5G室內(nèi)覆蓋解決方案研究

劉軍濤，常廣亮

（河南省信息咨詢設(shè)計研究有限公司 第二設(shè)計分公司，河南 鄭州 450008）

0 引 言

隨著5G標(biāo)準(zhǔn)的陸續(xù)發(fā)布，加速了全球5G建設(shè)的進(jìn)程[1]。目前，我國已為運營商頒發(fā)5G實驗頻段。各運營商都在積極部署5G網(wǎng)絡(luò)，爭搶5G網(wǎng)絡(luò)制高點。

5G典型業(yè)務(wù)場景包括云VR/AR、車聯(lián)網(wǎng)、智能制造、智慧能源、無線醫(yī)療、無線家庭娛樂、聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)、社交網(wǎng)絡(luò)、個人AI輔助、智慧城市及室內(nèi)定位等[2]，其中70%的應(yīng)用和業(yè)務(wù)流量都發(fā)生在室內(nèi)，預(yù)計5G室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的流量需求比重將進(jìn)一步加大。因此，需加強(qiáng)5G的室內(nèi)覆蓋建設(shè)。

5G使用的頻譜資源頻段較高，主要承載在頻率較高的C-Band和毫米波頻段。頻段越高，電磁波穿透能力和繞射能力越差，室外基站覆蓋室內(nèi)越困難，因此5G室內(nèi)將出現(xiàn)大量弱覆蓋區(qū)域，室內(nèi)深度覆蓋需求量較大[3]。

1 5G室內(nèi)覆蓋需求定位

5G標(biāo)準(zhǔn)定義了5G的三大業(yè)務(wù)場景：增強(qiáng)型移動寬帶場景（eMBB）、低時延高可靠場景（URLLC）及低功耗大連接場景（mMTC）。三大場景在室內(nèi)應(yīng)用情況如表1所示。

5G室內(nèi)業(yè)務(wù)需求廣泛，室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)好壞直接影響用戶感知。因此5G室內(nèi)覆蓋能力將是三大運營商網(wǎng)絡(luò)最核心的競爭力。

2 室內(nèi)覆蓋指標(biāo)要求

5G初期室內(nèi)覆蓋主要考慮eMBB業(yè)務(wù)需求，滿足基本VR業(yè)務(wù)下行速率要求為100 Mb/s；室內(nèi)視頻業(yè)務(wù)至少應(yīng)滿足540 P，其上行速率要求為2 Mb/s，如表2所示。

表1 5G三大場景

表2 室內(nèi)應(yīng)用場景速率要求

VR/AR/高清視頻等5G大流量業(yè)務(wù)多發(fā)生在室內(nèi)場景，5G時代室內(nèi)流量需求會越來越高。當(dāng)4G室分系統(tǒng)難以滿足eMBB類高帶寬業(yè)務(wù)要求時，需進(jìn)行5G NR室分部署。

遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能制造及應(yīng)急救援等業(yè)務(wù)對可靠性和低時延提出了更高要求，即網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求99.999%的可靠性和1 ms時延。

室內(nèi)某些特定場景要求5G網(wǎng)絡(luò)提供平均1 m2一個連接的服務(wù)，相當(dāng)于每平方公里1 000 000個連接。室內(nèi)定位業(yè)務(wù)要求網(wǎng)絡(luò)具備1～3 m的室內(nèi)定位精度。

室內(nèi)覆蓋總體指標(biāo)如表3所示。

表3 5G室內(nèi)覆蓋指標(biāo)

3 室內(nèi)覆蓋建設(shè)方案分析

3.1 空間鏈路損耗

空間鏈路衰減因子模型：

其中，PL（d0）=32.44+20logd（km）+20logf（MHz），即1 m處自由空間傳播損耗；d為電磁波傳播距離；f為電磁波頻率；n為衰減因子，具體如表4所示。R為附加衰減因子，指由樓板、隔板及墻壁等引起的附加損耗。

表4 鏈路損耗衰減因子取值

我國頒發(fā)的5G試驗網(wǎng)頻段有2.6 GHz、3.5 GHz及4.9 GHz。以3.5 GHz頻率為例，不同材質(zhì)在各頻段電磁波的穿透損耗差異較大，如表5所示。

