5G 時代4G/5G 共天饋面解決方案

余勇昌，張典，丁明玲

（1. 中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630；2. 中國電信集團有限公司廣州艾特實驗室，廣東 廣州 510630）

1 引言

隨著網絡建設的不斷推進，多系統、多制式的技術特征導致天面數量不斷增加，中國電信現有CDMA800、FDD1800、FDD2100 等制式的網絡覆蓋，未來4G/5G 協同組網將成為5G 發展的必然趨勢。在未來的較長一段時間內，多系統將同時共存，多套系統的天線將會同時占用天面資源。多運營商共用、多系統共存等因素的存在將會進一步導致天面空間受限、站點承重受限以及安裝環境受限三大挑戰。隨著2020 年5G 的大規模部署，天面資源的緊張程度將會進一步加劇。

2 5G 時代天饋面資源現狀

本文對中國電信的省公司進行了調研，以中國電信股份有限公司蘇州分公司（簡稱蘇州電信）為例，分析天饋面資源的現狀。蘇州電信進行5G試點前，其天饋面資源調查統計分析如下：共統計了50 個站點，其中41.5%站點為樓面抱桿站，4.4%站點為普通樓面塔，36.0%站點為普通地面塔，15.3%站點為景觀塔，如圖1 所示。其中城區塔站占比58.52%，塔站中單天面（一個方向單天面）占比34.01%，如圖2 所示。

圖1 蘇州電信天面資源分類調查情況

圖2 蘇州電信城區塔站天面情況

從以上站點分析結果可知，蘇州電信城區站點34.01%站點為單天面部署站點，且天饋抱桿長度有限，一般只能裝配長度在2.0 m 以下的天線。如圖3、圖4 所示。

圖3 蘇州電信的單管站

圖4 蘇州電信的樓頂塔站

圖3、圖4 站點均為鐵塔公司的站點，中國電信站點均布局在第二層，單天面情況多數集中安裝在這類單管塔及樓頂塔站。

圖5 站點為電信單獨部署站點，為單天面站點，由于抱桿高度受限，一個抱桿上還需要安裝RRU（remote ra2io unit，RRU），只能放置2.0 m長的天線，無法在現有抱桿上再增加天面。

圖5 蘇州電信的樓頂站

另外，蘇州新增站點23 個，其中2 個站點（占比9%）因居民投訴被迫拆除。后期通過對廣州、成都、無錫等地實地勘察，各地勘察情況均與蘇州勘察情況類似，其中廣州某試點區域規劃部署42 個站點，其中13 個站點（占31%）因物業反對而無法新增抱桿，如圖6 所示。

圖6 廣州試點區域42 個站天面勘察情況

從以上天面資源情況調查統計分析可知，多數站點為單天面情況，無法新增天面資源。另外，部分站點存在物業協調難、新增站點難的問題，未來5G 天線部署將面臨較大挑戰。

3 5G 時代單天面部署解決方案

對于雙天面場景，可通過一副多端口天線收編現有頻段，為5G 天線騰挪一個天面抱桿，部署難度不大。針對鐵塔單管、樓頂站等單抱桿場景，在增加部署3.5 GHz MM（massive MIMO，MM）天線時，有下面幾種可能的方案。

騰挪方案：將現有的天面騰挪給5G MM 天線，原有天線整合為一副集束天線，如圖7 所示。

圖7 鐵塔樓頂站-騰挪方案（集束替換原有天線）

加長抱桿：加長原有抱桿使其可進行雙天面部署（垂直切分），如圖8 所示。

新增抱桿：直接將單抱桿站點改造成雙抱桿站點（水平切分），如圖9 所示。

天面1:1 替換：用一副4G/5G 融合的天線替換原有的4G 天線，如圖10 所示。

圖8 電信樓頂站-加長抱桿方案（垂直切分）

圖9 電信的樓頂站-新增抱桿方向（水平切分）

圖10 電信的樓頂站-天面1:1 替換

由上面的分析可知，單天面情況下在增加3.5 GHz MM 天線部署時，共有4 種可能的方案，每種方案各有優缺點，現對每種方案根據不同的場景進行分析對比見表1。

表1 各方案單抱桿場景適用性對比

天面1:1 替換方案實現了4G/5G 共天饋面，簡稱此方案為“All in One”方案，即將4G、5G全部集合到一個天線內部。

從表1 可以看出，天面1:1 替換的方案適用于單天面的各場景，其他方案無法完全適用每種單抱桿場景。下面對各應用場景適用方案、主要投資成本、時間成本進行對比分析，詳見表2、表3。

通過對比可知，天面1:1 替換適用各類場景，同時能減少鐵塔租金等運營成本。同時，天面1:1替換，減少了物業協調時間及物業協調的費用，可快速建網搶占市場。因此，本文建議根據表4的不同場景選擇相應的方案。

