多隔斷型室內場景5G覆蓋方案分析

【摘 ?要】在多隔斷的室內場景中墻體的穿透損耗嚴重，為保證用戶的體驗，天線密度相對較高，因此導致有源室分系統的設備價格遠高于傳統無源室分系統。為降低室分系統的建設造價，提出了一種“有源+無源”的室內覆蓋解決方案。通過理論分析及現場測試驗證，可以在保證多隔斷的室內用戶的一定體驗效果下，有效降低室分系統造價約70%，在性能與價格中取得平衡。

【關鍵詞】多隔斷;5G;室內分布系統;有源室分系統;無源室分系統;工程造價

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.12.011 ? ? ?中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A ? ? ?文章編號：1006-1010（2019）12-0056-05

引用格式：閔銳，黃云飛. 多隔斷型室內場景5G覆蓋方案分析[J]. 移動通信， 2019，43（12）： 56-60.

Analysis of 5G Coverage Solution in Indoor Scenarios with Multi Partitions

MIN Rui， HUANG Yunfei

（Guangdong Branch of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510180， China）

[Abstract]?Since the penetration loss is serious in the indoor scenarios with multi partitions， the antenna density is relatively high to ensure the user experience. Hence the price of the active indoor coverage system is much higher than that of the traditional passive one. In order to reduce the cost of building indoor coverage systems， this paper proposes an "active + passive" indoor coverage solution. Through theoretical analysis and field test， the proposed solution effectively reduces the cost by about 70% while ensuring a certain experience of indoor users with multiple partitions， and thus achieves a balance between performance and price.

[Key words]multi partitions; 5G; indoor distribution system; active distribution system; passive distribution system; construction cost

1 ? 室內覆蓋技術簡介

5G通信技術為應對三大通信場景（eMBB、mMTC、uRLLC）提出了切實有效的實現方案，離達到通信終極愿景（任何人（whoever）在任何時間（whenever）任何地點（wherever）與任何人（whomever）進行任何類型（whatever）的信息交換）又近了一步。4G時代，大約有80%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。因此5G網絡的室內深度覆蓋是提升5G用戶體驗的必要條件。但同時，5G信號使用的是厘米波段（3 GHz以上），和4G相比，其傳播損耗和墻體穿透損耗更大，而且繞射能力變低。因此，通過室外信號覆蓋室內場景所能達到的覆蓋效果是很有限的。為滿足5G業務對超大帶寬的要求，在5G宏基站進行面覆蓋的基礎上，配合建設專門的無線信號室內分布網絡是必須的，這樣能保證移動用戶的室內和室外體驗的一致性。

1.1 ?傳統室內分布系統的局限性

早在3G網絡時代，運營商已經針對信號較差，容量較高的區域建設室分系統進行補盲與擴容。在4G時代更是建設了大量的室分系統。而傳統的室分系統的建設模式是信號源（RRU）連接由饋線、功分器、合路器、耦合器、無源天線等無源器件構成的信號傳輸系統，把無線信號均勻地發射到室內各個角落。

但在4G向5G演進的過程中，無源室分系統的弊端也逐漸暴露出來：

（1）現有的無源器件不支持3 GHz以上的頻段，需要更換無源器件。

（2）通道數增加困難。現有室分每增加1條通道，相當于新建一套室分系統。現有的傳統室分一般支持1～2通道，改造的難度很大。

（3）傳統的饋線損耗增大。傳統的饋線在3 GHz以上頻段的損耗較大，若要利舊原有傳統室分進行演進，需要加密天線，使用大功率信源才能滿足使用需求。

因此，一種新型的室分系統應運而生。

1.2 ?新型數字化有源室內分布系統

有源室分系統由三部分組成：基帶處理單元（BBU）、擴展單元（Hub）、遠端單元（pRRU）。之所以稱之為有源系統，是因為所有組成部分都是需要供電的。其中遠端單元就是射頻單元和天線合而為一的設備。

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的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。

