5G變頻拉遠(yuǎn)室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)方案研究

寧升亭，沙伯祥

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 廣東分公司，廣東 廣州 510623）

0 引 言

改革開放以來，中國(guó)發(fā)生了翻天覆地的變化，人們的物質(zhì)生活也得到了極大提高，各行各業(yè)都飛速發(fā)展。目前正式進(jìn)入了5G時(shí)代，其中室內(nèi)是5G網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用場(chǎng)景，室內(nèi)的業(yè)務(wù)占比越來越高。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，4G時(shí)代的70%業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)，而在5G時(shí)代這個(gè)比例將超過85%。在4G時(shí)代，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)使用場(chǎng)景主要還是集中于個(gè)人消費(fèi)者，如通過軟件瀏覽網(wǎng)頁(yè)、看電影、刷抖音、刷微博、刷微信、語(yǔ)音或視頻聊天等。5G網(wǎng)絡(luò)的到來會(huì)讓室內(nèi)應(yīng)用變得更加多樣化，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求也會(huì)更高，如4K直播、云、VR/AR、8K高清、智能制造、高清視頻監(jiān)控以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等，這些業(yè)務(wù)將主要發(fā)生在室內(nèi)[1]。體育館、大型商場(chǎng)、醫(yī)院、寫字樓以及交通樞紐等各種室內(nèi)熱點(diǎn)逐漸成為運(yùn)營(yíng)商部署5G網(wǎng)絡(luò)和發(fā)展5G業(yè)務(wù)的優(yōu)選場(chǎng)景。但在未來的5G應(yīng)用中，個(gè)人消費(fèi)者所占的比重不會(huì)太大，而涉及到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)級(jí)應(yīng)用才是最重要的部分，因此5G時(shí)代的室內(nèi)覆蓋將變得尤為重要。如果說4G時(shí)代的室內(nèi)分布系統(tǒng)主要滿足傳統(tǒng)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，那么隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，為了滿足5G新生的業(yè)務(wù)需求，室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)需要具備更高的性能，如支持100 Mb/s～1 Gb/s的用戶體驗(yàn)速率、毫秒級(jí)的端到端時(shí)延以及高精度的室內(nèi)定位等[2]。

1 傳統(tǒng)的室分系統(tǒng)解決方案

從2G時(shí)代開始，DAS系統(tǒng)是室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)建設(shè)的主要方案，因?yàn)槠渚哂行阅芊€(wěn)定、產(chǎn)業(yè)鏈成熟以及價(jià)格適中等特點(diǎn)，因此在2G和3G的時(shí)代深受運(yùn)營(yíng)商的喜愛。2G和3G時(shí)代的業(yè)務(wù)主要以通話業(yè)務(wù)為主，外加少量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，占比不高，因此大多數(shù)情況下，單路DAS就可以滿足需求。但是隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳統(tǒng)的DAS系統(tǒng)不斷受到挑戰(zhàn)，以往傳統(tǒng)的覆蓋方式已經(jīng)不能滿足需求，同時(shí)更多的天線、更高的頻段以及更多的業(yè)務(wù)應(yīng)用都對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求[3]。

目前根據(jù)工信部和運(yùn)營(yíng)商的頻段劃分來看，我國(guó)5G頻段主要包括700 MHz、2.6 GHz、3.5 GHz以及4.9 GHz等[4]。相比4G的室分主流頻段，5G室分主流頻段更高，傳播和穿透損耗大，難以通過室外覆蓋到室內(nèi)，同時(shí)5G室內(nèi)分布系統(tǒng)也會(huì)面臨建設(shè)規(guī)模大、成本高以及落地困難等因素，因此5G室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)的重要性也就更加突出[5]。

傳統(tǒng)的DAS建設(shè)方式存在很多的缺點(diǎn)，具體表現(xiàn)在工程建設(shè)難度大、工程造價(jià)高、節(jié)點(diǎn)多以及物業(yè)協(xié)調(diào)困難等。近年來，分布式皮飛站的建設(shè)方式也越來越火熱，其比同軸電纜（饋線）易于布放，遠(yuǎn)端單元可以直接放裝或外接天線，適用于覆蓋和容量需求均較大的重要室內(nèi)大型場(chǎng)景，但因其造價(jià)成本較高，因此應(yīng)用場(chǎng)景也受到很大限制。在5G的室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)中，迫切需要一種工程造價(jià)低、建設(shè)實(shí)施難度低且物業(yè)容易協(xié)調(diào)的建設(shè)方案。這種方案要盡可能利舊現(xiàn)有的DAS系統(tǒng)，既能節(jié)省建設(shè)成本，又能降低建設(shè)難度和物業(yè)協(xié)調(diào)難度。5G pRRU變頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)也就是在這個(gè)基礎(chǔ)上提出來的，為實(shí)現(xiàn)5G室內(nèi)低成本覆蓋，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院針對(duì)室內(nèi)改造場(chǎng)景研發(fā)了5G pRRU變頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)[6,7]。

