面向融合的5G 室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案研究

［何祥賢］

1 概述

5G 采用新無線技術(shù)、大規(guī)模天線技術(shù)、全頻譜接入、無線網(wǎng)新架構(gòu)等多種關(guān)鍵技術(shù)[1]，與傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)相比，5G 網(wǎng)絡(luò)在接入帶寬、網(wǎng)絡(luò)容量、聯(lián)接密度、網(wǎng)絡(luò)時延、能源效率、頻譜效率、可靠性等方面具有無可比擬的優(yōu)勢[2]。隨著5G 大規(guī)模建網(wǎng)的開展，5G 網(wǎng)絡(luò)已初具規(guī)模，無線網(wǎng)絡(luò)流量特別是5G 流量主要發(fā)生在室內(nèi)，5G 網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)也已全面開展。在2G/3G/4G 時期，已建設(shè)了大量的傳統(tǒng)無源室內(nèi)分布系統(tǒng)，充分利舊現(xiàn)網(wǎng)這些無源室內(nèi)分布系統(tǒng)資源，開展5G 室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)，可以大為降低物業(yè)協(xié)調(diào)、施工等難度，盤活現(xiàn)網(wǎng)資源，快速、低成本地推動5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。在國家提倡網(wǎng)絡(luò)建設(shè)共建共享、優(yōu)化資源利用的大背景下，5G 網(wǎng)絡(luò)特別是室內(nèi)分布系統(tǒng)的共建共享是5G 室分網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主流和方向。傳統(tǒng)無源室內(nèi)分布系統(tǒng)采用的器件通常只支持800～2 700 MHz頻段，而5G 全頻譜接入涉及頻率范圍廣，如中國移動5G室內(nèi)頻段為2.6 GHz、中國電信5G 室內(nèi)頻段為3.4 GHz、中國聯(lián)通5G 室內(nèi)頻段為3.5 GHz、中國廣電5G 室內(nèi)頻段為3.3 GHz 等，現(xiàn)網(wǎng)無源器件頻段難以全面支持，給利舊原2G/3G/4G 無源室分系統(tǒng)資源開展5G 室分的共建共享帶來困難。充分利舊原2G/3G/4G 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)資源實現(xiàn)低成本高效的5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果，是5G 室內(nèi)覆蓋面臨的共同難題，已成為各5G 網(wǎng)絡(luò)運營商研究的重要課題。

2 現(xiàn)有5G 室內(nèi)覆蓋方案及面臨挑戰(zhàn)

根據(jù)原2G/3G/4G 室分系統(tǒng)的無源器件支持頻段，中國移動的5G 2.6 GHz 頻段可以利舊原2G/3G/4G 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)，中國電信、聯(lián)通的5G室分頻段則無法直接饋入。在工業(yè)和信息化部同意了中國電信和中國聯(lián)通的2.1 GHz頻段重耕為5G 頻段后，利舊原2G/3G/4G 無源分布系統(tǒng)開展5G 網(wǎng)絡(luò)的多運營商共建共享成為了現(xiàn)實，但頻率重耕后的帶寬受限。

在2G/3G 時代，傳統(tǒng)無源室內(nèi)分布系統(tǒng)均為單流場景，隨著4G 的到來，才逐步出現(xiàn)雙流場景?？傮w上，傳統(tǒng)無源室內(nèi)分布系統(tǒng)大部分為單流場景，據(jù)統(tǒng)計占比在70%以上。為此，通過采用簡單合路的方式將5G 信號直接饋入原2G/3G/4G 無源室分系統(tǒng)的方式，則只能提供單流的5G 信號，網(wǎng)絡(luò)速率大為降低，影響用戶體驗感知效果，無法發(fā)揮5G 優(yōu)勢。

為了發(fā)揮5G 技術(shù)優(yōu)勢，提升5G 室分覆蓋效果，實現(xiàn)5G MIMO 功能，通常在原單流系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新建一路無源室分系統(tǒng)，構(gòu)建雙流分布系統(tǒng)。但新增一路無源分布系統(tǒng)的建設(shè)方案存在物業(yè)協(xié)調(diào)困難、入戶困難、施工困難等挑戰(zhàn)，實施受限[3]。

隨著有源室分系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，面向ARPU 值較高的應(yīng)用場景，需要高性能、大容量網(wǎng)絡(luò)覆蓋，采用新建5G 有源數(shù)字分布系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)無源室內(nèi)分布系統(tǒng)饋線部署困難、不支持MIMO等問題。該方案下，各運營商需要獨立布放各自的5G 數(shù)字光纖分布系統(tǒng)，無法實現(xiàn)共建共享，同時，在一個區(qū)域存在多套室分系統(tǒng)的情況，且整體造價較高。

