5G室分分布式MIMO建設方案研究

李隆平，魯 星

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

截至目前，我國已建5G基站超70萬余座。5G時代流量大爆發(fā)，運營商5G網(wǎng)絡建設策略將由現(xiàn)在的廣覆蓋向深度覆蓋轉(zhuǎn)變，重點城市、重點區(qū)域以及重點場景等先行部署5G網(wǎng)絡，未來幾年5G室分網(wǎng)絡將步入大規(guī)模部署期[1]。當前行業(yè)增量不增收，運營商部署5G室分成本壓力增大，為緩解面臨的巨大資金投入壓力，尋求低成本、高效率的創(chuàng)新性解決方案成為5G室分建設主流。

1 5G室分網(wǎng)絡加速垂直業(yè)務發(fā)展

1.1 大帶寬、高速率業(yè)務需求

5G時代，視頻平臺為用戶提供更好的視覺體驗。通過提升視頻分辨率，視頻播放畫質(zhì)水平可以達到4K/8K級。超高清內(nèi)容生產(chǎn)廠商將選擇具備超高清視頻播放功能的平臺進行合作，屆時支持超高清視頻播放的平臺將獲得更多的內(nèi)容資源，以此提升平臺整體的載客能力，吸引大量的流量進入，同時轉(zhuǎn)化更多的付費用戶[2]。

1.2 廣連接業(yè)務需求

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速部署和5G網(wǎng)絡技術(shù)的不斷突破，大量新興市場應運而生，例如車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市以及智慧家居等。此類行業(yè)涉及到大量終端互聯(lián)的場景，5G網(wǎng)絡支持海量終端設備的連接，因此5G對于車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市和智能家居場景的發(fā)展起到了較大的推動作用。目前這些產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模整體均呈現(xiàn)上升趨勢，尤其在5G商用后，車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市以及智能家居將迎來突破式發(fā)展[3]。

1.3 高可靠、低時延業(yè)務需求

5G的一個應用場景是無人駕駛、遠程醫(yī)療、工業(yè)自動化等的高可靠、低時延連接。人與人正常進行信息交流的時延大約是140 ms，如果這個時延應用于無人駕駛、遠程醫(yī)療、工業(yè)自動化等領域，就難以保障其持續(xù)穩(wěn)定的運行。5G網(wǎng)絡的時延是1 ms以內(nèi)，這就對網(wǎng)絡技術(shù)提出了更高的要求[4]。

2 5G室分建設面臨挑戰(zhàn)

運營商5G部署策略由室外廣覆蓋向室內(nèi)深度覆蓋轉(zhuǎn)變，優(yōu)先做好城市、重點區(qū)域、重點場景等5G室分網(wǎng)絡建設，未來3年內(nèi)呈現(xiàn)大規(guī)模建設5G室分網(wǎng)絡態(tài)勢。目前個人業(yè)務仍然占據(jù)運營商運營業(yè)務的重要部分，快速高效低成本部署5G室分網(wǎng)絡尤為迫切。與2G/3G/4G網(wǎng)絡相比，建設5G室分網(wǎng)絡又面臨新的巨大挑戰(zhàn)[5]。一是5G室分業(yè)務具有頻段高、穿透衰耗大以及進入大規(guī)模布署期等特點，80%以上業(yè)務發(fā)生在室內(nèi)；二是5G室分大規(guī)?？焖俨渴饚砭薮筚Y金壓力，5G有源室分功耗較大導致運營成本增加；三是建設工期長，多家電信企業(yè)多次進場等增加物業(yè)協(xié)調(diào)難度；四是短期內(nèi)5G信源主設備供貨及時性難以得到保證。

3 5G室分分布式MIMO技術(shù)原理

3.1 建立5G室分分布式鏈路預算模型

依據(jù)5G信號室內(nèi)空間自由傳播的特點建立5G室分分布式鏈路預算模型，如圖1所示[6]。

圖1 5G室分分布式鏈路預算模型

根據(jù)協(xié)議3GPP 38.901原理闡述，室內(nèi)空間自由傳播損耗可采用如下公式進行計算[7]：

式中，fc代表頻率，單位為GHz；d3D代表終端與天線的距離，1 m≤d3D≤150 m。

3.2 測算MIMO天線間距對峰值速率影響

移動5G室分采用2.6 GHz頻段，與4G接近，MIMO（2T2R）天線間距可參考4G。電信聯(lián)通5G室分采用3.5 GHz頻段，本次測試重點關注3.5 GHz頻段下5G室分MIMO（2T2R）天線間距對峰值速率的影響。

