4G/5G室分系統(tǒng)協(xié)同互補共建模式分析

謝 涵

（福建省郵電規(guī)劃設計院有限公司，福建 福州 350000）

關鍵字：5G覆蓋；室內分布系統(tǒng)；天饋

0 引 言

5G網(wǎng)絡作為移動通信領域的新技術，具有大帶寬、低時延、廣連接的特點。5G通信技術的發(fā)展，推動了諸多產(chǎn)業(yè)數(shù)字化研發(fā)、智能化制造、網(wǎng)絡化協(xié)同、個性化定制、服務化延伸、精益化管理等融合模式的發(fā)展。5G網(wǎng)絡從2019年開始大規(guī)模建設至今，已經(jīng)實現(xiàn)戶外的信號廣覆蓋。根據(jù)工業(yè)和信息化部數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至2022年7月底，我國已經(jīng)累計建成并開通的5G基站約有197萬個，5G移動電話用戶達到4.75億戶。我國已建成全球規(guī)模最大的5G網(wǎng)絡系統(tǒng)，已經(jīng)開通的5G基站約占全球5G基站總數(shù)的60%以上，登錄5G網(wǎng)絡的用戶占全球5G登網(wǎng)用戶的70%以上。目前，已建設的5G基站可滿足戶外用戶的基本使用需求，但是對于建筑內部的信號覆蓋質量，單純靠室外基站很難解決，運營商需要加快推進室內5G網(wǎng)絡建設。如超高清直播、高清視頻監(jiān)控、遠程醫(yī)療以及VR/AR等業(yè)務主要發(fā)生在室內場景，像醫(yī)院、體育館、交通樞紐、商業(yè)樓宇（商超、寫字樓）等室內熱點場景逐漸成為運營商和行業(yè)客戶部署5G網(wǎng)絡、發(fā)展5G業(yè)務的優(yōu)選場景。解決5G網(wǎng)絡室內信號覆蓋問題，是推動5G室內場景應用發(fā)展的關鍵。通過5G室內建設，消除室內信號盲區(qū)，改善室內信號質量，提升室內、室外網(wǎng)絡覆蓋，有助于產(chǎn)業(yè)應用普及與發(fā)展。

1 5G室分系統(tǒng)建設面臨的問題

5G網(wǎng)絡目前經(jīng)歷了4年建設，5G商用在基礎設施建設、應用場景、創(chuàng)新生態(tài)等方面取得突出發(fā)展成績，5G基站建設總數(shù)、5G終端用戶都有明顯增長。5G網(wǎng)絡建設成本較高，運營商5G用戶數(shù)量和流量增長目前還并未完全匹配。面對潛在巨大市場增長空間和高昂的5G投資建設成本壓力，如何實現(xiàn)低成本、高性能、高效率的5G深度覆蓋建設，成為運營商需要解決的問題。目前，5G建設的重點是室外基站部分，但是5G帶寬增加導致譜功率密度下降，使得室外站的深度覆蓋能力減弱，而4G室分系統(tǒng)站點的5G室分系統(tǒng)升級工作還未全面展開，如果新建5G室分系統(tǒng)，工期較長且施工建設成本較高，難以達到5G室內通信的快速部署。在現(xiàn)有的4G室分系統(tǒng)的基礎上，如何實現(xiàn)高效的5G室分系統(tǒng)建設，是本文探討的重點。

2 4G/5G室分系統(tǒng)協(xié)同互補共建模式

2.1 有源數(shù)字室分

2.1.1 有源數(shù)字室分的組網(wǎng)模式

有源室分系統(tǒng)的主要器件有基帶控制單元、無線接口匯聚單元以及微型射頻拉遠單元。組網(wǎng)結構如圖1所示?；鶐Э刂茊卧闹饕δ苡校杭泄芾碚麄€基站系統(tǒng)，完成上、下行數(shù)據(jù)基帶處理功能，并提供與射頻模塊通信的接口[1]。無線接口匯聚單元的主要功能有：接收基帶控制單元發(fā)送的下行基帶數(shù)據(jù)，經(jīng)過分路處理后傳給微型射頻拉遠單元，并將微型射頻拉遠單元的上行基帶數(shù)據(jù)合路處理后向基帶控制單元發(fā)送，實現(xiàn)與基帶控制單元的通信。微型射頻拉遠單元的主要功能有：發(fā)射通道從無線接口匯聚單元接收基帶信號，對基帶信號進行數(shù)模轉換，通過內置天線發(fā)射信號。接收通道從天線接收射頻信號，經(jīng)濾波放大后，通過模數(shù)轉換為基帶信號后發(fā)送給無線接口匯聚單元進行處理[2]。

