綿陽市科技城的5G室內覆蓋方案分析

廉凱

（天津宏建工程設計咨詢有限公司）

1 國家及相關部門關于5G的政策

2016年12 月，國務院印發《“十三五”國家信息化規劃》，提出“到2020年，5G技術研發和標準制定取得突破性進展并啟動商用”的發展目標[1]。

2016年12 月，工信部發布《信息通信行業發展規劃2016-2020》，提出支持5G標準研究和技術試驗，推進5G頻譜規劃，啟動5G商用[2]。

2019年5 G應用從移動互聯網走向工業互聯網，國家政策對5G的重視度不斷上升。2020年中央政治局會議、國務院常務會議等會議和相關文件多次強調“加快5G商用步伐”。

為深入貫徹落實習近平總書記關于推動5G網絡加快發展的重要講話精神，全力推進5G網絡建設、應用推廣、技術發展和安全保障，充分發揮5G新型基礎設施的規模效應和帶動作用。工信部發出通知，包括加快5G網絡建設部署、豐富5G技術應用場景、持續加大5G技術研發力度、著力構建5G安全保障體系和加強組織實施[3]。

根據工信部“2020年通信業統計公報”統計，2020年5G網絡建設穩步推進，新建5G基站超60萬個，全部已開通5G基站超過71.8萬個，其中中國電信和中國聯通共建共享5G基站超33萬個，5G網絡已覆蓋全國地級以上城市及重點縣市[4]。

2 建設5G室內分布系統的意義

隨著我國移動互聯網的不斷發展，連接到移動網絡中的設備數量也有所增加，這就導致移動數據的流量需求呈逐年上升的趨勢。

5G技術是為應對三大通信場景（eMBB、mMTC、URLLCD）提出的實現方案。其三大技術特點是高速率、大容量和低時延。5G的高速率目標是10Gb/s，相當于4G網絡理論峰值速率150Mb/s的68倍；國產5G技術可達到每km2連接至少100萬個物體；1ms往返行程時延，相當于4G往返時間（10ms）的十分之一。

由于5G網絡工作在C頻段和毫米波頻段，鏈路損耗更高，致使5G室外基站覆蓋室內弱場區域相當困難[5]。5G信號僅能穿透最多一堵墻[6]。另外，4G時代，大部分的業務發生在室內場景；5G時代，室內場景將依然是業務發生的主要場景。物聯網業務的崛起，室內的無線業務終端帶來海量的連接數需求[7]。因此5G網絡的室內覆蓋深度是提升5G用戶體驗的必要條件。

3 國內外5G應用進展

行業應用是5G產業發展的重點，各國發布多項政策以加速5G融合應用的創新發展。韓國在積極探索智能工廠、智能城市、5G醫療、自動駕駛、智慧交通、文化產業、機器人、城市公共安全和應急等領域的創新。歐洲的運營商在積極開展工業互聯網、醫療健康、智慧交通、娛樂媒體等多領域的5G行業應用試驗。美國的運營商在工業互聯網、醫療、車聯網、智慧城市等領域開展應用試驗，包括基于AR/VR的員工培訓及定位、遠程診斷和緊急救助。日本的應用包括面部識別、遠程醫療、智慧農業、災難響應、智慧安防等[8]。

中國在政府和產業的共同推動下，5G融合應用正在從試點示范逐漸向商業化發展，運營商和行業企業主導的5G應用方案已超過1000個，高清視頻、醫療健康、智能制造、智慧交通等領域5G應用已進入初步落地階段。日前產業界正在積極探索5G+金融應用場景，包括新型5G金融終端、5G服務機器人等產品。新興的智慧能源也通過深度融合云計算、大數據、物聯網、移動互聯網等先進技術，構建安全、可靠的能源管控系統，促進資源集約利用，滿足用戶對市電、光伏、儲能、風電、燃氣和水等多種能源需求。智慧能源在引發能源革命、促進能源產業變革、促進建筑節能等方面有促進作用。

