5G室分系統(tǒng)多通道聯(lián)合收發(fā)技術(shù)應(yīng)用研究

胡煜華，王群青，李 貝，王振華，沈文超（.中國聯(lián)通浙江分公司，浙江 杭州 3005；.中國聯(lián)通研究院，北京 00048）

1 概述

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，視頻電話、高清視頻流、互動游戲等大量應(yīng)用發(fā)生在室內(nèi)環(huán)境中，這些業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求較高，良好的室內(nèi)覆蓋成為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)。而現(xiàn)網(wǎng)存量DAS 室分大部分是單路系統(tǒng)，僅能支持單流，容量性能受限，難以滿足5G業(yè)務(wù)需求。由于樓宇已經(jīng)投入使用，增加分布系統(tǒng)困難較大。3.5 GHz NR 在現(xiàn)網(wǎng)中大量應(yīng)用，而隨著工信部發(fā)放2.1 GHz NR 頻率重耕許可，2.1 GHz NR 產(chǎn)業(yè)鏈也已成熟，對于室內(nèi)覆蓋，通過多頻段協(xié)同的多通道聯(lián)合收發(fā)技術(shù)可充分發(fā)揮不同頻段的特性和優(yōu)勢，以滿足5G賦能千行百業(yè)的需求。

2 5G室分建設(shè)現(xiàn)狀

在3.5 GHz 頻段，中國電信和中國聯(lián)通各有100 MHz 帶寬，在2.1 GHz 頻段中國電信和中國聯(lián)通各有40 MHz 帶寬可以用于5G 重耕。目前5G 室分建設(shè)方案主要有數(shù)字化室分和無源分布式天線系統(tǒng)（Distributed Antenna System，DAS）等，各方案特點(diǎn)如表1所示，業(yè)務(wù)承載方案需業(yè)務(wù)特性與網(wǎng)絡(luò)能力匹配，建議結(jié)合場景特點(diǎn)，綜合考慮容量、覆蓋面積等多個維度，選擇適合的解決方案。

表1 2種方案對比

無源DAS作為2G至4G時代室內(nèi)覆蓋的主要解決方案，在現(xiàn)網(wǎng)中被規(guī)模應(yīng)用，是低話務(wù)場景室內(nèi)覆蓋的重要手段。DAS 方案分為新建和改造2 類場景，存量DAS 室分無源器件和室分天線支持的頻段為800～2 700 MHz，不支持3.5 GHz頻段。充分利用2.1 GHz中頻段的優(yōu)勢，改造存量DAS 方案能低成本快速部署擴(kuò)大5G覆蓋。

3 多通道聯(lián)合收發(fā)技術(shù)原理

存量DAS 室分大部分是單路系統(tǒng)，將射頻拉遠(yuǎn)單元（radio remote unit，RRU）作為信源，在建筑物的每層布置若干個單通道天線，RRU 與建筑物每層的天線通過饋線連接，實(shí)現(xiàn)單通道室內(nèi)分布系統(tǒng)信號覆蓋，僅能支持單流，不能實(shí)現(xiàn)多輸入多輸出（multiple input multiple output，MIMO）技術(shù)以提升用戶上下行吞吐量，容量性能受限，難以滿足5G 業(yè)務(wù)需求。由于樓宇已經(jīng)投入使用，增加分布系統(tǒng)困難較大。

5G 多通道聯(lián)合收發(fā)方案通過自適應(yīng)碼本擇優(yōu)、自適應(yīng)多流、相位預(yù)設(shè)補(bǔ)償?shù)葎?chuàng)新技術(shù)，在多個通道鏈路不平衡的情況下實(shí)現(xiàn)較好的性能，對樓層間的多通道不平衡差異容忍最高可達(dá)30 dB。此時5G系統(tǒng)僅需考慮各路場強(qiáng)達(dá)到系統(tǒng)的上行解調(diào)場強(qiáng)，不需考慮各路功率差異性問題，在不改變傳統(tǒng)室分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，實(shí)現(xiàn)5G 室分快速開啟，極大提升傳統(tǒng)室分改造后的5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能，性價比高。

如圖1所示，以跨樓層單通道為例，把相鄰上下層天線視為一套雙路分布系統(tǒng)，采用雙通道RRU，每個樓層的終端設(shè)備可以通過雙通道RRU 的2 個通道與該RRU 傳輸信號，使得每個樓層的終端設(shè)備除了可以接收到本層單通道天線的信號外，還可以接到相鄰上層和相鄰下層的天線的穿透信號，從而達(dá)到通過對單通道室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)雙通道室內(nèi)分布系統(tǒng)的目的。支持5G多流，進(jìn)一步提升5G用戶感知。