3.5 GHz和2.3 GHz室內(nèi)覆蓋空間損耗（按穿透損耗一堵磚墻估算），如表6所示?？臻g損耗差異約5.5 dB（含穿透損耗）。

表5 不同頻段不同墻體的穿透損耗

表6 3.5 GHz和2.3 GHz室內(nèi)覆蓋空間損耗

3.2 現(xiàn)網(wǎng)傳統(tǒng)室內(nèi)分布支持5G頻段情況

無源分布系統(tǒng)中的功分器、耦合器、合路器、饋線及天線等不支持5G頻段，系統(tǒng)改造技術(shù)不可行，成本高，且難實施。

對于合路器，現(xiàn)網(wǎng)的頻段合路器未設(shè)計3.5 GHz頻段，需更換。對于室分吸頂天線，現(xiàn)網(wǎng)常用的室分吸頂天線最高支持2.7 GHz，駐波實測數(shù)據(jù)在3.5 G頻段呈零散分布、無規(guī)律，指標(biāo)超標(biāo)。對于功分器、耦合器及電橋，現(xiàn)網(wǎng)無源器件產(chǎn)品各指標(biāo)在3.4～3.6 GHz不滿足指標(biāo)要求，甚至?xí)霈F(xiàn)器件失效的情況，如表7、表8及表9所示。

表7 3.4～3.6 GHz現(xiàn)網(wǎng)實測功分器損耗

表8 3.4～3.6 GHz現(xiàn)網(wǎng)實測3 dB電橋損耗

表9 3.4～3.6 GHz現(xiàn)網(wǎng)實測耦合器損耗

1/2饋線在3.5 GHz的傳輸損耗與2.3 GHz相比，增加3～4 dB/hm，損耗情況如表10所示。

表10 實測饋線損耗

通過分析可知，5G室內(nèi)覆蓋不能通過改造現(xiàn)網(wǎng)室內(nèi)分布系統(tǒng)來實現(xiàn)，同時新建無源分布系統(tǒng)將面臨損耗多、成本高的問題。

5G室內(nèi)覆蓋指標(biāo)要求網(wǎng)絡(luò)具有更高可靠性和更大容量。傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)無法監(jiān)測故障，無法及時處理故障，可靠性較低。傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)也無法靈活調(diào)度容量，無法滿足網(wǎng)絡(luò)大容量需求。

因此，5G室內(nèi)覆蓋需綜合考慮覆蓋指標(biāo)、頻率資源及多入多出（MIMO）等，采用全新的室內(nèi)覆蓋方案。

3.3 室內(nèi)數(shù)字化分布式基站系統(tǒng)

數(shù)字化分布式基站系統(tǒng)是最近常用的覆蓋方式，采用分布式三級架構(gòu)，由基帶單元、交換單元及射頻單元組成，如圖1所示。

圖1 數(shù)字化分布式基站系統(tǒng)組成圖

3.3.1 現(xiàn)網(wǎng)數(shù)字化分布式基站對5G頻率的支持情況

現(xiàn)有產(chǎn)品無法兼容；產(chǎn)品末端采用5類線傳輸，未來可能存在帶寬不足問題；不同設(shè)備廠商存在不兼容性。

3.3.2 分布式基站新建或改造支持5G頻率的難度

新增5G NR信源、新增或更換支持5G的交換單元及新增或更換支持5G的射頻單元，改造難度相對較小，如圖2所示。

目前，4G網(wǎng)絡(luò)的射頻單元和交換單元之間以網(wǎng)線部署為主，5G網(wǎng)絡(luò)需更換為CAT6A網(wǎng)線或光電復(fù)合纜，以支持更大的傳輸需求。MIMO實現(xiàn)為4×4 MIMO或更高。

3.3.3 5G室內(nèi)覆蓋建設(shè)方案比較

傳統(tǒng)室分系統(tǒng)部分器件不支持，容量擴(kuò)展低，建設(shè)改造難度大；數(shù)字化分布式基站支持較大容量，新建或者改造難度相對較低，施工難度較低，如表11所示。室外覆蓋室內(nèi)的建設(shè)方式可分為兩種類型，宏站和小基站、光纖分布系統(tǒng)。室內(nèi)蜂窩系統(tǒng)的建設(shè)方式采用分布式皮基站。

圖2 分布式基站新建或改造支持5G示意圖

表11 5G室內(nèi)覆蓋建設(shè)方案比較

對于5G室內(nèi)覆蓋問題，需采用高中低頻分層覆蓋策略，選擇數(shù)字化室內(nèi)分布式基站系統(tǒng)覆蓋方案，打造一套易于監(jiān)控、便宜維護(hù)、高可靠、大容量及高速率的5G網(wǎng)絡(luò)，并基于數(shù)字化平臺，實現(xiàn)智能運營。

4 結(jié) 論

5G室內(nèi)覆蓋初期主要部署于高價值、高流量場景，滿足競爭、業(yè)務(wù)演示及高速業(yè)務(wù)需求，以數(shù)字化分布式基站為主，新建或改造實現(xiàn)5G數(shù)字化分布式基站系統(tǒng)覆蓋。對于5G容量需求較高且范圍較大的場景，考慮直接新建5G數(shù)字化分布式基站系統(tǒng)。

結(jié)合建筑物場景特點和容量要求，還可采用靈活設(shè)計射頻數(shù)量和資源配置等方式滿足業(yè)務(wù)需求。