5G 室內新型覆蓋方案對比與分析

陳燕雷，孟俊仙，劉瑋，王勛

（1. 中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080；2. 首鋼工學院，北京100144）

1 引言

5G 時代，將有80%的業務發生在室內，2.6 GHz和3.5 GHz 頻段信號穿透能力有限，依靠室外宏基站進行室內覆蓋區域有限、性能也有限，因此，5G 室內覆蓋建設對5G 網絡快速、規模化的落地顯得尤為重要。雖然由于頻段較低、穿透能力的提升使得700 MHz 頻率的發放能夠適當緩解5G室內覆蓋建設的規模壓力，但是700 MHz 的5G產業鏈成熟需要時間推動，況且深度覆蓋問題依然需要依靠5G 室內分布系統解決。

當前，5G 室內覆蓋方案大多采用兩種：一種是直接依賴原有4G 無源室內分布系統進行5G 信號的饋入，簡稱傳統DAS 饋入系統，單饋線場景即獲取單流的性能，雙饋線場景即獲取雙流的性能；另一種是針對新建場景，部署分布式皮基站，能夠獲取4 流的5G 性能，但其成本卻是傳統DAS饋入系統的近5 倍。

隨著新技術的演進，新型室分建設方案層出不窮，如RRU/pRRU+射頻功率放大設備、多通道合并、變頻系統等，相較于傳統DAS 饋入、分布式皮基站等傳統室分覆蓋方案，具有成本低、性能好的特點，可以在相適配的場景作為可選覆蓋方案。為此，本文通過對比與分析，指出上述每種新型室分方案的技術原理、關鍵問題、產業現狀、在實際落地中需要關注的問題和部署建議，從性能、成本、部署施工難易度方面做了優劣勢分析，見表1。

? RRU/pRRU+射頻功率放大設備少量增加投資，無法提升業務速率，可以在僅對覆蓋有要求的室分場景使用，已應用于運營商某些省份的5G 室內建設工作中。

? 多通道合并的改造可以在少量增加投資以及施工難度的基礎上提升業務速率，在樓板隔斷損耗不大的情況下使用，已大規模應用于運營商的5G 室內建設。

? 變頻系統可以有效提升單路布線系統的覆蓋效果，但是由于需要全量替換原有布線系統的天線和耦合器，施工難度較大，而且存在造價偏高的問題，已應用于運營商某些省份的5G 室內建設工作中，特別是使用3.3～3.5 GHz 頻段的場景。

表1 新型室分建設方案優劣勢對比

2 RRU/pRRU+射頻功率放大設備基本性能與部署關鍵問題

2.1 技術原理與基本性能

射頻功率放大設備（ra2io frequency power amplifier，RFPA）本身是RRU 的重要組成部分，在RRU 的數字前端電路中，調制振蕩電路所產生的射頻信號功率很小，為了順利將信號送到天線上進行輻射，需要通過一系列的PA 進行功率放大。評估PA 的關鍵性能指標包括工作頻率和帶寬、輸出功率及效率、線性度鄰道泄漏比（a2jacent channel leakage ratio，ACLR）等。與4G 相比，5G 大帶寬條件下如何保障線性度ACLR 指標，對PA 的設計具有一定挑戰性，需引入性能較高的數字預失真（2igital pre2istortion，DPD）算法才能解決。

目前，5G 射頻單元的產品規格包含針對宏基站的2T2R RRU 和針對皮基站的 2T2R/4T4R pRRU，前者單通道發射功率100 W，后者單通道發射功率250 mW/400 mW。根據常規室分場景（每層樓宇1 000 m3）的傳播模型計算及實際外場經驗來看，2T2R RRU 能夠覆蓋15 層，2T2R/4T4R pRRU 能夠覆蓋300 m3。以一棟30 層樓、總面積35 000 m3的大樓、雙饋線場景（不考慮電梯）為例，如果僅解決覆蓋問題，則需要2 臺 2T2R RRU，或者116 臺 2T2R/4T4R pRRU。為了延伸RRU、pRRU 的覆蓋范圍，降低室內覆蓋的總體造價，可外接射頻放大設備，進行二次功率放大，

為驗證該方案的技術可行性，選取某樓宇中的4 層作為試點驗證場景，該場景為雙饋線場景，且每層1 000m3，信源僅為1 個4T4R pRRU，外接2 臺2 W 射頻功率放大設備，以保障每層樓宇每路輸出30 2Bm，組網拓撲如圖1 所示。