圖1 多通道聯(lián)合收發(fā)示意

多通道聯(lián)合收發(fā)技術(shù)把分布式的多個傳輸收發(fā)節(jié)點(diǎn)（Transmission and Reception Point，TRP）聯(lián)合起來組成一個更大天線維度TRP，通過多天線分集增益來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能提升。對于2 流發(fā)射的TRP 來說，存在秩指示（Rank Indication，RI）最大為2 的情況，通過多個TRP 聯(lián)合組成的“大天線”，能夠充分利用空間多徑特性提升RI，在終端能力不受限的情況下突破最大RI。終端收到2 個TRP 的信號后，對信道響應(yīng)矩陣進(jìn)行奇異值分解（Singular value decomposition，SVD），可得4個特征向量，就是該信道矩陣的秩（Rank），信道秩指示可以選擇合適的空間流數(shù)進(jìn)行傳輸，以提高通信效率。4 個特征向量的取值相差越大，實(shí)現(xiàn)多流越難。4 個特征向量的取值和不同通道間的功率差相關(guān)，當(dāng)接收到的TRP 功率相差不是很大時，RI 的取值就可能大于2，從而實(shí)現(xiàn)下行超過2流的多流傳輸。

分組自適應(yīng)調(diào)制解碼（Adaptive Modulation and Coding，AMC）是通過在RANK 和調(diào)制與編碼方案（Modulation and Coding Scheme，MCS）中做試探性自適應(yīng)調(diào)整，包括不同功率的通道間做整體的流量平衡優(yōu)化，對于下行終端反饋RANK 虛高的場景，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)匹配RANK，提升調(diào)度MCS，在隔離度較高的場景下，顯著地提升下行流量。

自適應(yīng)碼本擇優(yōu)指2 臺2TR RRU 各自發(fā)送2 端口信道狀態(tài)信息參考信號（Channel State Information-Reference Signal，CSI-RS），實(shí)現(xiàn)聯(lián)合4 端口CSI-RS 發(fā)送，終端側(cè)收到4 端口CSI-RS 資源，從而獲得聯(lián)合預(yù)編碼矩陣標(biāo)識（Precoding Matrix Indicatior，PMI）構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)多碼本和CSI 端口的擴(kuò)展，提升碼本的信道匹配度，獲得賦形增益。在對應(yīng)擴(kuò)充的碼本集中做擇優(yōu)選擇算法，可提升信道適應(yīng)性，結(jié)合干擾抑制合并（Interference Rejection Combining，IRC）技術(shù)降低鄰區(qū)干擾，獲得超額增益。

相位預(yù)設(shè)校準(zhǔn)是指根據(jù)部署方案和信道長期監(jiān)控的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在基站側(cè)進(jìn)行相位預(yù)設(shè)校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)最大限度同步疊加信號，帶來增益提升，解決各個樓層饋纜長度和DAS 天線位置不可能做到完全同相疊加而帶來的系統(tǒng)性能損失的問題。

4 多通道聯(lián)合收發(fā)實(shí)施方案

現(xiàn)網(wǎng)DAS 室分無源器件支持2.1 GHz 頻譜，對于存量DAS 樓宇可利舊現(xiàn)網(wǎng)快速開通2.1 GHz 5G 室分覆蓋。多通道聯(lián)合收發(fā)適用于中低業(yè)務(wù)量的寫字樓、酒店、商場和醫(yī)院等場景，現(xiàn)網(wǎng)多通道聯(lián)合收發(fā)技術(shù)改造包括跨樓層和同樓層2種情況。開啟多通道聯(lián)合收發(fā)功能后，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果較差、多通道接收功率不平衡差異較大時，上、下行吞吐量的提升會受到限制，特殊樓宇如果地板穿損太大（超過30 dB，如金屬結(jié)構(gòu)）時難以獲得增益。

