圍。由于天線振子數(shù)的增加，天線增益相比F頻段有3 dB 的增益，配合MIMO功能，可以彌補D頻段信號衰減大帶來的影響。

按照三維模型，獲取水平8通道天線合成波束在高鐵線路不同距離上對應(yīng)的增益值，與傳統(tǒng)33°天線相比，水平零點被填充，覆蓋效果有明顯的提升。

圖11 示出的是水平8TR 時分覆蓋方案與傳統(tǒng)高鐵天線在高鐵線路不同距離下的增益值對比。

圖11 水平8TR時分覆蓋方案與傳統(tǒng)高鐵天線在高鐵線路不同距離下的增益值對比

5 隧道場景5G天線解決方案

5.1 新型漏纜

高鐵、地鐵隧道內(nèi)空間狹小且封閉，多徑反射嚴重，傳統(tǒng)13/8漏纜不支持3 GHz以上的頻段，新型支持3.5 GHz的5/4漏纜百米損耗接近10 dB，當(dāng)隧道區(qū)間超過500 m，漏纜不滿足高鐵站距500 m的要求。

表3示出的是漏纜百米損耗。

表4示出的是漏纜覆蓋地鐵隧道下行鏈路預(yù)算。

表3 漏纜百米損耗

表4 中國聯(lián)通漏纜覆蓋地鐵隧道下行鏈路預(yù)算

根據(jù)隧道場景的下行鏈路預(yù)算，使用5/4 漏纜覆蓋地鐵，單邊有效覆蓋距離為300 m 左右，普通站距的地鐵平均時速是35～40 km，通過隧道內(nèi)增加設(shè)備斷點，5/4 漏纜可解決地鐵隧道的5G 覆蓋。高鐵平均時速是250～350 km，高鐵隧道的設(shè)備區(qū)間平均為500 m，在高鐵隧道的區(qū)間內(nèi)不能增加設(shè)備斷點，所以根據(jù)5/4漏纜的覆蓋能力，依然不能完全解決高鐵隧道的5G覆蓋。

5.2 5G高增益貼壁天線

5G 高增益貼壁天線可作為高鐵、地鐵隧道的覆蓋解決方案。由于隧道空間狹窄封閉，該天線可設(shè)計為水平/垂直30°的窄波束天線，天線增益可達14 dB+，支持5G 4TR 接入，保證網(wǎng)絡(luò)容量。天線可貼壁安裝，更低風(fēng)載荷，安全可靠，整體建設(shè)成本費用遠低于漏纜方案。

在江蘇宜興公路隧道進行了試點，試點采用3.5 GHz 4TR 貼壁天線，信源采用8TR（100 W RRU）設(shè)備，在滿足安全性安裝的基礎(chǔ)上進行隧道覆蓋，分別在行車狀態(tài)和步行狀態(tài)測試網(wǎng)絡(luò)的上下行速率。試點結(jié)果表明：實現(xiàn)了對隧道貫穿覆蓋，覆蓋距離達到800 m 以上。隧道內(nèi)人行道步測得的最大下行速率為488 Mbit/s，最大上行速率為90 Mbit/s，各項指標均滿足相關(guān)要求。

6 其他特殊場景5G天線解決方案

在住宅小區(qū)和商業(yè)街區(qū)這種要求環(huán)境和諧高、對電磁輻射敏感的場景，基站選址會變得困難，而且單個基站的大規(guī)模波束賦形也難以解決深度覆蓋問題。對于這種特殊場景，建議選用小型化、具有隱蔽外觀的5G美化天線進行覆蓋。

6.1 新型樓宇美化天線

對于住宅小區(qū)與工業(yè)園區(qū)，對深度覆蓋和數(shù)量流量需求都很大，既要求天線分布式部署，又要多通道天線來提高用戶的空口速率，現(xiàn)有室外覆蓋多采用射燈天線、普通板狀天線等樓間對打方案，但由于性能不佳，弱覆蓋影響用戶體驗，成為投訴熱點。5G 需要天線廠家研發(fā)小型化、隱蔽外觀的美化天線。

以京信公司研發(fā)的新型美化天線為例，其可在女兒墻壁掛安裝，安裝便捷。天線垂直波寬65°，垂直傾角可調(diào)±30°，支持4+4端口，可作為在64T 宏站主場景選址困難的情況下4G/5G融合天線的選型。

圖12示出的是新型樓宇天線波束寬度。

某小區(qū)采用傳統(tǒng)射燈天線的覆蓋方案，試點天線由第16 棟（共18 層）對打覆蓋到18 棟（共34 層），樓間距40 m。試驗結(jié)果表明，該款新型天線比傳統(tǒng)射燈天線覆蓋區(qū)域RSRP值平均增強5.5 dB；下載速率平均約提升6.9 Mbit/s，上傳速率平均約提升0.97 Mbit/s，可作為住宅小區(qū)或工業(yè)園區(qū)分布式室外天線的選型。

6.2 5G小基站

圖12 新型樓宇天線波束寬度

隨著5G時代的到來以及4K、8K、VR/AR等應(yīng)用逐步商用，用戶流量需求仍將保持高速增長，用戶對無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和傳輸能力的需求不斷提升。4G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的后期，在宏站選址困難或某些業(yè)務(wù)熱點的地方，運營商已大量部署燈桿、監(jiān)控桿掛裝的一體化小基站。同時，5G 時代室內(nèi)移動寬帶的需求越來越大，傳統(tǒng)室分無法支撐5G時代室內(nèi)覆蓋的需求和挑戰(zhàn)，數(shù)字化室內(nèi)分布方案將逐漸成為主流，并成為面向5G小基站演進的重要技術(shù)途徑，小基站的重要性進一步凸顯。小基站可以有多種產(chǎn)品形式，具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、擴容方便、易于部署等特點，5G 時代，改進版的小基站可以進一步增加天線通道數(shù)以滿足5G用戶的空口速率，滿足深度覆蓋與業(yè)務(wù)熱點擴容的需求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

7 結(jié)論

64TR/32TR 被看作是5G Massive MIMO 天線的標準配置，但天線設(shè)計復(fù)雜度高、體積大、造價高等缺點限制了其在某些場景使用的可行性?；趯Ω黝惣毞謭鼍案采w與業(yè)務(wù)需求的分析，建議不同場景采用不同的天線覆蓋解決方案。

綜合考慮覆蓋與容量及天線投資的性價比，在密集城區(qū)，5G 天線宜采用64T/32T 為主的Massive MIMO 3D賦形天線。在普通城區(qū)，5G天線宜采用16T為主的多波束天線。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)郊區(qū)，5G 可使用8T 為主的普通天線。典型的室分場景宜采用4G/5G融合數(shù)字化室分系統(tǒng)覆蓋，大型室內(nèi)場館使用特殊的方波賦形天線減少小區(qū)間干擾。高鐵線覆蓋建議使用8TR的波束賦形天線，波束掃描能有效解決水平0點覆蓋空洞，也能兼顧水平增益。漏纜不能滿足500 m 隧道區(qū)間覆蓋距離的情況下，可采用窄波速高增益貼壁天線解決方案。對其他特殊場景，小型化的美化天線以及小基站具有廣闊的應(yīng)用前景。