基于效能領(lǐng)先的5G無線覆蓋解決方案

孫善球，林學(xué)進(jìn)，趙 娜，曾 晨（京信通信技術(shù)（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663）

1 概述

隨著5G商用的到來，全球越來越多運營商已規(guī)劃或啟動5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。但與此同時，全球運營商正面臨著營收增長放緩與5G建網(wǎng)成本上升的雙重挑戰(zhàn)，一方面高飽和市場、4G 流量價值回落的大環(huán)境下，移動服務(wù)收入無法支撐持續(xù)增長，甚至出現(xiàn)負(fù)增長，運營商總體營收增速持續(xù)下滑，而5G 垂直行業(yè)又處于探索期，盈利模式還有待挖掘；另一方面5G 設(shè)備成本是4G的2～3 倍，5G 基站單站能耗也是4G 的2 倍以上，運營電費高昂，同時大量存量基站的電力配套系統(tǒng)需要改造，改造費用高、周期長。

5G 無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要分為廣域覆蓋、深度覆蓋和熱點覆蓋。廣域覆蓋是在保證容量的前提下，要求單站覆蓋距離越大越好，以減少基站建設(shè)數(shù)；深度覆蓋是針對室外或室內(nèi)的弱覆蓋或盲覆蓋區(qū)域進(jìn)行定制化補(bǔ)盲覆蓋；熱點覆蓋主要針對用戶密集或容量需求極高的場景，提升系統(tǒng)容量吸收能力。三者概念不同，需求不同，不能混淆，應(yīng)區(qū)別對待（見圖1）。

圖1 5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋類型及典型場景

2 5G無線網(wǎng)分場景部署方案

基于5G無線網(wǎng)不同場景的覆蓋需求，結(jié)合運營商無線網(wǎng)絡(luò)部署所面臨的雙重挑戰(zhàn)，5G無線網(wǎng)的部署思路應(yīng)該“基于場景，按需配置，兼顧全域覆蓋和經(jīng)濟(jì)建設(shè)”，具體可分為以下3種分場景部署方案（見圖2）。

圖2 5G分場景部署方案示意圖

方案1：全域按需配置，即熱點場景采用64/32TR，中等容量場景廣域覆蓋采用16/8TR，低容量場景廣域覆蓋采用8/4TR。

方案2：在方案1基礎(chǔ)上，為降低網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃難度，按照覆蓋區(qū)域的總體容量大致選擇覆蓋方案，密集市區(qū)采用64/32TR，一般城區(qū)廣域覆蓋采用16/8TR，鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村廣域覆蓋采用8/4TR。

方案3：“1+1”多頻疊加配置，即以中低頻（sub 2.5 GHz）4TR 進(jìn)行全網(wǎng)廣域覆蓋，形成一張5G 基礎(chǔ)覆蓋網(wǎng)，以中高頻段（sub 2.5 GHz）作為5G 容量層，一二線城市采用64/32TR，其他城區(qū)廣域覆蓋場景采用16/8TR。

3 16TR/32TR基站系統(tǒng)對比分析

眾所周知，當(dāng)天線口饋入的總功率需求一定時，基站系統(tǒng)覆蓋范圍由天線增益決定；當(dāng)天線口饋入的總功率需求相同時，基站系統(tǒng)能耗差別由Radio 效率決定。

3.1 16TR/32TR天線陣列設(shè)計原理

16TR/32TR 基站系統(tǒng)配套天線陣列共有8 列，每列在垂直方向均有12 個輻射單元。16TR 每列天線在垂直方向通過機(jī)電移相器對每個輻射單元進(jìn)行獨立的連續(xù)相位調(diào)整，陣列間距設(shè)計自由度大，可以在0.55 λ～0.95 λ 范圍內(nèi)靈活選擇，找到增益和副瓣的最佳平衡點，根據(jù)過往成功的設(shè)計經(jīng)驗，最終輻射單元間距會選擇0.85 λ～0.95 λ。32TR 每列天線在垂直方向首先分為2 個子陣A，每個子陣A 有6 個輻射單元；再進(jìn)一步將每個子陣A 分為2個子陣B，每個子陣B有3個輻射單元；最后對每個子陣B 的3個輻射單元預(yù)置固定相位差。最終通過對每個子陣B 預(yù)置固定相位差，再聯(lián)合機(jī)電移相器對子陣B 按3 倍輻射單元間距調(diào)整相位及采用AAU對子陣A按6倍輻射單元間距進(jìn)行數(shù)字移相（數(shù)字加權(quán)），實現(xiàn)垂直方向上的電下傾角調(diào)整和波束掃描。因為電下傾角調(diào)整和數(shù)字掃描時的陣列間距分別達(dá)到了輻射單元間距的3 倍和6 倍，為平衡增益損失和副瓣干擾電平，輻射單元間距選擇了0.68 λ。