4.1 多通道聯(lián)合收發(fā)改造方案

圖2 所示為跨樓層方案，分為每層有單路分布系統(tǒng)或2 路分布系統(tǒng)2 種情況。RRU 通道錯層覆蓋，無線信號穿透樓板實(shí)現(xiàn)5G多流，雙通道RRU的第1端口與分布在建筑物編號為奇數(shù)的樓層中各個單通道天線通過第1 饋線連接，雙通道RRU 的第2 端口與分布在編號為偶數(shù)的樓層中的各個單通道天線通過第2饋線連接?？鐦菍臃桨竿ㄟ^對單通道室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)實(shí)現(xiàn)雙通道室內(nèi)分布系統(tǒng)。

圖2 跨樓層方案

圖3所示為同樓層方案，當(dāng)不同運(yùn)營商（例如中國電信和中國聯(lián)通）同樓層分別建有1套DAS系統(tǒng)，利舊雙方的已有系統(tǒng)開通5G 室分的時候，同樓層內(nèi)的2 套DAS系統(tǒng)多通道聯(lián)合收發(fā)。

圖3 同樓層方案

4.2 多通道聯(lián)合收發(fā)改造工程實(shí)施

5G 信源饋入現(xiàn)網(wǎng)室分系統(tǒng)，相鄰樓層用不同通道的NR 信號覆蓋，分為NR 二級末端合路和NR 始端合路（一級或二級合路）。

5G 信源二級末端合路方式如圖4 所示，在每個樓層二級合路，不改變現(xiàn)網(wǎng)DAS 拓?fù)?，新?.1 GHz NR主干路，平層使用合路器合路NR 信號。錯層分別連接到2.1 GHz NR RRU 的不同端口上，實(shí)現(xiàn)相鄰樓層由不同端口覆蓋，形成雙流或4 流增益。新建主干路增加器件和饋線較多。改造周期受限于新建DAS 施工時間及平層合路點(diǎn)是否與設(shè)計圖紙一致（一致則利于尋找和施工）。這種方式不改動現(xiàn)網(wǎng)饋纜，3G/4G 室分拓?fù)洳蛔?，但增加合路器較多。

圖4 二級末端合路

NR 信源始端合路方式如圖5 所示，不改變現(xiàn)網(wǎng)DAS 拓?fù)洌?G 單樓層支持1 流或2 流情況與現(xiàn)網(wǎng)DAS保持一致?？稍赗RU 兩端口覆蓋的相鄰樓層形成2流或4 流增益。工程改造簡單，僅需增加信源和合路器，可以快速實(shí)現(xiàn)5G部署。始端合路，合路器數(shù)目少，3G/4G也改造成相鄰樓層用RRU的不同通道覆蓋。

圖5 始端合路

5 效果驗(yàn)證

在某商場進(jìn)行部署驗(yàn)證，該區(qū)域共6 個RRU 覆蓋，RRU3/4/5/6 的通道1 覆蓋1F 和3F，通道2 覆蓋2F和4F；RRU7 的通道1 和通道2，分別覆蓋1F 和2F；RRU8 的通道1 和通道2 分別覆蓋3F 和4F；相鄰樓層3F 與4F 用不同通道的NR 信號覆蓋，實(shí)現(xiàn)多通道聯(lián)合收發(fā)技術(shù)。測試站點(diǎn)的RRU及樓層分布如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)站點(diǎn)分布圖

5.1 信號穿透損耗滿足需求

3 樓和4 樓采用不同的RRU 覆蓋，通過關(guān)閉RRU通道驗(yàn)證RSRP 的樓層穿透損耗。向下穿透損耗約為16 dB，向上穿透損耗約為11.5 dB，差異小于30 dB，滿足多通道聯(lián)合收發(fā)技術(shù)對多個通道鏈路不平衡門限的要求（見表2）。

表2 穿透損耗情況

5.2 上下行感知速率等指標(biāo)提升明顯

進(jìn)行多通道聯(lián)合收發(fā)改造后，跨層單流變雙流場景下，雙通道RRU 的第1 端口和第2 端口都開啟的情況與開啟1個端口的情況的對比如圖7所示，下行CQT定點(diǎn)速率增益翻倍，DT 測試速率增益超過75%，總體速率提升明顯。

圖7 部署前后感知對比

6 結(jié)束語

通過多通道聯(lián)合收發(fā)技術(shù)，對現(xiàn)有分布系統(tǒng)進(jìn)行少量改造升級后，實(shí)現(xiàn)多輸入多輸出以提升上下行吞吐量，該方案基于現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)，方案簡便，易于推廣，覆蓋和速率都有明顯提升，適用于中低容量需求場景，是低成本快速進(jìn)行5G室內(nèi)覆蓋的有效手段。