基于錯層的5G傳統室內分布系統MIMO方案研究

［彭湘衡 吳組輝 楊一帆］

4G自2013年底正式商用，技術已趨于成熟，近年又出現許多更先進的技術，為滿足不斷增長的新業務和新應用需求，發揮新技術潛能，中國移動已規模開展5G室外宏站部署，目前已完成絕大多數城市城區室外2.6 GHz 5G基礎網絡搭建，預計接下來將有針對性地逐步推進5G室內分布系統覆蓋建設。5G室內分布系統主要有傳統DAS分布系統和分布式皮站數字化分布系統，由于現網已部署大量2/3/4G傳統DAS室內分布系統，因此5G通過直接合路現網DAS分布系統具備改造成本低、快速引入5G信號的優勢，但相比于分布式皮站的2/4流，傳統DAS分布系統在用戶速率上存在明顯的劣勢，難以滿足高速率場景業務需求。

基于錯層的室內分布系統MIMO方案是利用一個或多個RRU的不同通道進行聯合接收和發送，通過上下樓層間天線聯合傳輸利舊傳統DAS室內分布系統具備多天線收發的能力，實現傳統室分支持5G雙流或四流覆蓋的目的，低成本、快速提升5G用戶體驗速率。

兩種方案的對比如表1所示。

表1 傳統合路與錯層方案接入與效果對比

通過錯層方案可實現接近5G分布式皮站所達到的覆蓋效果，同時可充分利舊現網2G/3G/4G建設的已有室內分布系統實現5G性能最大化，最大限度地保護舊有投資，同時減少在新建分布式皮站的投入，縮短5G室內分布系統覆蓋項目建設周期。

1 方案原理

MIMO原理是發射端通過多個天線各自獨立發送信號，同時在接收端用多個天線接收，通過發送和接收多個空間流從而成倍提升用戶速率。如圖1所示，錯層覆蓋方案是針對原平層覆蓋方案進行錯層MIMO改造，通過奇偶樓層垂直面錯層覆蓋方案實現上下樓層間天線聯合傳輸的立體MIMO效果。

圖1 錯層室分方案原理圖

1.1 上下樓層信號差值分析

根據大量實踐經驗和數據總結，室內無線傳播模型如下：

室內傳播路徑損耗（dB）=32.34+20log（d/km）+20 log（f/MHz）+10＊n＊log（d/d0）+R，式中f為信號頻率，n為衰減因子，R為穿透損耗，指由于樓板、隔板、墻壁等引起的附加損耗，不同頻率、材質下傳播損耗如表2所示。根據上述分析，樓層地板穿透損耗約15～30 dB，終端離上下層天線距離傳播損耗差值約8 dB，理論上錯層覆蓋終端接收場強差值在20～35 dB左右。對于部分商場、辦公樓、廠房等場景樓層較為空曠，空曠區域終端接收本樓層及其他樓層的信號場強差異會更小，差異預計在10～15 dB左右，可以獲取更高的雙流/四流增益。

表2 不同材質下各頻段穿透損耗

1.2 雙通道不平衡下性能影響驗證

為驗證雙通道功率不平衡情況下MIMO能力進行過測試驗證，驗證雙通道功率差異分別在0～30 dBm下，終端平均接入的通道數（RANK），分別對錯層實現雙流和錯層實現四流方案進行了驗證。

如圖2，根據測試結果，隨著雙通道不平衡差異的增加，MIMO下RANK數量逐漸下降，錯層雙流方案下雙通道功率差異在25 dBm以下時基本RANK數保持為2，在30 dBm開始下降明顯；錯層四流方案下隨著雙通道功率逐漸差異加大，平均RANK逐漸下降，功率差異大于30 dB時，DAS雙流錯層實現四流方案已無明顯增益，四流MIMO無法實現，因此建議基于錯層的室內分布系統MIMO方案雙通道功率差異在30 dB以內。