在共建共享模式下，現(xiàn)有5G 室內(nèi)覆蓋方案存在諸多問題與挑戰(zhàn)。

3 面向融合的5G 室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案

5G 室分系統(tǒng)的共建共享可避免重復(fù)打擾、重復(fù)建設(shè)、降低建設(shè)成本、解決入戶困難等問題，充分利用現(xiàn)網(wǎng)無源室內(nèi)分布系統(tǒng)資源，有利于5G 室內(nèi)分布系統(tǒng)的快速建設(shè)，降本增效，推動5G 網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋[4]。運營商的多系統(tǒng)多制式共存，特別是5G 網(wǎng)絡(luò)頻段的范圍廣，原2G/3G/4G無源分布系統(tǒng)器件頻段無法支持，需要根據(jù)場景特點及現(xiàn)網(wǎng)資源情況，采用針對性的5G 室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案。

3.1 5G 移頻覆蓋技術(shù)方案

基于傳統(tǒng)2G/3G/4G 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)大部分為單流場景原因，且中國電信3.4 GHz、中國聯(lián)通3.5GHz 和中國廣電3.3 GHz 的5G 室分頻段較高，原2G/3G/4G 室分無源器件頻段不支持等背景，5G 室內(nèi)移頻覆蓋技術(shù)方案應(yīng)運而生。5G 室內(nèi)移頻覆蓋技術(shù)方案系統(tǒng)主要由移頻近端單元和移頻遠(yuǎn)端單元構(gòu)成，其中，移頻近端單元主要負(fù)責(zé)將5G 射頻信號進(jìn)行下變頻至移頻信號1.3 GHz 等中頻信號，適于傳統(tǒng)無源室內(nèi)分布系統(tǒng)傳輸?shù)念l率；移頻遠(yuǎn)端單元則主要負(fù)責(zé)將經(jīng)無源室內(nèi)分布系統(tǒng)傳輸過來的移頻信號還原成5G 射頻信號，并通過遠(yuǎn)端單元自帶的天線或外接天線完成區(qū)域信號覆蓋。同時，移頻遠(yuǎn)端單元將接收到施主信號進(jìn)行變頻處理后通過原2G/3G/4G 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)傳送至移頻近端單元；移頻遠(yuǎn)端單元供電方式主要包括通過現(xiàn)有饋線饋直流遠(yuǎn)供電、現(xiàn)場取電和POE 集中遠(yuǎn)供電等方式。5G 室內(nèi)移頻覆蓋技術(shù)方案系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G 室內(nèi)移頻覆蓋技術(shù)方案系統(tǒng)架構(gòu)圖

通過5G 室內(nèi)移頻覆蓋技術(shù)方案應(yīng)用，采用簡單現(xiàn)場改造，包括將原2G/3G/4G 無源天線更換成移頻遠(yuǎn)端單元等，即可充分利舊原無源室內(nèi)分布系統(tǒng)實現(xiàn)5G MIMO功能。通過移頻和遠(yuǎn)端單元，可以解決5G 中高頻信號2.6 GHz、3.5 GHz 在饋線中傳輸損耗過大的問題，與2G/3G/4G 等中低頻信號900 MHz、1 800 MHz、2.1 GHz等實現(xiàn)均衡覆蓋，提升5G 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和容量，節(jié)省投資，同時還可保護(hù)原2G/3G/4G 無源室分系統(tǒng)的投資。5G 移頻室內(nèi)覆蓋技術(shù)的實現(xiàn)，對現(xiàn)場天線的改造，需要物業(yè)協(xié)調(diào)。此外，天線一般散落在天花板內(nèi)，需要重新天花調(diào)整和給遠(yuǎn)端單元供電等，帶來較大工作量和施工困難，限制了其使用。該方案適用于改造便利、物業(yè)協(xié)調(diào)簡單的一些業(yè)務(wù)熱點區(qū)域場景。

3.2 局部增速覆蓋技術(shù)方案

5G 室內(nèi)移頻覆蓋技術(shù)方案需要對原2G/3G/4G 無源室分系統(tǒng)進(jìn)行改造，使用受限，局部增速室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案則可有效解決這些問題。局部增速室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案是在原2G/3G/4G 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對室內(nèi)某一局部業(yè)務(wù)需求熱點新增5G 增速裝置，如高ARPU 值區(qū)域，與原2G/3G/4G 無源室分天線協(xié)同，共同實現(xiàn)5G MIMO 功能，體現(xiàn)5G 高性能優(yōu)勢。5G 增速裝置包括近端單元和遠(yuǎn)端單元，近端單元主要負(fù)責(zé)將5G 射頻信號進(jìn)行變頻至適合在原2G/3G/4G 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)中傳輸?shù)念l率射頻信號，并進(jìn)行覆蓋；遠(yuǎn)端單元則主要負(fù)責(zé)無線接收變頻后的射頻信號，經(jīng)過處理還原成5G 射頻信號，并通過遠(yuǎn)端單元自帶的天線或外接天線完成5G 信號覆蓋，同時，遠(yuǎn)端單元將接收到施主信號進(jìn)行變頻處理后通過原2G/3G/4G 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)傳送至近端單元；遠(yuǎn)端單元供電方式主要包括通過現(xiàn)場取電或POE 遠(yuǎn)供電等方式。5G 局部增速室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 5G 局部增速室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案系統(tǒng)架構(gòu)圖