4 國內5G頻譜分配

2018年11 月，工信部向三大運營商及中國廣電分配了5G頻譜。分配情況如圖1所示。

圖1 5G頻譜分配圖

5 5G室內覆蓋面臨的挑戰

5.1 頻率選擇

以中國移動為例，中國移動5G頻段包括2.6GHz和4.9GHz[9]。如果室內和室外選擇低頻頻段，那么在建筑邊緣區域會產生同頻干擾。如果室內采用高頻頻段，那么鏈路損耗會加大，增大了室內覆蓋天線的密度，增加了室內覆蓋的成本。

5.2 穿透性差

相較4G網絡，5G信號的頻段更高，穿透性更差，室內覆蓋需要精細化設計，否則很容易產生弱場，達不到信號覆蓋及服務質量要求。

5.3 兼容性差

傳統無源器件支持800M～2.7GHz工作頻段，無法適配3.5GHz的5G信號。

5.4 建設成本高

相比4G，5G室分設備在工作頻段、載波帶寬、通道數量和發射功率方面均有大幅提升，需要部署更多的有源設備（pRRU），成本高昂。

5.5 室內深度覆蓋差異化

大部分垂直行業應用將會發生在室內環境，對于室內專網將提出差異化需求，包括低時延、高上行、高可靠及室內定位等，在該差異化要求下，對于5G的室內覆蓋又提出了全新要求。

5.6 運維管理要求高

目前，國內運營商已形成從2G到5G的四代網絡共存的狀況，網絡結構復雜，維護難度大。同時，5G時代的網絡切片、EMC、邊緣計算等新能力對網絡資源的精細化管理提出更高要求。

6 與傳統室內覆蓋系統的差異

傳統室內分布系統主要由饋線、天線以及器件構成，經過長時間的發展，技術已經趨于成熟，具有成本低和故障率低的特點。同時，還可以通過前端合路的方式共用天饋系統。隨著5G技術的不斷發展，傳統室分系統的缺點也很明顯，包括工程量相對較大，施工周期長[10]；出現故障點，一般需要人工排查，故障解決時間較長[10]；傳統室分系統器件僅支持800M～2.7GHz工作頻段，不支持3.5GHz等高頻段[11]。

7 5G室內建設方案

目前根據覆蓋場景不同，5G室內覆蓋可分為四大類：室外覆蓋室內方案；無源室分方案；有源室分方案；有源無源融合覆蓋方案。

1）室外覆蓋室內方案

通過新建室外基站覆蓋室內弱場，該方案僅適用于中低頻段且建筑物面積小，內部開闊，穿透損耗較小的場景。受限于路徑損耗，該方案無法滿足5G深度覆蓋要求。

2）無源室分方案

通過利用既有傳統室分系統，實現5G覆蓋。但在升級改造中存在諸多問題：器件不支持高頻段；需二次施工，更換無源天線、RRU等設備。

3）有源室分方案

5G有源室分覆蓋具有高容量、部署快、運維便利等優點。采用BBU、HUB和pRRU三級架構。其中，BBU部署于機房內；HUB部署于弱電井或配線間；pRRU部署于樓道和房間內，內置天線。有源系統克服了傳統室分系統的弊端，避免了無線信號在大量無源器件中傳播的功率損耗，直接在遠端單元發射出高功率的多路信號，能給用戶帶來超高的業務體驗。

有源室分系統在多隔斷室內場景的局限性：在開闊的室內場景，如體育館、機場、會展中心、大型交通樞紐等區域，一個遠端單元就可以覆蓋很大區域，在提高用戶體驗的同時，也節約了系統建設的成本。但是，在多隔斷的場景，如寫字樓、酒店等，單個遠端單元覆蓋的區域就比較小，需要更多的遠端單元才可以完整覆蓋室內。有源設備的功率被白白耗費在了墻體損耗中。遠端單元的綜合造價比無源系統的天線高很多，因此，在多隔斷場景中有源室分系統造價會大幅度提升。

4）有源無源融合覆蓋方案

融合方案就是在有源室分的基礎上，在pRRU末端外接無源室分天線[1]。該方案基于多隔斷場景中有源室分方案的局限性提出，是有源系統遠端單元外接無源系統末端天線對無線信號進行擴展的融合覆蓋方案。該方案結合了無源室分的低成本、低功耗、易于擴展等優勢，以及有源室分彈性擴容的優勢，同時還可以提供故障定位和可視化運維等功能。

