大型建筑內(nèi)部5G信號(hào)的覆蓋研究

尹軍祖

關(guān)鍵詞：5G信號(hào);室內(nèi)覆蓋;數(shù)字化室分

1緒論

隨著5G系統(tǒng)的快速部署，萬物互聯(lián)的5G時(shí)代已經(jīng)來臨。自從2019年10月5G商用開始，截至2021年上半年，我國已經(jīng)建成全球最大的5G SA網(wǎng)絡(luò)，累計(jì)開通了5G基站96.1萬個(gè)，共享基站40萬個(gè)，中國移動(dòng)5G套餐用戶達(dá)到2.51億戶，中國電信也達(dá)到了1.31億戶。5G時(shí)代個(gè)人新業(yè)務(wù)對(duì)體驗(yàn)的要求遠(yuǎn)超4G，大量應(yīng)用發(fā)生在室內(nèi)，對(duì)室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)要求更高，尤其是對(duì)于人員密集的大型建筑物內(nèi)的信號(hào)覆蓋，所以5G移動(dòng)信號(hào)的室內(nèi)覆蓋方案及效果尤為重要。5G引入了更高的頻段來獲取帶寬，更高的頻率往往也伴隨著更多的傳輸和穿透損耗，隨著5G技術(shù)的發(fā)展，其所服務(wù)的對(duì)象也更加包羅萬象、無處不在，這種情況下傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)難以滿足覆蓋的需求，在5G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下將逐漸演變?yōu)楹昊拘』鞠嗷f(xié)同、室內(nèi)外互相融合的構(gòu)架，隨著室內(nèi)覆蓋的重要性逐漸顯現(xiàn)出來，室內(nèi)覆蓋方案也會(huì)越來越多樣。為此，對(duì)建筑物內(nèi)的覆蓋方案進(jìn)行研究分析具有積極的意義。

2 5G信號(hào)室內(nèi)覆蓋方式

3GPP把5G頻段分為450MHZ一6GHZ的SUB-6GHZ頻段和24.25GHZ一52.6GHZ的毫米波頻段。因此，全球5G的部署頻段只分為SUB-6GHZ和毫米波。對(duì)于5G室內(nèi)覆蓋目前只需要對(duì)SUB-6GHZ頻段進(jìn)行分析。

移動(dòng)信號(hào)室內(nèi)覆蓋主要通過以下兩種方式來實(shí)現(xiàn)：

（1）外部穿透：外部穿透就是通過室外基站對(duì)室內(nèi)進(jìn)行覆蓋，無線信號(hào)有一定的穿透性，室外基站信號(hào)衰減一些后到室內(nèi)，當(dāng)室外基站足夠多且信號(hào)足夠強(qiáng)時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)一定程度的室內(nèi)覆蓋。

（2）內(nèi)部覆蓋：將移動(dòng)信號(hào)直接引入室內(nèi)，然后利用分布式天線進(jìn)行室內(nèi)覆蓋，內(nèi)部覆蓋避免了穿透損耗，以比較低的功率均勻?qū)κ覂?nèi)各處進(jìn)行覆蓋。

由于基站發(fā)射功率以及信號(hào)穿透建筑物時(shí)所產(chǎn)生的穿透損耗，導(dǎo)致一些大型建筑物、多隔斷式室內(nèi)、隧道等場(chǎng)景存在大量的信號(hào)覆蓋盲區(qū)，并且部分建筑內(nèi)部的業(yè)務(wù)需求量以及需求密度都較大，僅僅依靠室外基站難以滿足室內(nèi)覆蓋的需求。信號(hào)的內(nèi)部覆蓋可以有效解決室外基站不能解決的容量不足、信號(hào)差、信號(hào)紊亂等問題。但是室內(nèi)單位面積覆蓋成本較高，對(duì)宏基站、微基站和室內(nèi)分布系統(tǒng)而言，我們需要綜合考慮其覆蓋場(chǎng)景、建設(shè)規(guī)模、建設(shè)順序，而5G室內(nèi)覆蓋的建設(shè)方案也是當(dāng)前各大運(yùn)營商及科技公司的主要研究?jī)?nèi)容。