圖1 有源室分系統(tǒng)組網(wǎng)結構簡圖

2.1.2 有源數(shù)字室分的優(yōu)劣勢

有源數(shù)字室分的網(wǎng)絡結構簡單，因此在工程建設上部署快速且方便。同時，微型射頻拉遠單元本身具備2T2R或者4T4R的特性，可以在后臺進行小區(qū)合并、分裂或者多設備合并組建Massive MIMO來靈活應對室內容量變化[3]。

基于上述優(yōu)勢，有源數(shù)字室分系統(tǒng)非常適合在高流高密類型場景中建設，類似的場景有高校、醫(yī)院及商場等。此類場景中，原有4G網(wǎng)絡室分建設通常是單路由天饋分布系統(tǒng)或4G有源數(shù)字室分系統(tǒng)。如果原有4G網(wǎng)絡室分系統(tǒng)是單路由天饋分布系統(tǒng)，5G室分系統(tǒng)建設可以直接利用，這種建設模式有工程速度快、建設便捷等優(yōu)點，但是單路由模式無法讓高質量、高需求用戶真正體驗到5G速度。在此情況下，針對高流高密類型場景，采用網(wǎng)絡結構簡單的5G有源數(shù)字室分系統(tǒng)，能夠保證工程速度，減少工程建設對原有環(huán)境的影響，還能讓用戶體驗多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）模式下的5G速度。如果原有4G網(wǎng)絡室分系統(tǒng)是4G有源數(shù)字室分系統(tǒng)，可以直接替換4G無線接口匯聚單元和微型射頻拉遠單元或新建一套5G有源數(shù)字室分[4]。有源數(shù)字室分系統(tǒng)性能極好，但是設備、軟件價格較高。在5G室分的建設中期，需要充分考慮建設成本與預期收益。

2.2 雙路無源室分

2.2.1 雙路無源室分的組網(wǎng)模式

雙路無源室分的主要器件有射頻拉遠單元、饋線、無源器件以及室內天線等，組網(wǎng)結構如圖2所示。射頻拉遠單元的主要功能有：基帶信號下行經(jīng)變頻、濾波，經(jīng)過射頻濾波、經(jīng)線性功率放大器后通過發(fā)送濾波傳至天饋。將收到的移動終端上行信號進濾波、低噪聲放大、射頻小信號放大濾波和下變頻，完成模數(shù)轉換和數(shù)字中頻處理。饋線以及無源器件主要有1/2饋線、7/8饋線、功分器、耦合器及電橋等。室內天線有吸頂天線和吸頂定向天線等。

圖2 雙路無源室分系統(tǒng)組網(wǎng)結構簡圖

2.2.2 雙路無源室分的優(yōu)劣勢

雙路無源室分可以快速實現(xiàn)5G室分覆蓋。這種建設模式是在原有單路由4G室分系統(tǒng)上同路由、同天線位置安裝一套新室內系統(tǒng)的建設模式，建設速度相比新建兩路模式在時間上縮短了一半。新舊兩套室分系統(tǒng)共同組建成雙路由的室分系統(tǒng)，可以提升5G用戶的使用體驗。雙路無源室分有2T2R的能力，非常適合在隔斷多且有一定流量熱度的場景建設。比如商務樓、辦公樓等，這類場景一般都已經(jīng)建設4G室分系統(tǒng)，如需建設5G室分系統(tǒng)，可以參考原有4G天線布局、饋線分布等情況增建一套室分系統(tǒng)，再采用5G的射頻拉遠單元進行合路處理[5]。

在舊有室分系統(tǒng)上新增一套室分系統(tǒng)存在一定難度。因為饋線、無源器件及室內天線等施工會產(chǎn)生較大噪聲，施工時間較長。在商務樓、辦公樓等場景施工時，施工人員需要與業(yè)主進行有效的溝通。

2.3 雙路耦合室分

2.3.1 雙路耦合室分的組網(wǎng)模式

雙路耦合室分的主要器件有無源雙路耦合器、射頻拉遠單元、饋線以及無源器件以及室內天線等，組網(wǎng)結構如圖3所示。雙路耦合技術通過無源雙路耦合器件實現(xiàn)，雙路耦合器為5端口器件。各端口連接方式為：兩輸入口接信源或上一樓層雙路耦合器，兩輸出口接下一樓層雙路耦合器或平層單路分布，耦合口接平層單路分布系統(tǒng)。

