5G時代室內(nèi)覆蓋解決方案研究

1 引言

國內(nèi)通信行業(yè)經(jīng)歷過2G、3G、4G三個高速發(fā)展期，目前正在邁向萬物互聯(lián)的5G時代，依靠廣大通信從業(yè)者長期艱苦卓絕的奮斗，我國已由2G時代的行業(yè)“跟隨者”一躍成為5G時代的行業(yè)“引領(lǐng)者”。隨著5G技術(shù)的應(yīng)用，移動通信服務(wù)的對象包羅萬象、廣泛分布于地上地下各個角落，無線信號的穿透損耗隨應(yīng)用頻段的日益提高而越發(fā)嚴(yán)重，傳統(tǒng)宏蜂窩為主的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)難以滿足覆蓋需求，移動通信網(wǎng)絡(luò)已逐漸演變?yōu)楹晡⒔Y(jié)合、室內(nèi)外協(xié)同的異構(gòu)網(wǎng)，室內(nèi)覆蓋的重要性日益凸顯，其解決方案也愈發(fā)多樣化。

2 室內(nèi)外綜合覆蓋研究

據(jù)統(tǒng)計，4G時代移動通信70%的新型業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)，室內(nèi)無線信號覆蓋的好壞直接關(guān)乎用戶體驗和運營商網(wǎng)絡(luò)口碑，室內(nèi)覆蓋的建設(shè)對于移動網(wǎng)絡(luò)來說至關(guān)重要。通過對現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析可知，室內(nèi)無線覆蓋主要通過以下兩種方式實現(xiàn)：

（1）外部穿透：利用無線信號的穿透和繞射能力，使得室外站信號經(jīng)過一定衰減后傳播至室內(nèi)，當(dāng)室外站足夠密、信號足夠強(qiáng)時可實現(xiàn)一定程度的室內(nèi)覆蓋；

（2）內(nèi)部覆蓋：信號直接引入室內(nèi)，并利用分布式天饋覆蓋室內(nèi)，避免了穿透損耗，從而以比較低的功率均勻達(dá)到室內(nèi)各處覆蓋。

受限于基站發(fā)射功率以及建筑物或構(gòu)筑物阻擋產(chǎn)生的穿透損耗，部分體量較大的建筑物、地下空間、隧道等場景存在信號覆蓋盲區(qū)；另外部分建筑內(nèi)部通信需求業(yè)務(wù)密度較大，僅靠室外宏基站的容量難以滿足室內(nèi)覆蓋需求。室內(nèi)分布系統(tǒng)可以有效解決這些室外基站無法解決的室內(nèi)信號差、信號紊亂、容量不足等問題。

形象地說，移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與原始熱帶森林的植被生態(tài)頗為神似：宏基站就像高大的喬木支撐起森林的立體空間，吸納著最廣闊的陽光；室內(nèi)分布系統(tǒng)則是充斥林間的藤蔓，收集著喬木無法觸及的光線；微基站就像底部低矮的灌木和蕨類，采擷著森林底層斑駁的余光。因為室內(nèi)分布系統(tǒng)單位面積覆蓋成本較高，在投資有限的情況下，如何平衡移動網(wǎng)絡(luò)宏基站、微基站和室內(nèi)分布系統(tǒng)的覆蓋場景、建設(shè)規(guī)模、建設(shè)時序，對于移動網(wǎng)絡(luò)建設(shè)來說非常重要。

3 室內(nèi)覆蓋基本理論

在進(jìn)行室內(nèi)覆蓋方案設(shè)計之前，需要了解一些基本的理論和工程常見問題，如室內(nèi)無線信號傳播模型、鏈路預(yù)算、業(yè)務(wù)預(yù)測及頻率規(guī)劃、室內(nèi)覆蓋優(yōu)化調(diào)整等，本節(jié)將對室內(nèi)覆蓋基本理論進(jìn)行簡要介紹。

3.1 室內(nèi)無線信號傳播模型

進(jìn)行室內(nèi)覆蓋方案設(shè)計前，首先需對室內(nèi)環(huán)境無線信號傳播特性進(jìn)行分析。常用的室內(nèi)無線信號傳播模型——Keenan-Motley（式 1）