由于5G 天線產品形態存在差異，因此All in One 方案存在多種可能的類型及架構，不同的方案的架構存在各自優缺點，以下將詳細介紹不同All in One 方案的架構設計、陣列設計、端口設計及不同設計方案優缺點。

表2 各方案主要成本對比

表3 各方案租金、施工周期成本對比

4 All in One 共天面解決方案

4G 時代天線為無源天線，5G 時代天線的形態主要有天線與RRU 合為一體的AAU（active antenna unit）方案和天線與RRU 分離的無源天線兩種方案。因此，2G/3G/4G/5G All in One 共天面解決方案存在兩種情況：2G/3G/4G/5G 全無源All in One 方案和2G/3G/4G 無源+5G 有源 All in One 方案。

表4 不同場景下方案選擇原則

4.1 2G/3G/4G/5G 全無源All in One 方案

4.1.1 架構設計

在郊區和農村中低容量場景及城區高容量廣覆蓋場景，可采用8TR/16TR MIMO 5G 天線與4G天線整合為一副全無源All in One 的天線，其整體架構設計如下。

天線外形一體化設計，內部可采用2G、3G或4G（主要為4G）和5G 天線堆疊設計的方式，也可采用4G 和5G 天線融合設計方式，最后分別與2G、3G、4G、5G RRU 通過跳線連接。這種方式只需要更換一副無源All in One 的天線、新增5G RRU 即可實現4G/5G 信號全覆蓋。全無源All in One 天線架構堆疊與融合設計如圖11 所示，相比4G 天饋面來說，需要增加一個RRU 器件，從鐵塔的租金計算來看，需要增加約10%的年租金。

4.1.2 陣列設計

由于全無源 All in One 天線內部可采用2G/3G/4G 和 5G 天線堆疊設計方式或采用2G/3G/4G 和5G 天線融合設計方式。因此，天線陣列的設計存在下面兩種形式，鑒于目前鐵塔天線迎風面積及尺寸要求，天線長度應小于或等于2.0 m，兩種架構設計的天線內部陣列設計如圖12 所示。

圖11 全無源All in One 天線架構堆疊與融合設計

堆疊架構陣列設計沿用傳統天線陣列設計，相當于將無源天線端口上移，在下方堆疊5G 的3.5 GHz 頻段8/16 端口天線陣列。傳統多頻8/16端口已成熟，僅在下方堆疊3.5 GHz 頻段陣列，實現難度不大。但因天線總長度限制為2 m，下方堆疊3.5 GHz頻段后，800 MHz、1 800 MHz、2 100 MHz等無源頻段的天線長度僅約1.2 m，如圖12 左邊的堆疊架構-陣列設計所示。由于長度受限，相應陣列數量會減少；且由于低頻段陣子布局在上方，主饋線加長，導致線路損耗增大，這兩個因素會導致800 MHz、1 800 MHz、2 100 MHz等無源頻段的增益下降，從而導致網絡覆蓋質量下降。

融合架構陣列是將5G 8/16 端口天線陣列和無源天線端口陣列進行融合設計，如圖12 右邊的融合架構-陣列設計所示，是將傳統無源天線的長度保持不變（2 m），在下方采用和5G 陣列融合的設計方式。由于陣列間距縮短，同時低頻段陣子會遮擋3.5 GHz 頻段陣子，陣列間耦合會加強，導致端口間隔離度變差，需要對陣列進行去耦設計。對于4G 頻段，由于800 MHz 天線長度可以達到2.0 m，1 800～2 100 MHz 陣列長度約為1.5 m，全無源All in One 融合方案將保持增益基本不變，不影響網絡覆蓋。

圖12 全無源All in One 天線堆疊與融合設計陣列對比

4.1.3 端口設計

All in One 天線的端面接口數急劇增加，將達到16/24 端口，端口數量增多，端面布局空間有限，如果按照現有7/16 連接器，會導致端面布局過于緊湊，工程安裝極為不便，可采用4.3-10 連接器進行布局；而對于3.5 GHz 頻段16 端口用4.3-10連接器布局過于緊湊，可以考慮采用集束連接頭。

由于集束連接器的插針十分細小，無法承受過大的外力，在對接時，如果公接頭和母接頭產生相對移動，容易導致插針的彎曲甚至斷裂，并且插針體積較小，外焊接線纜時不方便，焊接質量無法保證。因此，建議選用業界新推出的可靠性較高的MQ4、MQ5 連接器作為All in One 天線端口連接器，使All in One 中的5G 天線和4G 等無源天線端口滿足工程安裝的可靠性要求。

