5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)信息覆蓋研究

代海剛

摘要：隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，移動(dòng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模與日俱增，5G移動(dòng)通信室內(nèi)覆蓋技術(shù)也出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域。5G時(shí)代的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)在人們的生活中非常重要，因此，進(jìn)一步加強(qiáng)5G室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的建設(shè)十分重要。基于此，文章的工作重點(diǎn)是研究5G室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)建設(shè)，旨在為相關(guān)人員提供一些支持和參考。

關(guān)鍵詞：5G；室內(nèi)覆蓋；系統(tǒng)；建設(shè)

中圖分類號(hào)：TN929文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，5G移動(dòng)通信室內(nèi)覆蓋技術(shù)的應(yīng)用和傳播逐漸擴(kuò)大，隨著5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，公共通信方式得到了一定程度的優(yōu)化。但是，我國在建設(shè)5G室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)方面還存在很多不足。在此基礎(chǔ)上，本文詳細(xì)分析了5G室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的建設(shè)，供相關(guān)人員交流和學(xué)習(xí)。

1 5G室內(nèi)覆蓋性能存在的關(guān)鍵問題分析

1.1 室內(nèi)外同頻干擾問題

5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)外組網(wǎng)采用2.6 GHz，會(huì)存在同頻干擾問題，尤其是室外宏站加載數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。為了避免出現(xiàn)這種情況，需要在建設(shè)室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)的初期就很好地考慮這個(gè)問題，并提出相應(yīng)的解決方案。目前，主要對策是采用4T4R分布式部署方式，減少同頻組網(wǎng)時(shí)對室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。經(jīng)測試該方案，在外部宏站不加載時(shí)，室內(nèi)下行速度可以達(dá)到600Mbit/s，而在外部宏站負(fù)載速度為50%時(shí)，室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)下行速度下降到450Mbit/s左右。從降低幅度上看，每降低10%，室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)下行速度降低30Mbit/s。由于室內(nèi)和室外存在層次差異，這也會(huì)影響室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的性能。電平差小于0 dB時(shí)，外宏站加載率為50%，嚴(yán)重影響室內(nèi)性能，可見比損超過40%；電平差0 dB～5 dB時(shí)，外宏站負(fù)載比為50%時(shí)，比損約30%；電平差為5 dB～10 dB時(shí)，損耗進(jìn)一步降低約20%；電平差為10 dB～15 dB時(shí)，速度損失約為10%。因此可以看出，室內(nèi)/室外階躍越大，室內(nèi)比損失越小。為提高室內(nèi)覆蓋性能，施工初期應(yīng)注意室內(nèi)外電平差的問題，室內(nèi)電平應(yīng)至少比室外電平高6 dB，室內(nèi)速率損失率應(yīng)控制在20%以下［1］。

1.2 傳統(tǒng)室內(nèi)系統(tǒng)的升級問題

現(xiàn)有室內(nèi)配電系統(tǒng)主要使用2.3 GHz工作頻段，升級后室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)使用2.6 GHz工作頻段，但是這兩個(gè)頻段的部分設(shè)備功能基本相同，沒有區(qū)別功率分配器、耦合器和天線插入損耗等特性。從理論上講，這些設(shè)備的使用對室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)性能的影響可以忽略不計(jì)，但本文測量了這些設(shè)備在不同頻段的增益。測量結(jié)果表明，不同之處在于，當(dāng)這些設(shè)備在2.6 GHz工作頻段與2.3 GHz頻段相比時(shí)，耦合器損耗增加了1.4 dB，1/2 饋線損耗增加了1.38 dB、7/8 饋線損耗增加0.9 dB，體積和空間損耗增加4.2 dB。從以上結(jié)果可以看出，在現(xiàn)有室內(nèi)配電系統(tǒng)的升級過程中，部分組件可能會(huì)降低室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，為保證升級后的室內(nèi)配電系統(tǒng)能夠達(dá)到之前的4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平，升級過程中RSRP必須至少達(dá)到105 dBm。