式中

k : 電波傳輸穿透的樓層數(shù)；

F : 樓層損耗因子，單位dB；

p : 電波傳輸穿透的墻壁數(shù)；

W : 墻壁損耗因子，單位dB；

D : 長度衰減因子，單位dB/m；

dь : 室內(nèi)斷點距離，單位m；

工程中，該模型一般簡化為（式2）

式中

α：其它物體、樓層、障礙物的損耗

如表1所示，為常見建筑物材質(zhì)在Sub 6 GHz穿透損耗統(tǒng)計表：

表1 不同材質(zhì)的穿透損耗（dB）

在可視通的無線環(huán)境下,自由空間損耗可簡化為（式3）：

衰落余量，室內(nèi)一般?。?0～15 dB

3.2 鏈路預(yù)算

通過室內(nèi)信號傳播模型的分析，可計算出在室內(nèi)任何位置相對于信號發(fā)射點的空間損耗。但僅通過此損耗量仍無法判斷該點的信號強(qiáng)度是否能滿足無線通信的正常進(jìn)行。為此，需引入鏈路預(yù)算的概念：即信號從信源發(fā)出，經(jīng)過信號傳輸系統(tǒng)的傳播后由天線發(fā)射，再經(jīng)過自由空間傳播，最后到信號接收終端的信號測算方法（式4）。

通過式4便可以計算出滿足通信流程所需的最低信號輸入功率，為室內(nèi)分布系統(tǒng)的設(shè)計提供必要理論依據(jù)。

3.3 室內(nèi)業(yè)務(wù)預(yù)測及頻率規(guī)劃

在具體室分系統(tǒng)設(shè)計時，需要根據(jù)覆蓋區(qū)域的面積、人口分布密度、潛在用戶占比、用戶業(yè)務(wù)模型等信息，核算出目標(biāo)區(qū)域的業(yè)務(wù)區(qū)量密度，進(jìn)而在信源設(shè)計時加以考慮，按需匹配各室分小區(qū)的覆蓋規(guī)劃。

例如，某高鐵隧道，全長 3 120米，已知在隧道 3 120米范圍內(nèi)，最多同時有 2列客車對開，在上述條件下來進(jìn)行業(yè)務(wù)量的預(yù)測：

（1）最高客流量分析

結(jié)合國內(nèi)在軌運行客運列車的情況可知，復(fù)興號CR400BF動車組一般每列編組8輛，定員576人，重聯(lián)時最多1152人；和諧號 CRH1、CRH2一般為8輛編組，而和諧號CRH1B型1列16廂，額定載客量為1 299人，和諧號CRH2B/E/C/型1列16廂，額定載客量為1 230人，由此可知隧道最大流量約為1299＊2=2598人。

（2）某運營商話務(wù)需求（以2G為例）：

① 2G網(wǎng)用戶規(guī)模(某運營商市場占有率取30%，2G占有率35%)：2598×30%×35%=273人；

② 2G網(wǎng)話務(wù)需求容量(單機(jī)用戶忙時話務(wù)取0.02 Erl)：273×0.02=5.45 Erl；

③ 2G網(wǎng)載頻需求(呼損按0.02，負(fù)荷按70%考慮)，話務(wù)需求約5.45÷70%=7.79 Erl 查愛爾蘭表得，所需信道數(shù)為9個，共需2載頻。

（3）頻率規(guī)劃

對于GSM網(wǎng)，優(yōu)先使用室內(nèi)覆蓋專用頻率，若無專用頻率，則需對目前網(wǎng)絡(luò)頻率計劃仔細(xì)分析后，按以下方式進(jìn)行規(guī)劃：

① 不選擇鄰近小區(qū)的頻率，盡量不選擇這些頻率的鄰頻；

② 借助專用設(shè)備掃描來確定系統(tǒng)可用頻率后采用。

對于頻帶較寬的3/4/5G網(wǎng)絡(luò)，可直接采用適用于室內(nèi)覆蓋的載波進(jìn)行覆蓋，容量不足時可采取多載波、載波聚合方式解決；當(dāng)某網(wǎng)絡(luò)因頻點受限導(dǎo)致容量無法滿足時，可采取拆分小區(qū)覆蓋范圍的方式進(jìn)行調(diào)整。