該方案設(shè)計、實施簡單，只需在5G 信源部分進(jìn)行簡單信號耦合和合路改造，無需對原2G/3G/4G 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)做調(diào)整，即插即用，安裝便捷，部署靈活，物業(yè)協(xié)調(diào)工作量小。通過5G 局部增速室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案實施，可快速實現(xiàn)局部/全部區(qū)域的5G MIMO 功能,實現(xiàn)差異化服務(wù)，投資少，投資可控，見效快，同時還可保護(hù)原2G/3G/4G 無源室分系統(tǒng)的投資；相對于新建一路傳統(tǒng)室分或采用數(shù)字室分覆蓋方案等，具有較大的成本優(yōu)勢。5G局部增速室內(nèi)覆蓋技術(shù)也存在一定的局限性，如需要一定的物業(yè)協(xié)調(diào)工作、覆蓋區(qū)域現(xiàn)場需要有遠(yuǎn)端單元的安裝位置、遠(yuǎn)端單元的供電問題等。

5G 局部增速室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案的主要應(yīng)用場景包括政府機關(guān)的辦公室、會議室，寫字樓的辦公區(qū)、會議室，高校的辦公樓、教學(xué)樓，酒店的大堂、會議室，工廠的辦公區(qū)，餐飲娛樂場所、醫(yī)院等。

3.3 錯層覆蓋技術(shù)方案

5G 室內(nèi)錯層覆蓋技術(shù)方案主要是充分利舊現(xiàn)場無源室分布系統(tǒng)，針對樓層的平層采用奇偶樓層錯層信號覆蓋，通過樓層間信號泄露方式，多通道聯(lián)合收發(fā)技術(shù)優(yōu)化算法，室分信源按需配置為2T2R 或4T4R，實現(xiàn)傳統(tǒng)無源室分單路雙流或雙路四流的目的，取得5G MIMO 的室內(nèi)分布覆蓋效果。5G 室內(nèi)錯層單路雙流覆蓋技術(shù)方案系統(tǒng)原理框圖如圖3 所示。

圖3 5G 室內(nèi)錯層單路雙流覆蓋技術(shù)方案系統(tǒng)框圖

錯層覆蓋技術(shù)無需對樓層平層無源分布系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，僅需對無源室分系統(tǒng)的主干部分進(jìn)行信源分配改造，施工簡單，建設(shè)改造成本低，可快速提升5G 室分容量，提升5G 用戶體驗。錯層覆蓋技術(shù)方案主干部分改造可根據(jù)樓層容量及覆蓋質(zhì)量需求，選擇功分器或耦合器進(jìn)行改造。錯層覆蓋技術(shù)的實現(xiàn)除對樓層的信號強度有要求外，對樓層的建筑結(jié)構(gòu)要求也較高，若樓層結(jié)構(gòu)對信號的衰減過大，容易導(dǎo)致主樓層與泄露層間的信號功率不平衡，難以實現(xiàn)MIMO 功能。該方案主要應(yīng)用在一些垂直方向結(jié)構(gòu)均勻分布的樓宇，如學(xué)生宿舍、員工宿舍等。

3.4 技術(shù)方案對比分析

基于原2G/3G/4G 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)融合的5G 室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案特點各異，適用于對5G MIMO 能力有不同需求的業(yè)務(wù)場景，現(xiàn)分別從建設(shè)、投資、覆蓋效果等不同維度對各室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案進(jìn)行性能特點對比分析，以供參考選擇。室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案性能特點對比分析如表1 所示。

表1 室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案性能特點對比分析表

4 結(jié)語

5G 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)萬物互聯(lián)，為各行各業(yè)創(chuàng)造新生態(tài)，AR/VR、4K/8K 超高清視頻、云游戲、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧工廠、智慧園區(qū)等典型應(yīng)用場景，需要發(fā)揮5G 網(wǎng)絡(luò)大帶寬、高速率、低時延等特性，對5G 網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋、質(zhì)量和容量等提出更高要求[5]。5G 移頻覆蓋技術(shù)方案、5G 錯層覆蓋技術(shù)方案、5G 局部增速覆蓋技術(shù)方案等新型室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案可充分利舊原2G/3G/4G 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)資源，實現(xiàn)5G MIMO 室分系統(tǒng)，提升5G 室內(nèi)覆蓋效果，助力用戶5G 體驗的提升，滿足高速率、大連接、大容量的不同場景需求。5G 室內(nèi)覆蓋技術(shù)方案的應(yīng)用，可根據(jù)業(yè)務(wù)場景需求，結(jié)合覆蓋區(qū)域無線環(huán)境的復(fù)雜程度、建設(shè)難易程度等，采用一種或多種覆蓋技術(shù)方案，進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃與設(shè)計，多系統(tǒng)、多方案融合，實現(xiàn)5G 室內(nèi)分布系統(tǒng)的低成本、高效和精準(zhǔn)覆蓋。