圖3給出了16TR和32TR垂直陣列原理圖。

圖3 16TR和32TR垂直陣列原理圖

3.2 基站系統(tǒng)增益和覆蓋范圍能力對比

16TR天線由于垂直陣列間距設(shè)計自由度高，每個輻射單元可獨立調(diào)整相位，可以獲得良好的增益和副瓣電平抑制。而32TR 由于子陣A 間距超過4 λ，在AAU 給予數(shù)字相位移相時，其垂直面方向圖的副瓣快速惡化，當(dāng)掃描范圍超過±0.5°時，副瓣電平已經(jīng)超出指標(biāo)要求，同時因副瓣過高占據(jù)太多能量，導(dǎo)致天線增益快速降低，達(dá)到無法使用的程度。

圖4給出了32TR（數(shù)字移相）天線垂直面方向圖。

圖4 32TR（數(shù)字移相）天線垂直面方向圖

為了彌補(bǔ)上述缺陷，在子陣A 內(nèi)聯(lián)合機(jī)電移相器對每個子陣B 進(jìn)行射頻移相，因機(jī)電移相的子陣B 間距仍超過2 λ，導(dǎo)致其在電下傾角調(diào)整過程中，副瓣電平抑制能力減弱，副瓣電平相比16TR 仍高5 dB，增益相比16TR低1 dB。

圖5 給出了16TR/32TR（數(shù)字移相+機(jī)電移相）天線垂直面方向圖。

圖5 16TR/32TR（數(shù)字移相+機(jī)電移相）天線垂直面方向圖

3.3 實時波束掃描和電下傾角可調(diào)范圍能力對比

16TR 和32TR 在水平方向的波束掃描能力相同。在垂直方向，16TR天線可以支持較大范圍內(nèi)的連續(xù)電下傾角調(diào)整；而32TR 天線只能支持±0.5°范圍內(nèi)的實時多波束數(shù)字掃描，超出該范圍時，副瓣電平抑制性能已超出網(wǎng)絡(luò)最低指標(biāo)要求，最終選擇聯(lián)合機(jī)電移相器進(jìn)行波束的電下傾角調(diào)整，因機(jī)電移相器調(diào)整時延為數(shù)秒級或數(shù)十秒級，導(dǎo)致其失去了實時3D波束掃描能力，但因其調(diào)整相位的子陣間距超過16TR 的2 倍，電下傾角可調(diào)范圍受限?？梢?，32TR 在實時3D 波束掃描功能上與16TR 無本質(zhì)區(qū)別，但電下傾角可調(diào)范圍反而更小。

3.4 基站系統(tǒng)能耗及成本對比

眾所周知，當(dāng)天線口饋入的總功率需求相同時，基站系統(tǒng)能耗差別主要由Radio 的效率決定，而Radio能耗效率主要取決于功放、射頻電路等部分，其中低功率的功放效率低于高功率功放效率，即在Radio 同等輸出功率下，基站系統(tǒng)的通道數(shù)越多，功放的效率越低，Radio 的能耗越大。經(jīng)測算，16TR 能耗比32TR下降12%以上，比64TR下降30%以上。

此外，基站系統(tǒng)的通道數(shù)越多，Radio所需功放、射頻電路設(shè)計及信號處理等方面越復(fù)雜，基站系統(tǒng)成本越高。據(jù)了解，16TR設(shè)備成本相比32TR會下降27%。

4 結(jié)束語

16/8/4TR 是廣域覆蓋場景主流配置，64T/32TR 是熱點場景的增強(qiáng)配置，而且16TR是一般城區(qū)廣域覆蓋場景最佳配置。32TR 實時3D 波束掃描能力局限在±0.5°的范圍內(nèi)，不具有實用價值，當(dāng)聯(lián)合機(jī)電移相器進(jìn)行移相時，功能上與16TR 無本質(zhì)區(qū)別；16TR 容量和水平面多波束能力足以滿足廣域覆蓋場景掃描要求，且相比32TR 來說增益提升1.0 dB，副瓣電平抑制性能改善5 dB，同時能耗降低12%，設(shè)備成本降低27%，電下傾角調(diào)整范圍更大。綜上，16TR 相比32TR 具有明顯的性價比優(yōu)勢。當(dāng)然，如采用中低頻4TR 和中高頻8TR 疊加組網(wǎng)，其覆蓋效果會優(yōu)于16TR 和32TR，通過載波聚合等技術(shù)，其容量性能也可能達(dá)到甚至超過16TR和32TR。