3.4 室內(nèi)覆蓋的優(yōu)化調(diào)整

室內(nèi)覆蓋的優(yōu)化調(diào)整類似于宏站，需特別注意以下幾個方面：

（1）話務(wù)調(diào)整

① 如果小區(qū)覆蓋區(qū)域正常但不能有效吸收話務(wù)；則應(yīng)該增加基站發(fā)射功率；若功率已無法加大，則考慮增加天線數(shù)量。

② 反之，如果小區(qū)覆蓋區(qū)域過寬，吸收話務(wù)過大；則應(yīng)該降低基站發(fā)射功率；若功率已無法減小，則考慮使用衰減器。

（2）覆蓋區(qū)域調(diào)整

① 如果小區(qū)覆蓋區(qū)域不正常，則應(yīng)改變天線配置或使用衰減器。如果天線數(shù)量過少，將很難得出合適的室內(nèi)覆蓋。

② 如果小區(qū)覆蓋過大或過小導(dǎo)致手機(jī)附著的小區(qū)不合理，則應(yīng)調(diào)整手機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)的最低下行接收電平等參數(shù)。

（3）干擾調(diào)整

如果出現(xiàn)室內(nèi)小區(qū)間相互干擾，則可以通過功率調(diào)整解決。如果調(diào)整后導(dǎo)致覆蓋區(qū)域過小，則應(yīng)考慮使用更多天線來覆蓋該區(qū)域。

4 常用室內(nèi)覆蓋解決方案

在5G大規(guī)模應(yīng)用之前，國內(nèi)2/3/4G網(wǎng)絡(luò)的頻段主要集中在800～2 700 MHz，相關(guān)室內(nèi)覆蓋解決方案已經(jīng)非常豐富，其技術(shù)產(chǎn)品已形成體系并擁有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，主要有無源室分、泄露電纜、光釬分布和有源室分布等四大類，具體介紹如下。

4.1 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)

無源室分分布系統(tǒng)是目前應(yīng)用范圍最廣泛，使用頻率最高、技術(shù)最為成熟的一種技術(shù)手段，幾乎可用于解決各種常規(guī)的建筑物內(nèi)部空間信號覆蓋問題。

由圖1可知，通過合路器/POI，可將需要解決覆蓋的各制式移動網(wǎng)信號合路到一起，然后通過各類型的室分器件如饋線、功分器、耦合器等將無線信號均勻地分配到各個室分天線，從而達(dá)到均勻覆蓋所有室內(nèi)覆蓋目標(biāo)的預(yù)期。

另外，針對一些業(yè)務(wù)密度不是特別高的高層樓宇，為降低建設(shè)成本，傳統(tǒng)無源室分只考慮用于覆蓋地下停車場和電梯，而平層覆蓋則采用定制的水平和垂直波瓣天線從室外覆蓋解決，稱為室分天線對打方式，如圖2所示。

圖1 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)示意圖

圖2 室分對打覆蓋方案示意圖

4.2 泄漏電纜分布系統(tǒng)

泄露電纜集信號傳輸功能和天線信號輻射功能于一身，通過在外導(dǎo)體上開合適的槽孔，可將電磁波能量沿漏纜均勻地收發(fā)，實現(xiàn)無線信號的覆蓋。根據(jù)泄漏電纜的徑向輻射角度可將其劃分為兩類：

傳統(tǒng)泄漏電纜，徑向輻射角度一般不超過120°，通過在外導(dǎo)體上開合適的槽孔實現(xiàn)，如八字槽、矩形槽、U型槽、V型槽等，常用于覆蓋面較窄的狹長區(qū)域，如地鐵、隧道、采礦巷道、溶洞等狹長空間。

廣角泄漏電纜，徑向輻射角度達(dá)170°，此泄漏方式主要由裂變的縫隙陣列組構(gòu)成，其輻射效果與典型室分系統(tǒng)一致，對于金屬封閉吊頂、全鋼筋混凝土隔斷或多層隔斷的辦公室、縱深超過漏纜覆蓋范圍等情形不建議使用廣角泄漏電纜。

4.3 光纖分布系統(tǒng)

光纖分布系統(tǒng)主要由接入單元、擴(kuò)展單元、覆蓋單元組成，利用光纖和雙絞線取代同軸電纜，并用數(shù)字域傳輸取代射頻傳輸。如圖3所示。

針對不同場景，采用光纖分布系統(tǒng)覆蓋的方案建議如下：

① 隔斷較少的空曠大賣場、地下室等場景，通過布放天線一體化遠(yuǎn)端射頻單元直接覆蓋；

② 針對住宅小區(qū)優(yōu)選光纖分布系統(tǒng)，通過布放天線一體化設(shè)備形成樓間對打的方式對室內(nèi)進(jìn)行覆蓋，同時采用傳統(tǒng)方式或隨纜方式對電梯進(jìn)行覆蓋；

