傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)向5G演進(jìn)探討

郭希蕊，張 濤（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048）

1 概述

從全球運(yùn)營商角度看，5G潛在部署頻段主要分為6 GHz以下頻段和6 GHz以上頻段2個大的范圍。工信部發(fā)布的無線電頻率劃分方案，將6 GHz以下頻段的 3 300～3 600 MHz和 4 800～5 000 MHz頻段劃分為5G頻段，并限定3 300～3 400 MHz頻段原則上限于5G室內(nèi)使用。

目前室內(nèi)分布建設(shè)仍以無源分布系統(tǒng)為主，無源室內(nèi)分布系統(tǒng)主要由信號源和信號分布系統(tǒng)2部分組成，是純模擬系統(tǒng)。其中信號分布系統(tǒng)是由無源器件、天線、纜線等組成。目前現(xiàn)網(wǎng)無源器件和室分天線支持的頻段為800～2 700 MHz，不支持5G頻段，傳統(tǒng)室分系統(tǒng)向支持5G系統(tǒng)演講需要進(jìn)行評估。本文將從無源器件、饋線、天線和建設(shè)方案等方面對傳統(tǒng)室分向5G演講的可行性進(jìn)行分析。

2 傳統(tǒng)室分器件對5G頻段支持情況

2.1 無源器件對5G頻段支持情況

目前現(xiàn)網(wǎng)無源器件的頻段為800～2 700 MHz，不支持5G系統(tǒng)的頻段，表1和表2是現(xiàn)網(wǎng)無源器件在3.4～3.6 GHz和4.4～5 GHz頻段的測試結(jié)果。

表1 現(xiàn)網(wǎng)腔體功分器在5G頻段測試結(jié)果

表2 現(xiàn)網(wǎng)腔體耦合器在5G頻段測試結(jié)果

從表1和表2的測試數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)網(wǎng)無源器件指標(biāo)在3.4～3.6 GHz、4.4～5 GHz頻段不滿足指標(biāo)要求，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)器件失效的情況。現(xiàn)網(wǎng)無源器件無法支持5G頻段的部署，現(xiàn)有室分系統(tǒng)無法直接合路升級支持5G。

基于可實(shí)現(xiàn)的新技術(shù)，功分器采用多級阻抗變換級聯(lián)推進(jìn)技術(shù)，在長度增加的情況下實(shí)現(xiàn)頻段拓展。耦合器和電橋采用3節(jié)導(dǎo)帶復(fù)用技術(shù)，內(nèi)部傳輸介質(zhì)體積增加，實(shí)現(xiàn)頻段拓寬，合路器可延用傳統(tǒng)的腔體濾波技術(shù)。

仿真結(jié)果顯示，3.4～3.6 GHz、4.4～5 GHz頻段的無源器件可滿足現(xiàn)網(wǎng)器件的指標(biāo)要求；800～3 600 MHz器件樣品的實(shí)測結(jié)果性能指標(biāo)可達(dá)到現(xiàn)網(wǎng)器件的指標(biāo)要求；無源器件可以滿足5G低頻段的應(yīng)用需求，相比現(xiàn)網(wǎng)器件，體積和成本都有所提升。具體測試結(jié)果如表3和表4所示。

2.2 饋線對5G系統(tǒng)頻段支持情況

現(xiàn)網(wǎng)1/2和7/8饋線可支持3.5和5 GHz頻段，但在3.5和5 GHz頻段損耗相比4G頻段增加明顯（見表5）。

表3 基于新技術(shù)的腔體功分器在5G頻段測試結(jié)果

表4 基于新技術(shù)的腔體耦合器在5G頻段測試結(jié)果

表5 現(xiàn)網(wǎng)饋線在各頻段百米損耗結(jié)果（dB）

a）1/2饋線在3.5 GHz 100 m損耗比2.1 GHz增加33%，5 GHz 100 m損耗比2.1 GHz增加63.3%。

b）7/8饋線在3.5 GHz 100 m損耗比2.1 GHz增加30%，5 GHz 100 m損耗比2.1 GHz增加62.6%。

c）13/8漏纜不支持3.5和5 GHz頻段。

現(xiàn)網(wǎng)饋線基本可滿足5G頻段的部署要求，但對工程方案設(shè)計(jì)提出了功率更高的余量要求。

2.3 室分天線對5G系統(tǒng)頻段支持情況

現(xiàn)網(wǎng)室分天線不支持5G系統(tǒng)頻段，實(shí)測結(jié)果駐波比均高于指標(biāo)要求。天線通過新設(shè)計(jì)方案能支持5G頻段，通過忽略不圓度指標(biāo)實(shí)現(xiàn)高度降低，體積與現(xiàn)網(wǎng)室分天線相當(dāng)，5G室分天線S參數(shù)與現(xiàn)網(wǎng)器件基本一致，方向圖指標(biāo)待優(yōu)化；目前已有單極化和雙極化吸頂天線和壁掛天線。