在4 層中隨機選擇多個測試點進行上、下行吞吐量測試，并與單站驗證的性能指標要求進行對比，對比結果如圖2 所示；同時對4 層進行覆蓋遍歷測試，平均SSB RSRP 可達?80 2Bm。綜上所述， pRRU+射頻放大設備方案確實可有效擴大pRRU 覆蓋范圍，將原來無法被5G 覆蓋的樓層達到平均RSRP 為?80 2Bm 的5G 覆蓋效果，且上、下行吞吐量滿足室內覆蓋單站驗證指標要求。該方案同樣適用于RRU 作為信源場景，以擴大RRU的覆蓋范圍。

圖1 pRRU+射頻功率放大設備測試驗證組網拓撲

圖2 pPPU+射頻功率放大器的性能對比分析

2.2 關鍵問題

該方案在實際部署過程中，需要重點關注如下兩個問題。

（1）射頻指標保障與成本之間的平衡問題

射頻功率放大設備內部PA 電路對輸入功率有一定要求，如輸入功率為0 2Bm，則為了滿足

RRU 50 2Bm（100 W）/pRRU 24 2Bm（250 mW）到射頻功率放大設備的0 輸入之間的轉換，除了饋線本身的饋線損耗之外，在RRU/pRRU 到射頻功率放大設備之間還需引入至少12 2B 的衰減器，這之后再通過射頻功率放大設備內部的PA 將信號方法至33 2Bm，以滿足樓層的5G 覆蓋性能，如圖3 所示。如第2.1 節所述，5G 大帶寬條件下，該方案這種僅在射頻域進行信號衰減和放大的方法對線性度ACLR 等指標的滿足提出了很高的挑戰，如果ACLR 指標下降，會直接引起EVM 指標下降、上下行吞吐量性能下降。為了解決該問題，就需要射頻功率放大設備中引入性能較高的DPD算法，以保障ACLR、EVM 等性能指標不下降，此時射頻功率放大設備的成本會有所提高，DPD 算法對研發人員的能力也有一定要求，這也是當今5G射頻功率放大設備行業較為冷淡的原因之一。

（2）控制底噪問題

引入射頻功率放大設備必然會引入底噪，底噪大小由射頻功率放大設備噪聲系數、放大增益、級聯方式3 個因素決定。RRU/pRRU 外接一個射頻功率放大設備的底噪抬升計算如式（1）和式（2）所示。

圖3 pRRU+射頻放大設備方案的關鍵參數典型配置

其中，NFeNo2eB為底噪抬升程度，NREF為射頻功率放大設備噪聲系數，GREF為射頻功率放大設備上行放大增益，LeNo2eB?REF為RRU/pRRU 到天線頭端的饋線損耗。可以看出，上行放大增益如果只是彌補RRU/pRRU 到天線頭端之間的饋線損耗，那么底噪抬升程度最低，且只依賴于射頻功率放大設備本身的噪聲系數。若RRU/pRRU 外接N個射頻功率放大設備，且多個射頻功率放大設備之間采用并聯的方式，如圖4 所示，則底噪抬升計算式如式（3）所示。

圖4 RRU/pRRU 外接多個并聯射頻功率放大設備的組網架構

通過上述分析可以看出，為最小化底噪抬升，射頻功率放大設備噪聲系數需要盡量低，控制在3 2B 以內，且上行增益需要可調并只用來彌補RRU/pRRU 到天線頭端之間的饋線損耗。當然，室內場景不同于室外場景，天線之間距離較近，SSB 平均RSRP 較高，覆蓋性能較好，該場景下對底噪的敏感程度較室外場景低，一定程度下的底噪抬升不會對用戶的上、下行吞吐量產生影響。此外，還可通過同時調整射頻功率放大設備的上行放大增益和基站P0 參數解決底噪問題。

2.3 產業現狀與部署建議

由于5G 大帶寬要求射頻功率放大設備中需引入DPD 等算法才能保障射頻指標和吞吐量性能，導致射頻功率放大設備研發難度加大、成本增加，因此，5G 時代的射頻功率放大設備產業較為冷淡。

通過第2.1 節的測試結果可知，RRU/pRRU+射頻功率放大設備方案可用于室內覆蓋場景，延伸RRU 和pRRU 的覆蓋范圍，適用于解決覆蓋問題。但是，實際部署時：（1）體現低成本優勢，特別是與傳統DAS 直接饋入5G 信源方案相比；（2）要嚴格對射頻功率放大設備的產品指標進行檢測；（3）依據實際室分場景，調整射頻功率放大設備內部的上、下行放大增益、衰減器增益，以滿足覆蓋要求；（4）特殊情況下，為降低底噪抬升問題，基站需配合修改P0等參數，以保障該方案的實際落地的覆蓋和吞吐量效果。