3 5G信號(hào)室內(nèi)覆蓋方案分析

在3G、4G時(shí)代，室內(nèi)覆蓋主要依靠宏基站、小基站和無源室分三種方式協(xié)同完成。而有源室分因其造價(jià)較高，主要應(yīng)用于高容量高業(yè)務(wù)建設(shè)，在樓房?jī)?nèi)主要部署在高業(yè)務(wù)區(qū)域，而樓內(nèi)低業(yè)務(wù)區(qū)域主要依靠微基站和無源室分系統(tǒng)解決。5G時(shí)代數(shù)字化室分則起到了重要的作用，數(shù)字化室分系統(tǒng)主要由瓦級(jí)/毫瓦級(jí)一體化小基站+有源室分系統(tǒng)協(xié)同解決。

對(duì)于宏基站、小基站、無源室分、有源室分在4G、5G中的作用變化總結(jié)如下表：

5G室內(nèi)覆蓋主流方案有：室外宏基站覆蓋室內(nèi)、數(shù)字化室分、對(duì)4G的DAS重復(fù)利用、數(shù)字化室分融合組網(wǎng)（有源室分+無源室分），這幾種方案可以相互協(xié)調(diào)、相互配合對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行覆蓋，以達(dá)到最好效果。

3.1由室外覆蓋室內(nèi)：采用室外宏站、室外微站對(duì)室內(nèi)進(jìn)行覆蓋

室外覆蓋室內(nèi)主要是依靠室外宏基站、微站對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行范圍性覆蓋，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)需求不高的室內(nèi)場(chǎng)景，可采用室外宏站對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，減少資源的浪費(fèi)，同時(shí)也滿足了這些室內(nèi)場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)需求，但此方案局限性較大，對(duì)于業(yè)務(wù)量較高的室內(nèi)場(chǎng)景，單靠室外宏站進(jìn)行覆蓋遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

3.2數(shù)字化室分：小基站、有源室分

數(shù)字化室分是5G覆蓋中重要的一部分，但是當(dāng)前數(shù)字化室分的技術(shù)都尚未完全成熟。目前數(shù)字化室分主要依靠小基站和有源室分兩者進(jìn)行室內(nèi)覆蓋。

3.2.1小基站（瓦級(jí)/毫瓦級(jí)一體化小基站）

小基站的覆蓋場(chǎng)景有：（1）宏基站所覆蓋不到且沒有室內(nèi)部署的場(chǎng)景：比如密集的街道、商鋪和小型房屋等。（2）有源室分覆蓋不完全且建筑物單層面積不大的場(chǎng)景：比如已經(jīng)裝修完成的辦公樓、酒店、住院樓、居民樓等。（3）不適合有源室分的場(chǎng)景：網(wǎng)絡(luò)需求業(yè)務(wù)較低的辦公區(qū)、學(xué)校宿舍等。

在街道、小區(qū)可以使用現(xiàn)有資源如街道燈桿塔、自建美化燈桿塔等用來部署小基站，在室內(nèi)則可以選擇樓角、墻角、房間吊頂或墻壁等進(jìn)行部署。小基站支持交流電供電、以太網(wǎng)供電、光電復(fù)合纜供電，外觀都普遍小型隱蔽化，小基站的天線角度可以調(diào)節(jié)功率大小可以選擇，能滿足不同場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求。

3.2.2有源室分系統(tǒng)，也稱為毫瓦級(jí)分布式基站、分布式皮站

有源室分系統(tǒng)主要由三部分組成，基帶控制單元（BBU）、通用公共無線電匯聚單元（RHUB）和微型射頻拉遠(yuǎn)單元（PRRU）。各部分的連接方式為：BBU通過光纖連接RHUB，RHUB通過網(wǎng)線連接PRRU。有源室分適用于任何室內(nèi)場(chǎng)景。