3 5G傳統(tǒng)室分系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)室分系統(tǒng)向5G系統(tǒng)演進(jìn)，將面臨頻段、通道數(shù)、覆蓋和信源等問題。現(xiàn)網(wǎng)室分系統(tǒng)無法直接合路升級支持5G，新建無源分布系統(tǒng)理論上可以滿足5G頻段的需求，但成本和代價較大。本文將從以下幾方面對5G傳統(tǒng)室分的挑戰(zhàn)進(jìn)行詳述。

3.1 高頻段

現(xiàn)網(wǎng)無源器件頻段較低，無法兼容3.4～3.6 GHz和4.4～5 GHz頻段，現(xiàn)網(wǎng)無法直接合路升級支持5G；如上文所述通過新的器件設(shè)計(jì)和定制，室內(nèi)無源器件可以滿足5G高頻的應(yīng)用需求，成本會有所提升。

饋線在 3.4～3.6 GHz和 4.4～5 GHz頻段損耗相比4G頻段有明顯增加，尤其是1/2饋線在高頻段內(nèi)100 m損耗惡化程度嚴(yán)重，對工程方案設(shè)計(jì)提出了更高的功率余量要求。

3.2 通道數(shù)

現(xiàn)網(wǎng)無源室內(nèi)分布系統(tǒng)以1T1R的單發(fā)系統(tǒng)為主，在LTE升級中的2×2 MIMO演進(jìn)升級需要新增1套射頻系統(tǒng)，成本和施工難度巨大，只在高業(yè)務(wù)需求場景應(yīng)用。

面對5G系統(tǒng)大容量需求：大部分場景需要4×4 MIMO，4×4 MIMO需要4路饋線，施工難度和建設(shè)成本均會大幅增加，4路饋線支持MIMO的能力較差，會造成性能損失。

3.3 覆蓋

3.5 GHz頻段在室分覆蓋中傳輸損耗比現(xiàn)有2.1和1.8 GHz頻段大得多，具體見表6。

表6 室分系統(tǒng)各頻段總體損耗值

單從自由空間損耗考慮，天線覆蓋半徑就只有LTE的一半，再考慮穿透損耗等方面，覆蓋半徑還要更小。

如要保證同覆蓋（邊緣場強(qiáng)接近），按照現(xiàn)有室分天線點(diǎn)位考慮，5G總體損耗比4G高7～9 dB。

增加5G信源設(shè)備數(shù)量或在已有天線點(diǎn)的基礎(chǔ)上增補(bǔ)天線點(diǎn)，可滿足5G覆蓋要求。

3.4 5G信源

傳統(tǒng)室分部署需要4通道或2通道大功率信源，目前主設(shè)備廠家并未規(guī)劃4通道或2通道RRU，未來可能面臨沒有大功率信源的問題。

圖1 現(xiàn)網(wǎng)已建室分向5G傳統(tǒng)室分演進(jìn)示意圖

4 傳統(tǒng)室分向5G演進(jìn)方案探討

4.1 已建傳統(tǒng)室分向5G演進(jìn)探討

4.1.1 傳統(tǒng)室分改造方案

現(xiàn)網(wǎng)DAS系統(tǒng)改造升級支持5G系統(tǒng)，需更換無源器件（功分器、耦合器、合路器、電橋等）和室分天線，器件安裝位置分散，更換難度極高，且物業(yè)協(xié)調(diào)困難，整改周期長。

現(xiàn)網(wǎng)絕大部分只支持1T1R，通道數(shù)有限，如全面改造為2或4通道，投資很大，且可能由于管井布線空間有限難以實(shí)施，即使實(shí)施也難以保證新/舊通道的一致性。

現(xiàn)有室分系統(tǒng)直接增加新頻點(diǎn)信源，無法滿足覆蓋要求，需通過增加信源、增加天線密度等方式滿足邊緣場強(qiáng)要求。

現(xiàn)有室分系統(tǒng)無法直接合路升級支持5G的，不建議更換無源器件和室分天線進(jìn)行改造。

圖1給出了現(xiàn)網(wǎng)已建室分向5G傳統(tǒng)室分演進(jìn)示意圖。

4.1.2 變頻系統(tǒng)演進(jìn)方案

變頻系統(tǒng)由變頻合路單元、變頻遠(yuǎn)端單元和遠(yuǎn)端供電單元3部分組成。變頻系統(tǒng)的核心思想是將5G射頻信號變頻至800～2 700 MHz，然后與2G/3G/4G射頻信號進(jìn)行合路輸出，最后饋入無源室分系統(tǒng)。變頻遠(yuǎn)端單元將變頻后的射頻信號轉(zhuǎn)回5G射頻信號，然后與饋線上的2G/3G/4G射頻信號進(jìn)行合路輸出，最后通過內(nèi)置天線發(fā)射。采用該方案單根饋線可實(shí)現(xiàn)2×2 MIMO，2根饋線即可實(shí)現(xiàn)4×4 MIMO，原室分系統(tǒng)中無源器件和饋線不需更換，需增加變頻合路單元、POE供電監(jiān)控單元，更換原天線為變頻室分天線單元，改造只在信源側(cè)和末端進(jìn)行，可實(shí)施性較好。

