5G時代電梯室內分布系統解決方案探討

陳宜漂 安 剛

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

隨著5G時代的商用，室內分布系統的部署越來越迫切，而5G豐富的業務特性，使得5G時期室內容量需求進一步增長，業界預測未來超過85%的業務發生在室內。室內一些空曠，隔間少，阻擋小的區域，5G信號覆蓋可以通過5G宏站部署解決；對于5G容量需求高的區域，諸如學生公寓、醫院、高級酒店等場景，可以通過部署光纖數字化的5G室內分布系統解決。但是對于室內分布系統中的電梯場景，由于其對宏站信號屏蔽嚴重，而建設數字化5G室內分布系統覆蓋電梯投資大，投資回報率低，因此如何經濟有效地解決電梯5G信號覆蓋，具有重要意義。本文提出無線電梯直放站解決電梯5G信號覆蓋，解決當前電梯覆蓋遇到的建設難點和投資痛點的問題。

1 傳統電梯覆蓋方案

1.1 傳統電梯覆蓋方案簡介

傳統的電梯覆蓋方式以RRU或光纖直放站作為信源，沿電梯井道每3-4層安裝1副天線進行覆蓋，或電梯廳部署天線。還有基于這兩種覆蓋方案的變形，比如采用近端機遠端機的光纖直放站方案，電梯井道采用網線部署，或者使用漏纜等。但無論如何，這些方案都需要新增信源以及電梯井道布放線纜，需要相應的傳輸配套。

1.2 傳統電梯覆蓋方案缺點分析

傳統電梯覆蓋方案主要存在以下幾方面問題：

（1）協調任務重。涉及信源設備安裝、天線安裝、光纜路由、饋線部署等，需要和電梯公司或者物業公司協調的施工點多。

（2）施工困難，建設周期長。需要安裝信源設備，敷設光纜以及建設相應的傳輸配套，且電梯井道敷設饋線和安裝天線施工難度大。

（3）饋線連接，5G信號損耗大。這是傳統DAS向5G演進所面臨的最大挑戰。5G頻段高，傳統DAS方案不適合用于5G覆蓋。

（4）投資高，投資回報率低。一方面信源成本高；另一方面需要相應的傳輸配套，配套建設成本高，如果采用光纖數字分布系統，造價更高。實際上電梯場景人員滯留時間短，容量需求小，產生的經濟效益低，造成投資回報率低。

2 新型無線電梯直放站覆蓋方案

2.1 新型無線電梯直放站構造

對比現有方案的缺點，新型無線電梯直放站要具備以下特性：

（1）施工節點少，施工簡單；

（2）無饋線設計，電梯井無線纜敷設；

（3）不新增信源；

（4）無傳輸配套；

本文提出二級放大新型無線電梯直放站，室外到電梯井內設計一級直放站，電梯井到電梯轎廂設計二級直放站。無線直放站全部采用有源設備，接收天線和發射天線用光電復合纜作為傳輸介質，不再使用無源器件和同軸電纜。新型無線電梯直放站設計成二級放大的優點在于：

（1）通過分級放大，減少每級放大器的增益，更容易滿足直放站增益與隔離度的要求；

（2）符合電梯覆蓋場景，高層電梯井使得一級放大信號無法有效覆蓋電梯轎廂，通過將電梯井的無線信號接收并放大饋送到電梯轎廂，覆蓋效果更好。

（3）方便引電，電梯井上方是電梯機房，一級直放站安裝在電梯機房，二級直放站安裝在電梯轎廂，電梯機房和電梯轎廂接電方便。

根據不同層高的電梯，新型無線電梯直放站的組成結構不一樣，具體分為以下三類：

對于低層電梯，新型無線電梯直放站采用一級放大無線直放站覆蓋，由無線接收模塊、信號放大器、無線發射模塊組合起來，如圖1所示。

圖1 低層無線電梯直放站結構圖

（2）對于中高層電梯，采用二級無線直放站覆蓋，由電梯機房的一級無線接收模塊、有源信號放大器模塊、無線發射模塊和電梯轎廂上的二級無線接收模塊、二級有源信號放大器、二級無線發射模塊組成，如圖2所示。

圖2 中高層無線電梯直放站結構圖

2.2 新型無線電梯直放站原理

新型無線電梯直放站采用有源天線作為接收和發射天線，信號放大器使用220V交流電，采用光電復合纜作為傳輸介質。總體來說分為3個模塊：信號接收模塊、信號放大模塊、信號發射模塊。5G無線信號經過信號接收模塊，將無線射頻信號轉換為光電信號，光電信號經過光電復合纜傳輸到信號放大器，放大后的光電信號經過光電復合纜到達信號發射模塊，發射模塊將光電信號轉換為射頻信號發射出去。圖3是無線電梯直放站工作原理圖。