2 5G pRRU變頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)

5G pRRU變頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)在原有單/雙路饋線DAS場(chǎng)景下，僅通過部署一個(gè)Pico RRU即可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)32層的大樓覆蓋。該方案可以盡可能利用現(xiàn)有的DAS系統(tǒng)，適用于低業(yè)務(wù)量的室分場(chǎng)景覆蓋。

2.1 試點(diǎn)方案技術(shù)原理

試點(diǎn)方案原理如圖1所示，該系統(tǒng)將5G射頻信號(hào)分別變頻至450～550 MHz，一個(gè)pRRU最多可帶4個(gè)近端機(jī)，支持所有主設(shè)備廠家的pRRU。近端機(jī)內(nèi)置雙路變頻器將5G信號(hào)分別變頻至450～550 MHz，內(nèi)置數(shù)字同步單元保證5G變頻實(shí)現(xiàn)上下行時(shí)隙轉(zhuǎn)換，內(nèi)置直流供電單元為遠(yuǎn)端機(jī)供電，此外內(nèi)置監(jiān)控單元（FSK）對(duì)接網(wǎng)管，監(jiān)控故障和功耗。

圖1 試點(diǎn)方案原理圖

一臺(tái)近端機(jī)最多帶8臺(tái)遠(yuǎn)端機(jī)，遠(yuǎn)端機(jī)內(nèi)置變頻器將中頻信號(hào)變頻至標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，內(nèi)置射頻放大模塊將pRRU信源信號(hào)放大至天線口，上行補(bǔ)償鏈路損耗，內(nèi)置底噪消除模塊用于1個(gè)近端機(jī)拖帶N個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)時(shí)的底噪消除。

該創(chuàng)新方案通過新增pRRU變頻拉遠(yuǎn)設(shè)備（近端機(jī)、遠(yuǎn)端機(jī)），在傳統(tǒng)單/雙路DAS場(chǎng)景下僅通過部署一個(gè)pRRU即可實(shí)現(xiàn)32層大廈室內(nèi)的5G覆蓋，通過降低主設(shè)備數(shù)量達(dá)到降低室分系統(tǒng)成本的目的。據(jù)此對(duì)深圳某大廈進(jìn)行了施工及測(cè)試，近端機(jī)輸入信源采用5G 4T4R pRRU，下行最大輸出功率為3±1.5 dBm，上行最大輸出功率為20±1.5 dBm，近端機(jī)與遠(yuǎn)端機(jī)之間采用4D-FB線纜進(jìn)行傳輸，體積小且成本低，遠(yuǎn)端機(jī)輸出信號(hào)通過功分器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)隔層的5G覆蓋，為后續(xù)pRRU變頻拉遠(yuǎn)疊加并柜技術(shù)的試點(diǎn)驗(yàn)證建立基礎(chǔ)，每通道的輸出功率為14～30 dBm，遠(yuǎn)端機(jī)通過合路器接入原有室分系統(tǒng)，頻點(diǎn)規(guī)劃為2 515～2 615 MHz，共100 MHz帶寬。

該方案僅需在豎井中安裝近端機(jī)和遠(yuǎn)端機(jī)，并用4D-FB饋線進(jìn)行連接即可，無需改動(dòng)平層天花板，降低了施工成本和施工難度。

2.2 測(cè)試情況分析

根據(jù)上述方案對(duì)5G DAS系統(tǒng)和pRRU變頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了SINR、上下行速率的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3以及圖4所示。