圖3 雙路耦合室分系統(tǒng)組網(wǎng)結構簡圖

2.3.2 雙路耦合室分的優(yōu)劣勢

5G室分系統(tǒng)在隔斷多且有一定流量熱度的場景如商務樓、辦公樓等場景建設，一般采用2T2R的模式。如果在已經(jīng)建設的4G室分系統(tǒng)上增加一套室分系統(tǒng)，存在破壞原有裝修的風險，而且工期較長?；诖?，可以考慮使用雙路耦合器。雙路耦合室分通過雙路主干傳送兩路信源信號，每個樓層設置一個雙路耦合器，利用該耦合器通過耦合合路方式將兩路耦合信號合路到各樓層的單路分布系統(tǒng)中。其中兩路信號經(jīng)過耦合器后耦合度相同，實現(xiàn)兩路信號的等比例合路。由于雙路耦合器內兩輸入端口及兩輸出端口設置了隔離端口，主干各級雙路耦合器兩路輸入信號以及兩路輸出信號相互隔離，兩路主干信號經(jīng)過雙路耦合器后仍相互獨立。兩路信號耦合到各樓層后，兩路信號到各樓層所經(jīng)過的器件和電纜的性能均不相同，各樓層間的信號相互正交。雙路耦合的室分方案只需對主干進行改造，工程量小、施工便捷、成本低。

在室分系統(tǒng)中增加的器件，每個端口都存在功率損耗問題。雙路耦合器也是如此。在一套雙路耦合室分系統(tǒng)中，每個樓層至少要增加一個雙路耦合器。樓層越多，雙路耦合器使用越多，功率損耗越大，對末端天線的電平輸出存在影響。

2.4 移頻MIMO室分

2.4.1 移頻MIMO室分的組網(wǎng)模式

5G移頻MIMO室分系統(tǒng)是一種在原有無源室分系統(tǒng)基礎上進行改造的解決方案。移頻MIMO室分的主要器件有信源、移頻管理單元、移頻覆蓋單元以及遠端供電單元，組網(wǎng)結構如圖4所示。信源主要有微型射頻拉遠單元和射頻拉遠單元。移頻管理單元的主要功能是將3.5 GHz頻段5G射頻信號變頻后，在現(xiàn)有室分無源信號分布系統(tǒng)內傳輸。移頻覆蓋單元的主要功能是將室分無源信號分布系統(tǒng)內的變頻信號恢復為3.5 GHz頻段5G信號，并與饋線上的原有分布系統(tǒng)上的射頻信號進行合路，通過內置天線發(fā)射。供電單元的主要功能是為移頻管理單元、移頻覆蓋單元提供-48 V直流供電。

圖4 移頻MIMO室分系統(tǒng)組網(wǎng)結構簡圖

2.4.2 移頻MIMO室分的優(yōu)劣勢

移頻MIMO室分系統(tǒng)通過3.5 GHz頻段5G信源移頻接入已有無源室分系統(tǒng)，維持原有的多頻合路器、功分器、耦合器及無源分布線纜不變。原有室分無源天線替換為遠端機，增加近端機以及供電走線，在單纜無源室分系統(tǒng)上實現(xiàn)3.5 GHz頻段5G室分系統(tǒng)的MIMO覆蓋。移頻MIMO室分系統(tǒng)同樣適合在隔斷多且有一定流量熱度的場景建設，建設方式對原有室分系統(tǒng)改造動較少，不用新增一套完整的室分系統(tǒng)，只需新增電源系統(tǒng)和替換原有天線，能讓舊有系統(tǒng)具備MIMO能力，具備比雙路由室分系統(tǒng)更快的建設速度。

移頻MIMO室分系統(tǒng)是有源系統(tǒng)，受到設備電源能力的限制，一個遠端供電單元只能供電40個移頻覆蓋單元。在天線數(shù)量較多的場景，需要在多處就近尋找接電位置，這會增加一定的安全風險。

3 方案對比總結表

根據(jù)上述有源數(shù)字室分、雙路無源室分、雙路耦合室分、移頻MIMO室分的組網(wǎng)模式以及在工程建設方面的優(yōu)劣勢進行方案對比，以便更直觀地進行方案選擇，對比表將從投資、建設周期方面進行描述，如表1所示。

表1 方案對比總結表

4 結 語

大規(guī)模5G網(wǎng)絡建設成本較高，本文提出了幾種4G/5G室分系統(tǒng)協(xié)同互補共建方案，分別從建設成本、建設難易程度以及建設周期等方面進行詳細剖析，向垂直行業(yè)客戶提供建設成本低且運營支出低的5G解決方案，對5G室分系統(tǒng)的高效建設有一定的參考意義。