有源室分室內(nèi)部署時(shí)可以安裝室內(nèi)的吊頂或者墻壁上，也可以安裝在室內(nèi)一些裝飾物如落地?zé)?、櫥柜等地方?/p>

根據(jù)目前的5G發(fā)展階段，有源室分系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)當(dāng)首先針對(duì)EMBB業(yè)務(wù)，在商務(wù)辦公區(qū)域、醫(yī)院、學(xué)校、大型商場(chǎng)等高流量場(chǎng)所進(jìn)行5G容量型建設(shè)，同時(shí)對(duì)場(chǎng)所的其他區(qū)域進(jìn)行延伸覆蓋，確保移動(dòng)帶寬;當(dāng)EMTC和URLLC業(yè)務(wù)成熟之后，再保證信號(hào)覆蓋的連續(xù)性、可靠性和容量需求。

皮基站分布方式是5G移動(dòng)通信的室內(nèi)覆蓋中較為關(guān)鍵的技術(shù)。這種技術(shù)部署起來十分簡(jiǎn)單，設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)可視化，管理更加智能化，最重要的是維護(hù)起來十分方便，而且管理人員可以根據(jù)布設(shè)目標(biāo)的變化，進(jìn)行比較靈活的方案選擇。皮基站能夠跟隨國際標(biāo)準(zhǔn)，支持4G、5G各個(gè)階段的業(yè)務(wù)、容量，也能夠滿足用戶體驗(yàn)等需求。當(dāng)前華為L(zhǎng)AMPSITE就是以BBU+RHUB+PRRU為組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的有源室分室內(nèi)覆蓋方案。

但是，數(shù)字化室分的成本較高、投資收益低，數(shù)字化室分的成本一般由BBU、PICO、RHUB的造價(jià)組成。當(dāng)部署面積較小時(shí)，遠(yuǎn)端的設(shè)備數(shù)量較少，BBU成本占比較高，所以在小面積部署場(chǎng)景可以適當(dāng)降低BBU設(shè)備成本，提高信源的利用。大型面積場(chǎng)景則隨著部署面積的增大，遠(yuǎn)端設(shè)備數(shù)量增多，成本占比逐漸增多，因此大面積部署場(chǎng)景可以適當(dāng)降低遠(yuǎn)端設(shè)備成本。

針對(duì)數(shù)字化室分的高成本現(xiàn)狀，可以通過對(duì)中低容量場(chǎng)景進(jìn)行降成本分覆蓋：降低BBU成本（根據(jù)場(chǎng)景和用戶需求適當(dāng)降低BBU支持的載波數(shù)、用戶數(shù)、遠(yuǎn)端單元數(shù)）、降低RHUB成本（適當(dāng)降低支持遠(yuǎn)端單元數(shù)目）、降低PICO成本（減少通道、降低發(fā)射功率、降低供應(yīng)鏈成本——主要包括：物料成本、勞動(dòng)成本、運(yùn)輸成本、設(shè)備成本和其他變動(dòng)成本等）、外接DAS系統(tǒng)（通過外接天線進(jìn)行擴(kuò)展覆蓋）。

3.3無源分布系統(tǒng)：對(duì)4G的舊DAS進(jìn)行重耕、新建DAS

4G時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)約80%發(fā)生在室內(nèi)場(chǎng)景，但室分站點(diǎn)僅承擔(dān)了是室內(nèi)業(yè)務(wù)量的30%左右，其還是主要靠室外站吸收，因此4G存量的DAS十分大，有幾十萬個(gè)資源點(diǎn)，所以在進(jìn)行5G信號(hào)的覆蓋時(shí)可以對(duì)DAS進(jìn)行復(fù)用，減少資源浪費(fèi)。但可復(fù)用的舊DAS也僅限于支持2.6G頻段的DAS。

新建可以滿足5G頻段的DAS，使用DAS對(duì)室內(nèi)進(jìn)行覆蓋，相比于有源室分高容量、高業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，無源室分具有成本低但也滿足覆蓋的特點(diǎn)，不過施工較為復(fù)雜。在DAS可滿足該室內(nèi)場(chǎng)景覆蓋的前提下，DAS以其低成本的優(yōu)點(diǎn)更加受到關(guān)注。

3.4數(shù)字化室分融合組網(wǎng)：有源室分無源室分融合組網(wǎng)