③ 針對寫字樓、酒店、商住樓宇等隔斷較多的公建樓場景，有選擇地進(jìn)行光纖分布系統(tǒng)建設(shè)。

圖3 光纖分布系統(tǒng)示意圖

4.4 有源室內(nèi)分布系統(tǒng)

有源室內(nèi)分布系統(tǒng)由基帶單元（BBU）、擴(kuò)展單元（RHUB、Pbirdge、IRU）和遠(yuǎn)端單元（pRRU、DOT）組成，利用光纖、網(wǎng)線或光電復(fù)合纜實現(xiàn)基帶單元、擴(kuò)展單元和遠(yuǎn)端單元的連接，遠(yuǎn)端單元通過POE供電，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

有源室分設(shè)備具備安裝靈活、容量可調(diào)、兼容性強(qiáng)、監(jiān)控方便、可實現(xiàn)4＊4MIMO等特點，可廣泛布設(shè)于各類室分場景，尤其是傳統(tǒng)室分系統(tǒng)擴(kuò)容困難的地鐵站、候機(jī)樓、會展中心、高檔寫字樓、高校圖書館、宿舍樓等超高密度流量熱點區(qū)域，有源室分的優(yōu)勢更加明顯。

圖4 有源數(shù)字室分構(gòu)成示意圖

4.5 常用室內(nèi)覆蓋解決方案對比

根據(jù)上述介紹，結(jié)合實際工程中的應(yīng)用情況從覆蓋方式、網(wǎng)管監(jiān)控、擴(kuò)容、共享、建設(shè)成本及應(yīng)用場景等方面進(jìn)行對比，可對這四大類室內(nèi)覆蓋技術(shù)有更整體的認(rèn)知,如表2所示。

5 5G對室內(nèi)覆蓋的影響

近幾年全球刮起一陣又一陣5G熱潮，“5G改變社會”已逐漸成為人們共識，5G網(wǎng)絡(luò)將深入到社會各行各業(yè)，承載起增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）、虛擬現(xiàn)實（VR）、智慧家庭、自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)制造等應(yīng)用。另據(jù)預(yù)測，5G時代室內(nèi)業(yè)務(wù)占比將達(dá)85%以上，保持室內(nèi)信號的良好覆蓋愈加重要。

表2 常用室內(nèi)覆蓋解決方案對比

隨著2018年底國內(nèi)5G試驗頻率的發(fā)布，我國移動通信網(wǎng)絡(luò)將迎來3.5 GHz和4.9 GHz頻段，宏基站對于室內(nèi)的有效覆蓋將大幅弱化，室內(nèi)覆蓋建設(shè)的將大大增加。

另一方面，現(xiàn)網(wǎng)中大量傳統(tǒng)無源室分系統(tǒng)的器件只支持到2.7 GHz，饋線在3.5 GHz以上頻段因傳輸損耗過大也將無法使用，因此5G網(wǎng)絡(luò)無法融入傳統(tǒng)無源室分系統(tǒng)，同時隨著5G遠(yuǎn)期毫米波的應(yīng)用，傳統(tǒng)無源室分系統(tǒng)將更加邊緣化；光纖分布系統(tǒng)雖可實現(xiàn)運維可視化，但仍需連接RRU作為信源，不利于網(wǎng)絡(luò)長期擴(kuò)容和系統(tǒng)平滑演進(jìn)；有源室分作為最新的室分解決方案，可有效解決這些痛點。

由此可知5G時代有源室分將成為主流解決手段，新建站可采用多模有源室分系統(tǒng)實現(xiàn)4/5G的同步覆蓋；考慮到2/3/4G時代留存的龐大傳統(tǒng)無源室分系統(tǒng)資產(chǎn)在一定時期內(nèi)仍具有巨大的應(yīng)用價值，改造站可在存量室分的基礎(chǔ)上疊加5G高頻有源室分，實現(xiàn)多網(wǎng)的共同覆蓋。

6 總結(jié)

隨著5G時代的到來，移動業(yè)務(wù)日益向室內(nèi)富集，大帶寬、高容量、低時延的剛性業(yè)務(wù)需求日益突出，高頻段帶來的穿透損耗激增使室外基站對室內(nèi)的有效覆蓋大大降低，這些都促使室內(nèi)覆蓋建設(shè)的重要性日益突出。本文從室內(nèi)外綜合覆蓋、室內(nèi)覆蓋基礎(chǔ)理論、室內(nèi)覆蓋解決方案及5G對室內(nèi)覆蓋的影響等方面進(jìn)行研究，為后續(xù)研究者在5G室內(nèi)覆蓋方面提供參考。