1.3 ?有源室分系統的多隔斷室內場景的局限性

如圖1所示，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，一個遠端單元就可以覆蓋非常大的區域，在提高用戶體驗的同時，也節約了系統建設的投資。在多隔斷的室內場景，如賓館酒店、隔間密集的寫字樓等，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實現完整的室內覆蓋。有源設備的功率被白白耗費在了墻體損耗當中。

但是有源室分系統平均單pRRU的綜合造價（設備價格與安裝工程費用之和）比無源系統的單天線高很多，因此在多隔斷場景中有源室分系統造價會大幅度提升，性價比下降。

本文針對有源室分系統在多隔斷場景中低性價比的局限性，創造性地結合了有源與無源室分系統的特點，提出了“有源+無源”的高性價比解決方案，即在有源系統的遠端單元外接無源室分天線進行信號擴展，在性能和造價中取得折中。通過理論分析與現場測試比較了兩種方案在性能上的差異，雖然新方案的速率略微低于純有源室分系統，但大大降低了單pRRU的覆蓋范圍。

2 ? 方案性能分析比較

首先在賓館酒店這種多隔斷的室內場景，對純有源室分系統和“有源+無源”的室分系統進行描述，然后對信號強度在理論上進行分析，最后經過現場安裝測試，驗證方案的可行性。

2.1 ?兩種方案架構描述：純有源室分系統、“有

源+無源”室分系統

（1）純有源室分系統

在預備安裝測試的賓館酒店場景中，遠端單元按照傳統4G無源室分系統的天線密度進行布放，平均每pRRU覆蓋4個房間，共計約12個pRRU。每個pRRU內置4×4個MIMO天線，單通道功率為250 mW。圖2為數字化有源室內分布系統架構圖。

（2）“有源+無源”室分系統

該系統架構是在純有源室分系統的基礎上，使用饋線連接無源天線和pRRU。每通道連接一面單極化天線，故每pRRU可連接4面無源天線。無源天線與純有源方案中的pRRU共點位，因此共12面無源天線，3個pRRU。圖3為“有源+無源”室內分布系統架構圖：

圖3 ? ?“有源+無源”室內分布系統架構圖

2.2 ?單個pRRU與單個無源天線性能對比測試

首先對單個pRRU的性能以及pRRU外接的單個無源天線的性能進行測試。無源天線使用單通道1T1R以及雙通道2T2R各進行對比測試。

測試方式：在單天線周圍選取遠、中、近三點進行速率對比測試。其中各點的定義如表1所示：

表1 ? ?測試位置遠、中、近點定義

測試位置 RSRP/dBm SINR/dB

遠點 -115

-110 5

11

中點 -95 27

近點 -65 32

測試結果如表2所示。

從測試結果可以得出在單天線場景下的一些結論：

（1）無源單通道天線速率遠低于雙通道以及單pRRU，約為雙通道的50%，這說明雙通道復用效果明顯;單pRRU雖然為4通道，但下行速率未能達到單通道的4倍。

（2）無源雙通道天線的下行覆蓋性能僅略低于4通道的pRRU。

（3）上行覆蓋方面的結果與下行覆蓋方面結果類似。

綜上所述，四通道的超高速率效果在實際應用環境中較難實現，其實際效果僅略高于雙通道效果，因此采用“有源+雙通道無源天線”的室分方案對于覆蓋效果來看影響不大。雖然單通道效果為雙通道的一半，但覆蓋范圍是雙通道的一倍。在容量需求不大的多隔斷場景也存在實際的使用價值。

2.3 ?覆蓋性能的理論分析

（1）終端接收功率RSRP比較

pRRU為4通道，無源天線為單通道，功率相差3 dB;連接天線使用的1/2饋線的百米損耗約為14.5 dB，饋線平均長度約為15 m～20 m，因此增加損耗約為2.2 dB～2.9 dB;單極化天線與純有源pRRU的天線增益相差約為2 dB，故接收信號強度RSRP相差約8 dB。