傳統(tǒng)室分向5G演進(jìn)過程中采用變頻系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的，但產(chǎn)品需要和光纖分布系統(tǒng)等產(chǎn)品進(jìn)行綜合評估，看成本上是否存在優(yōu)勢。

圖2給出了現(xiàn)網(wǎng)已建室分向5G變頻系統(tǒng)演進(jìn)示意圖。

圖2 現(xiàn)網(wǎng)已建室分向5G變頻系統(tǒng)演進(jìn)示意圖

4.1.3 數(shù)字化室分演進(jìn)方案

傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)向5G演進(jìn)受限，5G的網(wǎng)絡(luò)需求驅(qū)動室內(nèi)覆蓋向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。因此對于已建傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)的場景，5G室內(nèi)覆蓋可采用數(shù)字化方案，微站、微RRU和光纖分布系統(tǒng)是5G網(wǎng)絡(luò)可行的室內(nèi)覆蓋方案。采用數(shù)字化方案可實(shí)現(xiàn)4T4R，支持更高的容量和帶寬，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化運(yùn)維，為用戶帶來更好的體驗(yàn)。

圖3給出了現(xiàn)網(wǎng)已建室分向5G數(shù)字化室分演講示意圖。

4.2 新建傳統(tǒng)室分方案分析

5G信號在空間和線纜中傳播損耗與3G/4G相差較大，5G信源考慮末端合路（5G信源放置于平層），適當(dāng)提高信源功率或增加天線點(diǎn)位，并通過合理的布線可滿足5G覆蓋要求；對容量要求較高的區(qū)域需采用4通道建設(shè)，4×4 MIMO需要4路饋線，施工難度和建設(shè)成本均會大幅增加，4路饋線支持MIMO的能力較差，會造成性能損失，新建4通道場景成本和代價較大，不建議5G系統(tǒng)采用傳統(tǒng)無源分布系統(tǒng)；對容量要求不高的區(qū)域，可考慮采用2通道進(jìn)行建設(shè)，但成本仍需進(jìn)行評估。

圖4給出了新建5G傳統(tǒng)室分示意圖。

圖3 現(xiàn)網(wǎng)已建室分向5G數(shù)字化室分演講示意圖

4.3 隧道場景建設(shè)方案

泄漏電纜是一類特殊的同軸電纜，與同軸電纜具備一樣的同軸結(jié)構(gòu)，所以也受到同軸電纜截止頻率的制約，只能傳播頻率在截止頻率以下的TEM波。現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用的13/8型號漏纜不支持3.5 GHz頻段，現(xiàn)有漏纜建設(shè)方案不適用于5G系統(tǒng)。目前支持5G頻段的漏纜傳輸損耗較大，需要尋找合適的解決方案。目前的解決方案主要由以下2種。

圖4 新建5G傳統(tǒng)室分示意圖

方案1：新增支持更高頻段、損耗更小的漏泄電纜。

方案2：允許進(jìn)行改造的隧道場景，可采用微站或光纖分布系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋。

表7給出了不同型號漏纜在各頻段100 m損耗值。

表7 不同型號漏纜在各頻段100 m損耗值（dB）

4.4 頻譜重耕傳統(tǒng)室分向5G演進(jìn)探討

對現(xiàn)網(wǎng)2G/3G/4G頻率的頻譜重耕，傳統(tǒng)室分可利舊無源器件和室分天線只需新增5G信源即可實(shí)現(xiàn)向5G快速升級。現(xiàn)網(wǎng)傳統(tǒng)室分單通道占比較高，因此頻譜重耕方案只適用于業(yè)務(wù)量低的區(qū)域，對容量需求高的場景還需采用其他5G建設(shè)方案。

5 結(jié)束語

現(xiàn)網(wǎng)無源器件和室分天線無法支持5G低頻段的部署，現(xiàn)有室分系統(tǒng)無法直接合路升級支持5G系統(tǒng)；通過新的器件設(shè)計(jì)和定制，室內(nèi)無源器件和天線可以滿足5G高頻的應(yīng)用需求，對于改造場景和新建4通道場景成本和代價較大，不建議5G系統(tǒng)采用傳統(tǒng)無源分布系統(tǒng)；對容量要求不高的區(qū)域，可考慮采用2通道進(jìn)行建設(shè)，但成本仍需評估。