數(shù)字化室分融合組網(wǎng)就是利用有源室分和無源室分同時(shí)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行覆蓋，數(shù)字化室分融合組網(wǎng)是對(duì)于當(dāng)前階段而出現(xiàn)的在滿足各種場(chǎng)景需求的情況下的低成本覆蓋方式，是根據(jù)用戶需求和場(chǎng)景業(yè)務(wù)需求進(jìn)行分析，融合有源室分和無源室分對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行最優(yōu)方案的覆蓋。在大區(qū)域覆蓋用無源室分DAS，對(duì)業(yè)務(wù)需求較大或者高容量需求場(chǎng)景使用有源室分PICO進(jìn)行室內(nèi)覆蓋。從而在保證客戶需求和業(yè)務(wù)需求的前提下使成本降到最低，這對(duì)目前5G室內(nèi)覆蓋成本較高且并不成熟的情況是一種不錯(cuò)的方案。

PICO+DAS融合組網(wǎng)方案：一般采用分布式皮站外露射頻口的方式，利用饋線外接天線，實(shí)現(xiàn)單PICO覆蓋面積增大，節(jié)約成本;或者采用外接天線方式，多隔斷區(qū)域通過天線入室，降低室內(nèi)穿透損耗對(duì)覆蓋能力的影響。

4不同場(chǎng)景下5G室內(nèi)覆蓋方案分析

在5G時(shí)代由于業(yè)務(wù)需求更高、部署頻段更高、投資成本更高、產(chǎn)業(yè)成熟不夠。因此應(yīng)該科學(xué)規(guī)劃，精細(xì)化建設(shè)5G室內(nèi)覆蓋。

一般而言對(duì)于不同場(chǎng)景的特點(diǎn)及大致方案如下：

（1）高業(yè)務(wù)重點(diǎn)場(chǎng)景：大型交通樞紐、大型場(chǎng)館、大型購物中心、校園、醫(yī)院。

特點(diǎn)：地標(biāo)性建筑，品牌窗口，高人流密度、高容量需求熱點(diǎn)場(chǎng)景。

方案：以室內(nèi)的一體化小基站為主，再根據(jù)不同場(chǎng)景的差異化需求配置室外微站和數(shù)字化室分融合方案。

（2）一般的隔斷場(chǎng)景：商務(wù)辦公樓、酒店、政企大樓。

特點(diǎn)：高端用戶聚集、整體容量需求一般，但存在部分高業(yè)務(wù)區(qū)域，建筑隔斷較多，建網(wǎng)成本偏高。

方案：根據(jù)容量需求選擇一體化基站、分布式小基站，同時(shí)可以采用數(shù)字化室分融合方案降低成本。

（3）中低流量場(chǎng)景：居民區(qū)、小型公共場(chǎng)所、地下停車場(chǎng)、電梯。

特點(diǎn)：整體的容量需求不高，居民樓使用室內(nèi)產(chǎn)品部署成本較高，而且外部玻璃較多，具備室外照射條件，場(chǎng)景面積小，總用戶有限，容量需求低。

方案：具備室外照射條件的場(chǎng)景選擇利用室外宏站/微站照射，對(duì)于不具備室外照射條件的使用分布式小基站、數(shù)字化室分融合方案。小型公共場(chǎng)所可以采用對(duì)無源DAS重耕的方案。

5總結(jié)

5G網(wǎng)絡(luò)會(huì)逐漸融入社會(huì)各行各業(yè)，成為信息化社會(huì)的重要支撐?；谀壳暗?G發(fā)展情況，室外宏站的覆蓋和安裝是當(dāng)前5G覆蓋的主要部分，同時(shí)一些主要場(chǎng)所的室內(nèi)覆蓋及試驗(yàn)點(diǎn)正在逐步進(jìn)行，5G成本問題仍是當(dāng)前5G實(shí)現(xiàn)全覆蓋的重中之重，根據(jù)場(chǎng)景及客戶需求選擇無源室分、有源室分的融合建設(shè)是目前比較好的選擇。每個(gè)移動(dòng)信號(hào)覆蓋方案都要根據(jù)場(chǎng)景進(jìn)行分析，選擇合適的覆蓋方式，并對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的類型進(jìn)行優(yōu)化，才能實(shí)現(xiàn)真正全面覆蓋。