3 多通道聯合收發技術基本性能與部署關鍵問題

3.1 技術原理與基本性能

4G 時代試圖通過錯層制造空分復用，即Rank=2 的無線環境下在單饋線場景實現雙流MIMO 的技術，但受限于終端無法保障雙路功率差異較大時的解調性能，室內場景又無法做到錯層覆蓋功率差嚴格控制在3 2B 以內，因此，該方案沒有被大規模推廣應用。

3GPP 標準的演進（手機多通道接收差異在30 2B 以內時均需要正確解調）、終端解調能力的提升（經調研，2019 年2 月份之后發布的手機均符合3GPP 規范要求），使得通過錯層制造空分復用無線環境實現多流MIMO 的技術具備了大規模推廣應用的前提，為了最大化體現通過錯層制造空分復用無線環境實現多流MIMO的性能，還需要基站側進行一系列的軟件優化工作。錯層制造空分復用無線環境實現多流MIMO 和基站側一系列的優化技術可統一稱為多通道聯合收發技術。

為驗證該方案的技術可行性，依然選取某樓宇中的8 層作為試點驗證場景，采用NSA 架構，其中4 層為單饋線場景，通過多通道合并技術實現雙流，測試結果與DAS 雙流方案進行對比；另外4 層為雙饋線場景，通過多通道合并技術實現四流，測試結果與4T4R 分布式皮基站方案進行對比。單饋線場景4 層樓的組網拓撲如圖5 所示，雙饋線場景4 層樓的組網拓撲如圖6 所示，測試驗證效果如圖7 所示。

圖5 單饋線場景下多通道合并技術試點驗證組網拓撲

圖6 雙饋線場景下多通道合并技術試點驗證組網拓撲

圖7 多通道合并技術試點驗證效果

可以看出，單饋線場景下可通過多通道合并技術達到傳統雙路DAS 方案的覆蓋與吞吐量性能；雙饋線場景下可通過多通道合并技術達到4T4R 分布式皮基站方案的覆蓋與吞吐量性能。然而，該室分場景SSB 平均RSRP 較強，大約為?70 2Bm，而多通道合并技術的關鍵卻是在弱場，如SSB RSRP 為?100～?90 2Bm 的環境下不能出現負增益，且需要進一步驗證多通道功率不同差異大小時的性能。

3.2 關鍵問題

該方案在實際部署過程中，需要重點關注如下兩個問題。

（1）多流并不一定等同于高吞吐量

多通道合并技術的本質是最大化發揮無線場景中的多徑特性（即多流），使多徑特性的利用不受限于饋線數目的條件限制，然而，場景中的多徑特性只是高吞吐量的影響因素之一，其他因素還包括信號強度、干擾程度、調制編碼方式等。因此，多流并不直接等同于高吞吐量，如一個雙流256QAM 場景下的吞吐量可能會優于三流64QAM 場景下的吞吐量，多通道合并技術也只是提高了高吞吐量的發生概率。

（2）在強場且多通道間功率差控制在一定范圍內，才有性能優勢

現有基站在決策用戶傳輸數據使用的流數時，信號強度是關鍵因素之一，當信號強度較弱或者干擾較大時，一般只會用單流傳輸，此時多通道合并技術便會失去作用。同樣的原理，當多通道功率差較大時，如兩通道功率分別為?95 2Bm 和?125 2Bm 時，其中一個通道已經到達手機解調門限的臨界點，則此時多通道合并技術也會失去作用，如果處理不好還會損失一部分吞吐量性能，即帶來一定的負增益。

3.3 產業現狀與部署建議

從前文可以看出，多通道合并技術可最大化發揮無線場景中的多徑特性（即多流），使多徑特性的利用不受限于饋線數目的條件限制，從而提高了高吞吐量的發生概率。因此，目前主流設備廠商均在積極研發相關算法，進展順利，算法研發工作主要包括：（1）使多通道合并技術適配不同使用場景，如覆蓋弱場、多通道功率差較大時的場景，確保多通道合并技術的系統增益大于或等于1；（2）實現多RRU 間的單用戶多流傳輸（SU-MIMO）技術，類似于小區合并技術。