選擇3個典型覆蓋點位，每個天線點位兩副天線的布放間距按信源發(fā)射頻段3.5 GHz進行計算，分別設置為6入（0.5 m）、10入（0.86 m）、15入（1.3 m），同時分別設置天線間距0.5 m、0.86 m、1.3 m以及1.6 m。在同一試驗測算條件下，為了確保不同位置下測試的峰值速率接近理論值，在同一天線間距下極近點取典型值的3個點位的平均吞吐率，近點取典型值的3個點位的平均吞吐率，中點取典型值的3個點位的平均吞吐率，遠點取典型值的3個點位的平均吞吐率。取以上4個位置點測試所得的最高吞吐率作為該布放天線間距下的峰值速率，通過對比不同天線間距下的峰值速率，尋找MIMO（2T2R）的最佳天線布放間距。

由測試數(shù)據(jù)可知，極近點處的吞吐率受天線間距變化的影響較小，近點和遠點吞吐率受天線間距變化影響較大。天線間距控制在0.8 m及以上吞吐率較高，天線間距控制在1.3 m吞吐率達到最佳[8]。

3.3 5G室分分布式MIMO技術(shù)優(yōu)勢

相比4G，5G擁有大規(guī)模天線（Massive MIMO）技術(shù)的優(yōu)勢。Massive MIMO技術(shù)原理為通過多天線立體化多維度同時建立信號傳輸通道，實現(xiàn)信號的空間復用和數(shù)據(jù)傳輸速率的提升。室內(nèi)分布式MIMO是該技術(shù)在室內(nèi)的一種應用形式，是指利用一臺或多臺主設備信源的不同通道將傳統(tǒng)無源室內(nèi)分布系統(tǒng)的多個收發(fā)節(jié)點聯(lián)合起來構(gòu)建更高維度的多天線收發(fā)系統(tǒng)，達到多通道聯(lián)合收發(fā)信號和提高目標覆蓋區(qū)域5G峰值速率的目的。5G室分分布式MIMO（2T2R）組網(wǎng)如圖2所示[9]。

圖2 5G室分分布式 MIMO（2T2R）組網(wǎng)

4 5G室分分布式MIMO建設方案

當前5G室分分布式MIMO主要有兩種技術(shù)應用方案，一是同樓層分布式MIMO覆蓋技術(shù)方案，二是跨樓層分布式MIMO覆蓋技術(shù)方案[10]。

4.1 同樓層分布式MIMO覆蓋技術(shù)方案

同樓層分布式MIMO主要指將同一樓層覆蓋不同區(qū)域且相鄰的室內(nèi)分布系統(tǒng)作為主設備信源的分布式MIMO使用，不同支路的室內(nèi)分布系統(tǒng)發(fā)射的信號覆蓋至相同區(qū)域后形成分布式MIMO區(qū)域，從而達到提升目標覆蓋區(qū)域峰值速率的目的。在環(huán)境較好的條件下，同層雙路室內(nèi)分布系統(tǒng)間分布式MIMO 4T4R組網(wǎng)時5G下載速率預計提升30%～50%。

4.2 跨樓層分布式MIMO覆蓋技術(shù)方案

跨樓層分布式MIMO主要指將相鄰樓層覆蓋相同對應區(qū)域的分布系統(tǒng)作為主設備信源的分布式MIMO通道使用，不同樓層發(fā)射的信號穿透樓板后與相鄰樓層形成分布式MIMO區(qū)域，從而達提升峰值速率。在環(huán)境較好的條件下，跨樓層雙路分布系統(tǒng)分布式MIMO 2T2R組網(wǎng)時5G下載速率預計提升10%～20%。

5 5G室分分布式MIMO應用場景

一是單層樓宇面積較大，需要多路室分系統(tǒng)進行覆蓋，且相鄰兩組分布系統(tǒng)間環(huán)境相對開闊，存在部分無線信號重疊覆蓋區(qū)，如地下停車場、超市、生產(chǎn)車間、倉儲式購物中心以及低容量地鐵站站廳等。二是多層樓宇，單層面積較小，但相鄰兩層建筑建構(gòu)相同，分布系統(tǒng)部署方式相近，樓層間無線信號穿透損耗不大（如層間樓板較薄、層間存在開放天井區(qū)域等），本層可收到跨層無線覆蓋信號，如寫字樓、酒店、醫(yī)院住院部等。三是同時具備一、二類建筑特征，單層面積較大、多層間建筑結(jié)構(gòu)相同、分布系統(tǒng)部署方案相近，同層及跨層間均可能收到多組分布系統(tǒng)覆蓋信號，如大型商場、展覽館、醫(yī)院門診大樓低樓層區(qū)域、酒店低樓大廳以及宴會層等。

6 結(jié) 論

積極創(chuàng)新探索5G室分低成本、高效率、快速部署方案，有助于緩解運營商短期內(nèi)面臨的巨大資金壓力，同時盤活運營商超100萬套存量室分站址?；谶@種策略，5G室分分布式MIMO建設方案是其中一種技術(shù)創(chuàng)新嘗試，為后期5G室分建設積累了寶貴的實踐經(jīng)驗。