2 基于錯層的室內分布系統MIMO實施方案

如圖3所示，錯層方案通過利舊原有4G單/雙流分布系統，簡單改造饋線連接方式，將奇偶樓層分布系統分別接入5G RRU信源不同通道，通過奇偶樓層錯層覆蓋產生雙流/四流增益。

圖2 雙通道不同功率差異下定點RANK測試

圖3 錯層室內分布系統改造示意圖

如圖4所示，利舊原有4G單/雙流分布系統可以通過兩種方式改造饋線連接方式，實現將原來傳統平層單/雙支路改為垂直面的隔層雙/四支路：

方式1：通過改造原有分布系統的垂直主干，將奇偶樓層的分支分別接入不同的通道實現垂直面的隔層雙/四支路，本方案改造所需物資極少（饋線、合路器等即可），工序簡單，改造成本低，由于需要對每個樓層的分支接入方式全部重新調整，對施工要求高，在饋線隱蔽較好的場景，施工難度較大。

方式2：原有分布系統保持不變，新建5G主干，將5G RRU不同通道分別隔層錯開合路到原有分布系統的奇偶樓層，實現垂直面的隔層雙/四支路，本方案需要新增5G主干及分支合路器，改造物資相對方式更多，施工難度相對更小。

圖4 錯層室內分布系統饋線改造實施圖

3 實施效果測試

為驗證不同指標下錯層覆蓋的提升效果，本次開展了試點測試，根據測試情況，錯層雙流相比傳統單流平均下載速率好、中、差點均有提升，好點提升58%，中點提升49%，差點提升23%；錯層四流相比傳統雙流平均下載速率好點提升33%，中點提升10%，差點提升8%，如圖5所示。

圖5 錯層室內分布系統定點下行速率測試

如圖6，在雙通道功率差異在0～25 dBm下，下載速率均有所提升；隨著雙通道不平衡差異的增加，下載速率逐漸下降，當差異大于30 dBm時，DAS雙流錯層實現四流已無明顯增益，DT下載速率已低于雙流速率，建議錯層部署下雙通道功率差異在30 dBm以內。

圖6 錯層室內分布系統不同功率差異下下行速率測試

4 實施成本分析

基于錯層的室內分布系統MIMO方案，在不改變原有組網結構的情況下，快速實現傳統單路DAS雙流、雙路DAS四流的效果，無需新增硬件，提升傳統DAS分布系統性能，保護原有分布系統投資。采用錯層方案實現室內覆蓋，即5G信源饋入傳統DAS室分系統外加實施隔層多通道聯合接收方案改造，改造單價約2.1萬/平米（含信源）；而新建5G分布式皮站的投資成本約16元/平米左右，錯層方案成本僅為新建皮站方案成本的1/8左右。錯層方案下好、中點用戶體驗速率也接近于5G皮基站，達到了較少的投資實現數字化室分系統的性能，實現最佳的投資收益比。

5 結束語

基于錯層的室內分布系統MIMO方案是基于傳統DAS系統實現5G室內分布系統網絡性能的提升，以最小的改造成本達到5G分布式皮基站的用戶速率水平，同時具備建設周期短、成本低等優勢，主要有以下特點：

（1）錯層室內分布系統在現有分布系統基礎上直接合路并作主干改造，獲取MIMO增益，無須重新布放另一套分布系統，建設周期快，相對于5G分布式基站，改造成本僅為1/8，改造成本低。

（2）本方案要求在同一小區下方可實現多通道聯合收發，僅提升用戶速率，不可增加小區容量，建議主要在中低流量場景使用，對高價值高流量的室分新建站點，建議仍采用分布式皮站的數字化分布系統建設方式。

（3）雙通道接收信號的差異會影響用戶上下行速率，建議控制在25 dB以內，因此建議在金屬天花、3層及以下樓宇、樓高超5米及樓層隔斷多的場景，不采用錯層覆蓋方式建設。