1.3 雙通道的平衡性問題

一旦部署了雙路室分系統(tǒng)，就可以直接升級5G系統(tǒng)。本文主要討論雙通道不平衡對分室系統(tǒng)升級的影響。當(dāng)兩個(gè)通道的電平差達(dá)到5 dB時(shí)，室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的速度性能下降約20%。隨著這個(gè)差值的不斷增大，室內(nèi)速率性能的損失變得嚴(yán)重，比如達(dá)到10 dB時(shí)，下降到30%左右，遠(yuǎn)距離的比損失變大，達(dá)到84.43%。因此，為保證室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能，兩個(gè)通道的電平差不能高于5 dB。此外，室外干擾對雙通道的性能也有顯著影響，進(jìn)一步加大了兩通道之間的電平差。因此，在房間分配系統(tǒng)升級過程中必須采取一定的措施，保證雙通道的平衡，為傳統(tǒng)房間分配系統(tǒng)升級奠定基礎(chǔ)。

2 5G室內(nèi)覆蓋需求分析及現(xiàn)狀

5G技術(shù)將越來越多地滲透到人類的生產(chǎn)、生活、娛樂和生活環(huán)境中，特別是在城市的主要交通道路、大學(xué)、車站、市場和住宅區(qū)。部分人口較多地區(qū)的主要網(wǎng)絡(luò)需求是室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，我國相關(guān)單位對這些地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)需求進(jìn)行了系統(tǒng)預(yù)測，從中不難看出5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)的重要性。我國相關(guān)研究人員迫切需要室內(nèi)容量和5G室內(nèi)覆蓋。DAS建設(shè)方式是我國傳統(tǒng)的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋建設(shè)方式，DAS也稱為分布式天線系統(tǒng)，如果將DAS建設(shè)方式應(yīng)用到現(xiàn)有的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋過程中，可以提供比較好的KPI和覆蓋范圍。隨著人類對當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求的增加，DAS方法已經(jīng)不能適應(yīng)人類對現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需求，DAS方法的弊端也逐漸顯露出來。在改進(jìn)室內(nèi)分布布局方式的過程中，需要在提高部署可靠性的同時(shí)盡可能減少部署投資。

3 5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋設(shè)計(jì)建設(shè)的原則

在設(shè)計(jì)5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋方式的過程中，需要注意設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方式的敏感性，但同時(shí)開發(fā)定制功能強(qiáng)、功能強(qiáng)大的移動(dòng)接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)也很重要。設(shè)計(jì)和建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋，只有開發(fā)出具有強(qiáng)大定制能力和強(qiáng)大可擴(kuò)展性的移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)，才能實(shí)現(xiàn)更靈活的部署和協(xié)調(diào)。由于在架構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程中要減少設(shè)備功能資源的消耗，所以在5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋架構(gòu)設(shè)計(jì)的全過程中也應(yīng)該貫徹以下3個(gè)主要原則。

3.1 堅(jiān)持彈性原則

在開展5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋建設(shè)過程中，要大膽尋求現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)方式的突破，引入先進(jìn)的信息技術(shù)，提高建設(shè)的可靠性，讓5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)適應(yīng)不同環(huán)境的要求。

3.2 遵循智能原則

5G室內(nèi)覆蓋技術(shù)秉承智能化的原則，可以實(shí)現(xiàn)承載設(shè)備與管理的分離。同時(shí)，業(yè)務(wù)側(cè)和管理側(cè)都可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的發(fā)言和擴(kuò)展，促進(jìn)其在網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境中進(jìn)行更有效的管理。

3.3 符合高效原則

在實(shí)施5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)全覆蓋設(shè)計(jì)的過程中，除了充分考慮網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本外，還需要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，盡量降低建設(shè)成本，所以在設(shè)計(jì)5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋過程中必須注意效率［2］。

4 5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋建設(shè)方案

4.1 以MDAS進(jìn)行室內(nèi)覆蓋

使用RRU實(shí)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋的產(chǎn)品以華為和中興為代表，其中華為品牌LampSitehe和中興QCeLL是最具代表性的產(chǎn)品。然而，這些電子設(shè)備中集成天線系統(tǒng)的功耗通常相對較低。一般來說，RRU的基礎(chǔ)設(shè)施可以分為3類：擴(kuò)展、連接單元和集成天線。但在RRU的情況下，產(chǎn)品的基站穩(wěn)定性明顯不足，需要借助其他設(shè)備，而借助其他設(shè)備提升產(chǎn)品的基站完整性。此外，通過RRU的室內(nèi)覆蓋服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)各種增值業(yè)務(wù)，增值業(yè)務(wù)的內(nèi)容包括多種形式。最常見的3種增值服務(wù)是利用智能挖掘和邊緣計(jì)算能力進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化狀態(tài)，使室內(nèi)導(dǎo)航設(shè)備能夠成功落地。