（2）下行速率比較

現階段5G室外基站尚未完全鋪開建設，所以室外信號對室內的干擾基本可以忽略不記，因此SINR值應僅略差于純有源系統，故MCS等級不會相差太遠。理論上，pRRU為4通道，無源天線為單通道，速率應為4倍的關系。考慮到實際環境中要達到4流比較困難，估計平均為2.5流左右，而在兩個單極化天線重疊覆蓋區域有可能實現2流，故“有源+無源”系統的流數約為1.2左右。因此，總體上平均速率應為2倍左右的關系。

（3）上行速率比較

手機終端的限制，5G的上行通道數為2，因此純有源系統的上行平均速率應為新方案的2倍左右。

2.4 ?覆蓋性能的測試比較

純有源和“有源+無源”室分系統DT測試結果如表3所示：

表3 ? ?純有源和“有源+無源”室分系統DT測試結果

測試項 純有源室分

系統 有源+無源室分系統

RSRP平均值/dBm -75 -86

RSRP區間/dBm -60～-110 -65～-115

SINR區間/dB 7～10 4～10

下行PDCP層峰值速率/Mb·s-1 932.38 742.40

下行PDCP層平均速率/Mb·s-1 774.55 418.22

上行PDCP層峰值速率/Mb·s-1 245.36 235.30

上行PDCP層平均速率/Mb·s-1 181.13 104.93

從以上測試結果中可以看出，這兩種系統，RSRP平均值相差11 dB，下行速率平均為1.8倍的關系，上行平均速率為1.72倍的關系，與理論分析接近。同時，可以看到上下行的峰值速率相差不遠，由此可以看出，在“有源+無源”系統中部分天線交疊的區域產生了多流的效果。

ITU定義的5G邊緣速率為100 Mb/s，本測試結果表明，在多隔斷的室內場景中，使用“有源+無源”的新型室分架構是可以滿足用戶需求的。

3 ? 造價分析比較

根據無線通信工程概預算定額計算兩種方案的工程造價，兩種系統的造價對比如表4所示。

單pRRU的綜合造價主要包含pRRU設備價格以及設備對應的安裝工程費和必要的其他各項輔助費用。

“有源+無源”室分系統的工程造價為每個pRRU的造價基礎上增加4面無源單通道天線或2個無源雙通道天線的工程造價，每面單通道無源天線的工程綜合造價約為500元，雙通道約為600元。

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。

4 ? 結束語

本文指出了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，使得遠端單元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。因此結合無源系統的優勢，在遠端單元上外接無源天線，使信號均勻地分布在室內空間。從而減少了遠端單元的數量，大大節約了室分投資。同時，從理論上分析了兩種方案在覆蓋性能上的差異，并從測試結果中驗證了理論分析的結論。測試結果顯示：在滿足邊緣速率100 Mb/s的下行速率條件下，“有源+無源”室分方案是一個高性價比的可行方案，非常適合在多隔斷的室內場景中推廣。

最后考慮到后續容量上的需求，還可以結合有源設備的優勢特性，把每個pRRU分裂成一個獨立的小區，能極大限度快速提升室分系統的容量。

參考文獻：

[1] 毛彬. LTE無線網絡的室內覆蓋建設方案研究[J]. 數字通信世界， 2018（3）.

[2] 謝玉銘，顧安，石倩. TD-LTE有源室內分布系統的研究及應用[C]//2013年度全國無線及移動通信學術大會（WMC'13）. 北京： 人民郵電出版社， 2014.

[3] 崔文標. 有源室內分布系統在4G網絡的使用[J]. 電信技術， 2018（7）： 60-64.

[4] 盛濱. 新型有源室分在特定場景下覆蓋方案的探討[J]. 江蘇通信， 2018，34（6）： 22-28.

[5] 查昊. 有源室分系統在不同場景下的解決方案[J]. 通信與信息技術， 2018（4）： 51-55.

[6] 唐云. 淺談4G有源室分向5G演進[J]. 電信快報， 2019（3）： 38-41.

[7] 施云濤，王瑋，蔡偉明. 基于有源天線的TD-LTE室分改造策略[J]. 電信工程技術與標準化， 2012（7）： 49-52.

[8] 婁志強. LTE室內創新解決方案[J]. 移動通信， 2014（17）： 22.★