圖2 SINR測(cè)試結(jié)果

圖3 下行速率測(cè)試結(jié)果

圖4 上行速率測(cè)試結(jié)果

定點(diǎn)測(cè)試中，5G DAS系統(tǒng)近點(diǎn)/遠(yuǎn)點(diǎn)的SINR、平均下載速率以及平均上傳速率都優(yōu)于pRRU拉遠(yuǎn)系統(tǒng)。5G DAS系統(tǒng)中點(diǎn)的SINR、平均下載速率以及平均上傳速率劣于pRRU拉遠(yuǎn)系統(tǒng)。pRRU直連天線的SINR、下載速率以及上傳速率均優(yōu)于遠(yuǎn)端后直連天線指標(biāo)。

遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量與底噪對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。在遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量與底噪對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)試中，從1～4臺(tái)遠(yuǎn)端逐臺(tái)接入，每接入一臺(tái)遠(yuǎn)端后，4部終端同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。此時(shí)，后臺(tái)進(jìn)行小區(qū)干擾檢測(cè)跟蹤，每次跟蹤時(shí)間為5 min，跟蹤粒度為1 s，當(dāng)接入遠(yuǎn)端數(shù)量超過3臺(tái)時(shí)，平均底噪為-98 dBm。

圖5 遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量與底噪對(duì)應(yīng)關(guān)系分析圖

綜合上下行速率測(cè)試及底噪測(cè)試情況進(jìn)行分析，該系統(tǒng)近點(diǎn)上下行速率與pRRU直接接天線相比相差不大，中點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)尚有較大差距，原因是該系統(tǒng)同步模塊和算法的適配還未調(diào)整到最優(yōu)，后續(xù)還有提升空間。底噪測(cè)試方面，當(dāng)遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量為3臺(tái)以內(nèi)時(shí)，底噪抬升不大，遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量超過3臺(tái)時(shí)，平均底噪開始迅速增加。

2.3 項(xiàng)目效益分析

在造價(jià)分析方面，采用pRRU拉遠(yuǎn)方式、DAS合路方式以及皮基站方式進(jìn)行對(duì)比，共覆蓋大樓16層，覆蓋面積36 607 m2，其中皮基站方式作為對(duì)比核算，現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)未采用。

由表1及前面的測(cè)試對(duì)比分析可以看出，在覆蓋面積相同的情況下，皮基站新建方案具有良好的網(wǎng)絡(luò)性能，但工程造價(jià)高，平均為10.27元/m2，是pRRU變頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)投資的4倍，經(jīng)濟(jì)效益較差。傳統(tǒng)DAS合路方式工程造價(jià)為2.83元/m2，略高于pRRU變頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)，但建設(shè)難度較大，物業(yè)協(xié)調(diào)困難。對(duì)比所得，pRRU變頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)建設(shè)方案可以在減少物業(yè)協(xié)調(diào)和縮短建設(shè)工期的同時(shí)，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益[8,9]。

表1 各方案費(fèi)用對(duì)比分析表5G覆蓋方式

2.4 方案分析總結(jié)

采用5G pRRU變頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)，僅通過部署一個(gè)Pico RRU即可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)32層的大樓覆蓋，極大減少了主設(shè)備的數(shù)量，節(jié)省了建設(shè)成本，在一定程度上也緩解了生產(chǎn)商的供貨壓力。在傳統(tǒng)單/雙路DAS場(chǎng)景下，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)2G/3G/4G/5G多業(yè)務(wù)信號(hào)同時(shí)接入，即便在本系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，也能保證其他系統(tǒng)的正常覆蓋。本方案也有合路方案復(fù)雜等不足之處，傳統(tǒng)DAS合路只需要在4G RRU側(cè)疊加合路5G RRU，pRRU拉遠(yuǎn)方案則需要在每層弱電井?dāng)嚅_主干后才可完成合路，造成業(yè)務(wù)中斷，此外取電方案復(fù)雜且無法進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控等也是未來需要解決的問題[10]。

3 結(jié) 論

5G室分系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)在確實(shí)面臨非常大的挑戰(zhàn)，其主流頻段的傳播距離及穿墻性的限制決定了未來需要進(jìn)行大規(guī)模的建設(shè)，較高的建設(shè)成本也讓鐵塔公司和運(yùn)營(yíng)商面臨很大的壓力。5G pRRU變頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)是一種很好的解決方案，可以有效降低建設(shè)成本，另外在實(shí)際進(jìn)行部署的時(shí)候，還需要結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)的實(shí)際情況，因地制宜地選擇合適的方案進(jìn)行部署，同時(shí)還要加大共建共享的力度，以實(shí)現(xiàn)降本增效的目的。