4.2 以MDAS進(jìn)行室內(nèi)覆蓋

MDAS系統(tǒng)主要利用射頻和數(shù)字光信息，將射頻和數(shù)字光信息相互轉(zhuǎn)換，然后利用光纖的功能，以覆蓋為單位傳輸光信息。光信息進(jìn)入覆蓋單元后，逐漸變成射頻信號(hào)，最后將射頻信號(hào)傳輸?shù)绞覂?nèi)子系統(tǒng)。在融合演進(jìn)過程中，首先要以MEU，MAU，MRU代替5G相關(guān)設(shè)備，在進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)時(shí)可以選擇光電復(fù)合電纜。對于LTE和MDAS系統(tǒng)，可以采用雙通道制式，而在5GNR技術(shù)的應(yīng)用中，也可以采用雙通道制式，既能發(fā)揮原有優(yōu)勢，又能實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比。

4.3 室外宏站覆蓋室內(nèi)

在正常情況下，頻率增加會(huì)增加信號(hào)衰減率，從而降低穿透性能?；?GNR頻率，頻率為2.6G時(shí)信號(hào)衰減率相對平緩。但是，當(dāng)頻段頻率達(dá)到4.9G和3.5 G時(shí)，信道衰減率變化明顯，穿透強(qiáng)度急劇下降，穿透只能穿透建筑物。如果建筑結(jié)構(gòu)比較簡單，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外覆蓋。然而，房子的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，越難以覆蓋室內(nèi)和室外。因此，必須制定一套完整的規(guī)劃，尤其是室內(nèi)覆蓋。對于一些特殊的應(yīng)用或者結(jié)構(gòu)比較簡單的建筑，宏站覆蓋可以提供相應(yīng)的便利，比如，原來的普通站址仍然可以使用，方便建設(shè)發(fā)展，不需要額外的物業(yè)等。同時(shí)，對于5G宏站，通常是64T64R。宏站覆蓋可以極大地體現(xiàn)中國移動(dòng)5G的優(yōu)勢，為終端用戶提供更多的增值服務(wù)。

4.4 SmallCell的演進(jìn)

作為SmallCell演進(jìn)的代表，F(xiàn)emtoCell在產(chǎn)品性能上與RRU非常相似，但在功能上還是有顯著差異的。在做RRU研究的時(shí)候，可以看到RRU和BBU之間有很多相關(guān)性。對于SmallCell產(chǎn)品來說，基站的完整性是相當(dāng)高的，同時(shí)使用固網(wǎng)寬帶能力可以讓SmallCell產(chǎn)品實(shí)時(shí)連接到核心網(wǎng)，這個(gè)架構(gòu)是AP和AC架構(gòu)，SmallCell也是兩層模型。FemtoCell產(chǎn)品的發(fā)射功率相對較低，更利于家庭場景和較小的業(yè)務(wù)覆蓋。FemtoCell產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)幾十米距離內(nèi)的全覆蓋，而服務(wù)人員限制在15人以內(nèi)。PicoCell1產(chǎn)品更方便全面覆蓋大型企業(yè)的使用場景，覆蓋范圍數(shù)百米，服務(wù)人員可超過65人，PicoCell1產(chǎn)品也有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式，2V～5V是發(fā)射功率范圍［3］。

5 室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)