該方案可有效提升用戶吞吐量，適用于對速率有要求的室分場景，在該方案實際部署中，需要：（1）按照3GPP 規范給出的標準，為了適配目前手機終端的解調能力，部署過程中需確保多通道功率差在30 2B，即兩層樓之間的樓板穿透損耗和空間損耗小于30 2B，以享受多通道合并技術帶來的性能增益；（2）驗證主設備廠商多通道合并技術的研發完整性，以免在覆蓋較弱場景或者多通道功率差異大于30 2B 的場景下引入性能負增益。

4 變頻系統基本性能與部署關鍵問題

4.1 技術原理與基本性能

變頻系統通過新增近端機、遠端機，利用原有單路饋線DAS 系統實現5G 2T2R 室分覆蓋。其中，近端機包括變頻器功能：將5G 雙路中的一路2.6 GHz 信號變頻至600 MHz，另一路2.6 GHz 信號不變；數字同步功能：保證5G 變頻實現上下行時隙轉換；直流供電功能：用于遠端機供電。遠端機包括變頻器功能：將600 MHz 的輸入信號還原成2.6 GHz 信號，與原來一路2.6 GHz 信號組成兩路信號進行輸出，實現2T2R；底噪消除功能，用于1 個近端機拖帶N個遠端機時的底噪消除，組網架構如圖8 所示。工程建設內容包括替換無源天線為有源天線、替換部分現有合路器/耦合器。

為驗證該方案的技術可行性，按照圖8 所示，選取一棟單饋線場景，NSA 架構進行試點驗證，驗證效果如圖9 所示。可以看出，變頻系統可在傳統單路DAS 場景下實現5G 2T2R 覆蓋：下行平均速率為650 Mbit/s；與傳統單路DAS 系統相比提升80%，達到雙路饋線DAS 的效果。

4.2 關鍵問題

變頻系統的關鍵問題在于以下幾點。

（1）引入額外施工工作量，且質量要求較高

主要來源于替換無源天線為包含有源天線在內的遠端機、替換近端機到遠端機之間的耦合器為過電耦合器，以滿足給遠端機供電的需求；由于為有源系統，所以在施工過程中需重點關注短路問題，需要一次性對原有室分系統的無源天線進行替換，以免出現短路問題；同時，由于需要替換天線及耦合器，所以要求原有室分設計圖紙清晰準確。

（2）同步模塊上、下行時隙切換準確、高效

由于5G 是TDD 模式，所以變頻路也需要進行上、下行時隙切換，需滿足時隙切換準確要求，如靈活適配UL: DL=2: 8 或者UL: DL=3: 1 的場景；且上、下行時隙切換要求快速、高效，100 ns以內能夠確保不損失上、下行吞吐量性能，如果切換過慢會影響若干sysmbol 數據無法正常接收，從而影響吞吐量性能。

（3）底噪問題

底噪問題同pRRU+射頻功率放大設備方案，要求放大增益只補償饋線損耗，且噪聲系數不宜過大，盡量保證在5 2B 以內。

圖8 變頻系統組網架構

圖9 變頻系統試點驗證效果

4.3 產業現狀與部署建議

變頻系統在4G 時代即已成熟，區別在于不同廠商之間成本差異較大，而成本若高于傳統單路DAS 系統通過新增一路饋線實現雙路方案，則競爭力會明顯下降。

該方案同樣可有效提升用戶吞吐量，適用于對速率有要求的室分場景，在實際部署過程中，需注意要一次性替換原有室分系統中的所有無源天線為有源天線，所有耦合器為過電耦合器，以免出現短路問題。

5 結束語

RRU/pRRU+射頻功率放大設備、多通道合并、變頻系統3 個方案均屬于5G 室內新型方案，其中，RRU/pRRU+射頻功率放大設備方案主要解決覆蓋問題，多通道合并、變頻系統方案主要適用于對速率有要求的場景。3 種方案目標場景不同，彼此之間互不沖突，且能彼此融合使用，進一步提升吞吐量性能，如RRU/pRRU+射頻功率放大設備和多通道合并技術融合使用，可在單饋線場景實現5G雙流的覆蓋效果；變頻系統和多通道合并技術融合使用，可在單饋線場景實現5G 四流的覆蓋效果。

上述3 種方案在施工部署過程中均有需要關注的問題，如第2.3 節、第3.3 節、第4.3 節所述，旨在給5G 室內建設工作提供有力支撐，同時建議后續研究多種室內新型覆蓋方案的融合管控手段，做到統一可視化管理。