圖3 無線電梯直放站工作原理

2.3 新型無線電梯直放站覆蓋方案

一級直放站接收天線安裝在樓頂信號接收良好的位置，要求四周無遮擋，如電梯機房頂部。發射天線安裝在電梯井頂部，有源信號放大器安裝在電梯機房，接220V交流電。二級直放站的接收天線和有源信號放大器安裝在轎廂頂上。二級直放站的發射天線安裝在轎廂內，二級直放站接收天線將電梯井內一級直放站饋入的宏站或微站信號放大，通過轎廂內的發射天線將信號發射到電梯內，實現電梯內信號良好覆蓋，如圖4所示。對于低層電梯，沒有二級放大，轎廂單元上不需要裝二級直放站，通過一級直放站的發射天線覆蓋電梯即可使轎廂內信號達到覆蓋要求，如圖5所示。

圖4 新型無線電梯直放站中高層覆蓋示意圖

圖5 新型無線電梯直放站低層覆蓋示意圖

3 新型無線電梯直放站分析

3.1 新型無線電梯直放站優點

概括起來，新型無線電梯直放站主要具有以下優點：

（1）全套系統不再使用饋線作為信號傳播媒介，適合未來5G部署，解決了傳統室內分布系統饋線覆蓋方式對5G信號衰減大的問題。

（2）不需要設計傳輸配套，節約傳輸資源。5G部署按照C-RAN機房組網，對緩解C-RAN組網的纖芯資源壓力具有重大意義。

（3）投資小，施工方便，建設周期短。不新增信源和對應的傳輸配套，各設備模塊安裝簡單，電梯井內無線纜布放，能夠實現快速建網。

（4）全為有源設備，便于監控故障點，方便維護。

3.2 新型無線電梯直放站指標要求

（1）增益要求

直放站的引入會降低宿主基站接收機的靈敏度，進而影響宿主基站的覆蓋面。接收機靈敏度跟噪聲系數、信號帶寬、解調信噪比等有關，一般來說靈敏度越高（數值越低），說明其接收微弱信號的能力越強，但也帶來容易被干擾的問題。對于接收機來說，靈敏度能滿足使用要求即可。接收機靈敏度S計算公式如下：

其中NF為接收機規定的最大噪聲系數，是設備（單級設備，多級設備，或者是整個接收機）輸入端的信噪比與這個設備輸出端的信噪比的比值。R*BW是接收機的每個信道帶寬，SNR是根據所選擇的調制和編碼方案要正確解調時所需最低的信噪比。IM是實施余量，包括分集損傷，DiversityGain表示分集增益。

假設直放站施主天線接收到的5G信號為Rx，5G基站輸出功率為Tx，則鏈路損耗為Tx-Rx，無線直放站上行增益Gu，無線直放站產生的白噪聲為No，噪聲系數Nf，則直放站到基站接收機功率為：

上行信號對基站的增量噪聲為ΔN：

對于二級級聯直放站，用Gu2、Tx2-Rx2表示二級直放站的增益和二級直放站到一級直放站的鏈路損耗，為簡化計算，假設每級直放站具有相同的級聯噪聲系數，即：

則二級直放站上行信號對基站的增量噪聲ΔN級為：

滿足（4）式時，無線直放站產生的噪聲淹沒在接收機噪聲下，無線直放站的噪聲不會對宿主基站產生影響；進一步可以分析直放站級聯對宿主基站接收機靈敏度的影響。

（2）隔離度要求

無線直放站上行增益Gu，下行增益為Gd，上行隔離度和下行隔離度分別為Iu和Id，根據直放站自激條件，以下兩者同時滿足才會產生自激：

因此直放站隔離度滿足Id+Iu>Gd+Gu，即可避免自激。實際使用中施主天線與重發天線的隔離度比直放站增益大于15dB，才能穩定工作。

3.3 新型無線電梯直放站對宿主基站容量的影響

由于電梯內人流較少，一般一部電梯滿載不超過15人，每人在電梯內的流量平均20M/S，假設5G市場占有率最高的運營商用戶數占比70%，用戶并發率50%。有規定，電梯從底層到頂層在空載情況下運行時間不超過1分鐘，假設電梯滿載運行區間平均30秒，則一部電梯給宿主基站額外增加的流量為3150M，增加的容量遠小于5G單載波容量，因此不會導致宿主基站網絡擁堵。

3.4 新型無線電梯直放站共建共享展望

電梯空間狹小，電梯信號建設需要電梯公司或者物業配合，因此電梯覆蓋要解決共系統共建問題，實現共建共享。新型無線電梯直放站的信號接收模塊和信號發射模塊按照共建共享要求設計，使信號接收模塊和信號發射模塊同時支持各家運營商5G信號的調制解調，同時滿足不同運營商的5G頻段隔離度要求，實現一家承建，多家共享的目標。

4 結束語

本文在5G正式商用的背景下，結合電梯覆蓋場景，在考慮電梯人流、話務量特點以及電梯覆蓋的必要性情況下，提出5G無線直放站電梯覆蓋新型方案。方案給出了新型無線電梯直放站在低層電梯，中高層電梯兩種不同電梯場景下的直放站構造。針對無線直放站對宿主基站的影響，分析了新型無線電梯直放站增益和隔離度指標要求。全套直放站不再使用饋線和無源器件，適應未來高頻段通信技術發展需求。5G無線直放站構造簡單可行，對于低成本快速建設電梯5G網絡具有重要指導意義。5G網絡建設各運營商處于同一起跑線，快速建設5G網絡覆蓋對運營商提高市場競爭力，保持網絡優勢，具有重要意義。