室內(nèi)覆蓋的特點(diǎn)：首先，高容量。在辦公區(qū)、機(jī)場大堂、高鐵候車廳等人口密集區(qū)域，移動(dòng)終端的高密度和對數(shù)據(jù)流量的高需求，需要針對這些場景單獨(dú)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)容量。其次，室內(nèi)區(qū)域弱場。由于建筑結(jié)構(gòu)和自身材料的性質(zhì)，穿透建筑墻體導(dǎo)致信號(hào)電平模糊，形成信號(hào)弱區(qū)或盲區(qū)。最后，信號(hào)質(zhì)量差。高層建筑和高鐵隧道的空間信號(hào)不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)乒乓效應(yīng)和多普勒效應(yīng)，語音質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較差。此外，頻繁的小區(qū)切換容易造成掉話現(xiàn)象。室內(nèi)分配系統(tǒng)由信號(hào)源和分配系統(tǒng)兩部分組成。分配系統(tǒng)將來自室外的信號(hào)合理分配到室內(nèi)覆蓋區(qū)域，一個(gè)好的室內(nèi)分配系統(tǒng)應(yīng)該覆蓋該區(qū)域并且不干擾其他區(qū)域。從運(yùn)營商的角度來看，室內(nèi)分布系統(tǒng)在選擇室內(nèi)覆蓋方案時(shí)也會(huì)綜合考慮覆蓋指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)維難度等維度。

6 5G室內(nèi)分布系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)

6.1 5G圓錐形雙極化室內(nèi)全向吸頂天線

在5G錐形雙極化室內(nèi)全向吸頂天線設(shè)計(jì)中，垂直極化采用非對稱有限長度雙錐形天線。水平極化采用半對稱振子作為陣元，形成圓環(huán)陣列。匹配高頻和中頻兩個(gè)圓環(huán)陣列的設(shè)計(jì)方案，串聯(lián)后再并聯(lián)。足夠的帶寬，駐波和圓度都很好。由于難以實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足超寬帶、小型化和低成本要求的水平極化天線，水平極化僅支持1 880MHz～3 700MHz頻段，天線尺寸小于200mm×140mm。在5G錐形雙極化室內(nèi)全向吸頂天線的仿真結(jié)果中，垂直極化低頻段、中頻段和高頻段增益分別為≥2dBi，≥3dBi，≥3.5dBi（功率增益單位），圓度分別為≤2dB（90°輻射角），≤2.5dB（60°輻射角），≤3dB（60°輻射角）；水平極化中頻段、高頻段增益分別為≥3dBi，≥3dBi，圓度分別為≤2.5dB（60°輻射角），≤3dB（60°輻射角）。

6.2 以滿足高性能的圖形渲染及處理技術(shù)應(yīng)用

室內(nèi)設(shè)計(jì)是一個(gè)需要大量圖形和圖像處理的行業(yè)，尤其是圖形渲染和效果處理，需要大量的內(nèi)存，但是隨著5G信息技術(shù)時(shí)代計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷發(fā)展，渲染圖的時(shí)間越來越長也很容易制作。多種圖形處理軟件功能，例如，多維模型、濾鏡、顏色渲染、元素匹配、場景工具和其他功能，可用于執(zhí)行各種任務(wù)。在圖形渲染和處理上，照片的分辨率和精度會(huì)大大提高，信息技術(shù)在5G時(shí)代的作用會(huì)更大，尤其是4K視頻成為主流。對于室內(nèi)設(shè)計(jì)而言，細(xì)節(jié)的把握和精準(zhǔn)度的掌控是成功的關(guān)鍵。

6.3 有源室內(nèi)系統(tǒng)