MQ4、MQ5 連接器與RRU 連接示意圖如圖13所示。

圖13 MQ4、MQ5 連接器與RRU 連接示意圖

4.1.4 全無源All in One 方案選擇

通過以上分析，兩種架構的天線主要區別在振子設計，融合方案需將不同頻段陣子進行嵌套，而堆疊方案類似純物理堆疊。堆疊方案實現相對容易，而融合方案陣子間距小，陣子間耦合增加，需要進行去耦處理，實現技術難度相對較大，兩種方案詳細對比見表5。

從表5 可以看出兩種架構All in One 方案中，融合方案技術難度大，同時成本會高于堆疊方案，但是可獲得一定增益收益。

4.2 2G/3G/4G 無源+5G 有源 All in One 解決方案

4.2.1 架構設計

目前5G 試驗網主要是天線與RRU 合為一體的AAU 有源方案。要實現單天面場景下網絡部署，需將2G/3G/4G 無源天線（主要為4G）與5G AAU 集合到一起的無源+有源All in One 方案，整體架構設計如圖14 所示。

圖14 無源+有源All in One 堆疊、融合設計架構

表5 兩種架構All in One 方案對比

天線一體化設計，由于5G AAU 體積、重量均大于無源天線，難以封裝于無源天線罩內部，所以只能采用物理堆疊的方式。而天線總體長度受限，堆疊后將導致無源天線的長度變短，低頻段陣子減少，因此必須采用堆疊+融合的方式將4G無源天線陣子與5G AAU 進行一體化設計，以保證低頻段的增益，實現無源+有源All in One 方案。

4.2.2 陣列設計

無源+有源All in One 架構的天線外形為堆疊設計，5G AAU 陣列存在兩種設計架構：獨立設計及融合設計。鑒于目前鐵塔天線迎風面積及尺寸要求，天線長度應小于2.0 m，兩種架構設計的天線內部陣列設計如圖15 所示。

堆疊架構陣列設計（如圖15 左邊所示），天線陣列設計難度不高，只需要在4G 天線陣列上方堆疊3.5 GHz MM 陣列。但此種設計方式帶來的問題是低頻陣列（800 MHz）和中頻陣列（1 800 MHz 和2 100 MHz ）的長度不滿足（長度約只有1.2 m），從而導致增益下降。

堆疊+融合架構陣列設計（如圖15 右邊所示），5G MM 天線陣列和4G 天線陣列融合設計，將低頻段（800 MHz）陣列延伸到5G MM 陣列中，設計難度較大。該方案陣列間距縮短，同時低頻段陣子會遮擋3.5 GHz 頻段陣子，陣列間耦合增加，導致端口間隔離度變差，需要進行去耦設計。該設計800 MHz 天線振子的長度可以達到2.0 m，1 800～2 100 MHz 陣列長度約為1.2 m，All in One 融合后低頻段（800 MHz）增益將不會降低。

4.2.3 端口及級聯設計

無源+有源All in One 的架構是基于堆疊加融合的設計方式，該方案除了將有源AAU 和無源天線陣列組合到一起外，同時需要將融合于AAU 內部的低頻陣子與4G 天線陣列相連，4G 移相器和饋電網絡集成于4G 天線內部。

有源和無源模塊需要做防水處理，需要將射頻接頭通過外加防水線纜進行5G AAU 和無源天線的上下級聯。考慮到防水及接頭美觀要求，級聯接頭建議采用MQ4 連接器，該連接器滿足防水性能要求，同時施工簡單。堆疊+融合方案級聯設計如圖16 所示。

圖15 2G/3G/4G/5G 無源+有源All in One 堆疊架構+融合陣列設計

圖16 無源+有源All in One 級聯設計

4.2.4 無源+有源All in One 方案比較

通過以上分析，兩種不同架構的天線設計從外形來看，主要區別是堆疊+融合方案需要將不同頻段陣子進行嵌套，陣子間距小，陣子間耦合增加，需要去耦處理，實現技術難度相對較大；而堆疊方案屬于純物理堆疊，實現較容易。兩種方案詳細對比見表6。

從表6 可以看出兩種架構All in One 方案中，堆疊+融合方案技術難度大，成本較高，但可維持增益基本不變。

5 All in One 面臨的問題及解決建議

通過以上分析可知，All in One 天線可能存在以下問題及解決建議，見表7、表8。

表6 不同陣列設計方案對比

表7 全無源All in One 天線存在的問題及解決建議

表 8 無源+有源All in One 天線可能存在的問題及解決建議

6 結束語

本文根據5G 時代天饋面資源現狀，對5G 時代單天面場景部署的解決方案進行了詳細分析，提出了一種適合中國電信單抱桿網絡建設場景的2G/3G/4G/5G All in One 共天饋面解決方案。

All in One 解決方案根據應用場景主要分為全無源All in One 和無源+有源All in One 兩種類型，針對以上兩種All in One 類型，本文對其架構、陣列設計、端口/級聯設計及可能存在的問題及相應解決建議進行了深入分析和總結，驗證了All in One 方案的可行性。