據中國電信廣東分公司的相關測試顯示，采用外接單通道無源天線的室分工程總造價與純有源室分系統相比，可以節約成本70%左右，大大節省了室內分布建設投資。若考慮室內用戶的峰值速率以及容量需求，可以采用外接雙通道無源天線方案，工程造價節約40%左右。

8 適合綿陽市科技城的5G室內覆蓋方案建議

自2018年3月，綿陽市科技城著手開展智慧科創項目的初步設計，明確在進行科園路等基礎設施改造的同時，實施部分智慧科創建設內容。綿陽市科創區管委會計劃在綿陽科創園創新中心進行以5G為基礎的智慧科創試點工程。工程以5G網絡為基礎，將5G智能設備產品及應用通過統一的智慧應用平臺實現智慧園區建設目標。包含5G智慧園區數據中心大腦、指揮中心及演示中心，5G智慧園區配套智能化系統電渠工程，5G智慧園區配套弱電工程，5G智慧園區配套智能化系統施工工程及5G智慧園區其他相關項目內容（即5G智慧園區數據中心大腦、指揮中心及演示中心、智慧道路照明、路燈智能管理控制、微基站安裝、電子廣告屏、電子監控、人臉識別、充電樁、水位監測、環境監測等）。

方案計劃分兩期完成，一期進行園區智慧道路照明建設，并圍繞園區進行5G基礎網絡的接入，形成智慧園區基礎設施雛形，二期在一期成功建設的基礎上，通過5G智能設備進行集成，搭建包含有視頻監控系統、人臉識別系統、停車場管理系統、智能門禁系統及IBMS系統的基礎設施平臺，以此為基礎數據來源，實現統一的物聯網數據管理。在應用層面，搭建智能化低成本管控系統，實現設備和物業的高效管理，建立大數據應用平臺中心，完善智慧園區云平臺綜合指揮管理系統等，實現運營嵌入，達到智慧園區管理。

5G基礎網絡的建設方案初步定為室外5G覆蓋由鐵塔公司和運營商負責，室內5G覆蓋由園區負責建設，鐵塔公司和運營商租賃的模式進行。

由于園區內的建筑格局多為辦公室，屬于多隔斷型場景，建議采用有源無源融合覆蓋方案。在多隔斷的室內場景中，采用有源室內分布系統不能滿足用戶需求。這是因為多隔斷室內中有多面墻體，5G信號穿墻損耗大，覆蓋效果差。在設計多隔斷場景的室內分布系統時，可以采用有源無源融合覆蓋方案，方案的系統示意圖如圖2所示。

圖2 有源無源融合覆蓋方案系統示意圖

由于系統兼容性，建議傳輸系統設備由運營商提供，其他部分可由園區負責設計、采購、施工。有源無源融合方案采用四級架構，由基帶處理單元BBU、匯聚單元HUB、遠端射頻單元pRRU以及無源天線組成。BBU位于運營商主機房或者園區中心機房，經過光纜可與HUB相連，HUB可設置弱電井；HUB與pRRU相連，pRRU可以覆蓋建筑面積較大、用戶數多的敞開區域。pRRU的外接無源天線分為單通道天線和雙通道天線，在用戶數較小、面積較少的區域可外接單通道天線，如值班室、面積較小的辦公室、廁所、水房等場景；在用戶數相對較多、面積相對較大的區域可外接雙通道天線，如常規小辦公室、小會議室和有較大容量需求的客戶區等場景。另外，根據用戶需要，也可把pRRU分裂成一個獨立的小區，極大限度地提升室分系統的容量。

9 結語

本文首先介紹建設5G室內覆蓋的意義、國內外5G應用的進展、國內5G的頻譜分配情況，接著分析了5G室內覆蓋面臨的諸多挑戰、與傳統室分的差異，最后闡述了5G室分的諸多方案，指出5G時代數字化有源室內分布系統在多隔斷的室內場景中存在的局限性。這種局限性主要是由于多隔斷場景中大量墻體帶來的穿透損耗，使遠端單元pRRU的信號被局限在一個很小的區域內，無法做到信號的最大利用。因此，結合科技城的建筑特點提出針對性的5G室內覆蓋的方案建議，即結合無源系統的優勢，在遠端單元上外接無源天線，使信號均勻分布在室內空間，從而減少遠端單元的數量，大大節約了室分投資。