有源室內(nèi)系統(tǒng)是一種新型的室內(nèi)子系統(tǒng)，通過光纖和五類電纜傳輸和分配基帶信號(hào)，具有部署簡單、配置靈活、維護(hù)方便等特點(diǎn)。有源室內(nèi)系統(tǒng)通常也稱為毫瓦級分布式微微基站，分布式微微基站采用分布式架構(gòu)，通常由3個(gè)部分組成：基帶單元（BBU）、擴(kuò)展單元（RHUB）和遠(yuǎn)端單元（PRRU）?；鶐卧蛿U(kuò)展單元通過光纖連接，擴(kuò)展單元和遠(yuǎn)端單元通過網(wǎng)線或光電復(fù)查連接。BBU是基帶處理單元，負(fù)責(zé)整個(gè)基站系統(tǒng)的控制和管理，通常放置在樓宇通信機(jī)房內(nèi)，應(yīng)配備空調(diào)、環(huán)境監(jiān)測等設(shè)備；RHUB是一種射頻遠(yuǎn)程CPRI數(shù)據(jù)聚合器，可實(shí)現(xiàn)基帶設(shè)備和遠(yuǎn)程設(shè)備之間的通信，擴(kuò)展通常分布在樓層的每一層，并安裝在機(jī)房或弱電井中；PRRU是實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)處理功能的遠(yuǎn)程射頻設(shè)備，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況安裝在樓層的各個(gè)區(qū)域。與傳統(tǒng)的室內(nèi)配電相比，分布式微微基站具有布局靈活、用戶識(shí)別度好、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具體如下：第一，覆蓋力強(qiáng)，用戶體驗(yàn)好。有源分布系統(tǒng)遠(yuǎn)端設(shè)備集成內(nèi)置天線，實(shí)現(xiàn)多頻多模同時(shí)部署，單臺(tái)設(shè)備支持MIMO，速度大幅提升，用戶體驗(yàn)好。第二，靈活的產(chǎn)能調(diào)度。根據(jù)有源分布系統(tǒng)的性質(zhì)，一個(gè)小區(qū)可能包含單個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程天線單元。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)樓宇的容量需求以及廠商設(shè)備支持的小區(qū)拆分和合并能力，靈活地進(jìn)行小區(qū)規(guī)劃。第三，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便。光纖/網(wǎng)絡(luò)布線，設(shè)備美化，比功分器、耦合器等無源器件配置更簡單，單設(shè)備PRRU比天線覆蓋半徑更大，設(shè)備點(diǎn)數(shù)更少。第四，可視化運(yùn)維、網(wǎng)絡(luò)管控。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中不斷出現(xiàn)各種問題或錯(cuò)誤，需要精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，以確保良好的用戶意識(shí)和高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，全方位的系統(tǒng)監(jiān)控可以快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和設(shè)備故障，從而進(jìn)行運(yùn)維。第五，可以平滑升級。新系統(tǒng)可受益于現(xiàn)有系統(tǒng)，通過更換設(shè)備可將網(wǎng)絡(luò)無縫升級至5G，部署簡單快捷。

6.4 5GPIFA型雙極化室內(nèi)全向吸頂天線圓度影響測試

由于輻射元件的不對稱性，5GPIFA雙極化室內(nèi)全向吸頂天線的圓度很差，在技術(shù)指標(biāo)上一般沒有要求。5GPIFA雙極化室內(nèi)全向吸頂天線的覆蓋性能與5G錐形雙極化室內(nèi)全向吸頂天線相同，說明在多分區(qū)辦公樓環(huán)境中障礙物較多，傳播路徑復(fù)雜。由于偏振偏轉(zhuǎn)、散射和衍射的影響，圓形指數(shù)對覆蓋率影響不大。為驗(yàn)證5GPIFA雙極化室內(nèi)全向吸頂天線水平方位對覆蓋性能的影響，在測試地板上選擇一個(gè)測試區(qū)域進(jìn)行穿越測試，并在測試天線點(diǎn)與測試天線之間放置一定距離觀點(diǎn)。測試過程中，關(guān)閉另一層的信號(hào)源或分支電路，只留下測試層房間內(nèi)的分支信號(hào)開路，斷開測試層另一根天線與負(fù)載的連接，只保持測試天線開路。

7 結(jié)語

隨著技術(shù)的進(jìn)步，5G網(wǎng)絡(luò)將支持更多的業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景，例如，高帶寬低時(shí)延的eMBB業(yè)務(wù)以及超可靠、超低時(shí)延的URLLC業(yè)務(wù)。未來將是5G時(shí)代，但考慮到投資、運(yùn)維、投資回報(bào)等問題，需要逐步推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，因地制宜選擇室內(nèi)覆蓋方案發(fā)展5G室內(nèi)業(yè)務(wù)。5G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者面臨的網(wǎng)絡(luò)安全形勢更加復(fù)雜，必須按照科學(xué)合理的技術(shù)手段和方法進(jìn)行工程建設(shè)。通過以上分析可以看出，分布式RRU存在一定的局限性，LTE和MDAS的網(wǎng)絡(luò)層采用雙通道方式，5GNR領(lǐng)域仍然采用雙通道方式。中國移動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢可以通過利用宏站覆蓋來體現(xiàn)。以SmallCell網(wǎng)絡(luò)為例，由于SmallCell的系統(tǒng)架構(gòu)比較簡單，建設(shè)所需的投資較小，期望本文對相關(guān)研究人員有一定的參考價(jià)值。

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（編輯 傅金睿）