5G室分分布式MIMO建設方案研究

李隆平，魯 星

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

截至目前，我國已建5G基站超70萬余座。5G時代流量大爆發，運營商5G網絡建設策略將由現在的廣覆蓋向深度覆蓋轉變，重點城市、重點區域以及重點場景等先行部署5G網絡，未來幾年5G室分網絡將步入大規模部署期[1]。當前行業增量不增收，運營商部署5G室分成本壓力增大，為緩解面臨的巨大資金投入壓力，尋求低成本、高效率的創新性解決方案成為5G室分建設主流。

1 5G室分網絡加速垂直業務發展

1.1 大帶寬、高速率業務需求

5G時代，視頻平臺為用戶提供更好的視覺體驗。通過提升視頻分辨率，視頻播放畫質水平可以達到4K/8K級。超高清內容生產廠商將選擇具備超高清視頻播放功能的平臺進行合作，屆時支持超高清視頻播放的平臺將獲得更多的內容資源，以此提升平臺整體的載客能力，吸引大量的流量進入，同時轉化更多的付費用戶[2]。

1.2 廣連接業務需求

隨著物聯網的快速部署和5G網絡技術的不斷突破，大量新興市場應運而生，例如車聯網、智慧城市以及智慧家居等。此類行業涉及到大量終端互聯的場景，5G網絡支持海量終端設備的連接，因此5G對于車聯網、智慧城市和智能家居場景的發展起到了較大的推動作用。目前這些產業的市場規模整體均呈現上升趨勢，尤其在5G商用后，車聯網、智慧城市以及智能家居將迎來突破式發展[3]。

1.3 高可靠、低時延業務需求

5G的一個應用場景是無人駕駛、遠程醫療、工業自動化等的高可靠、低時延連接。人與人正常進行信息交流的時延大約是140 ms，如果這個時延應用于無人駕駛、遠程醫療、工業自動化等領域，就難以保障其持續穩定的運行。5G網絡的時延是1 ms以內，這就對網絡技術提出了更高的要求[4]。

2 5G室分建設面臨挑戰

運營商5G部署策略由室外廣覆蓋向室內深度覆蓋轉變，優先做好城市、重點區域、重點場景等5G室分網絡建設，未來3年內呈現大規模建設5G室分網絡態勢。目前個人業務仍然占據運營商運營業務的重要部分，快速高效低成本部署5G室分網絡尤為迫切。與2G/3G/4G網絡相比，建設5G室分網絡又面臨新的巨大挑戰[5]。一是5G室分業務具有頻段高、穿透衰耗大以及進入大規模布署期等特點，80%以上業務發生在室內；二是5G室分大規模快速部署帶來巨大資金壓力，5G有源室分功耗較大導致運營成本增加；三是建設工期長，多家電信企業多次進場等增加物業協調難度；四是短期內5G信源主設備供貨及時性難以得到保證。

3 5G室分分布式MIMO技術原理

3.1 建立5G室分分布式鏈路預算模型

依據5G信號室內空間自由傳播的特點建立5G室分分布式鏈路預算模型，如圖1所示[6]。

圖1 5G室分分布式鏈路預算模型

根據協議3GPP 38.901原理闡述，室內空間自由傳播損耗可采用如下公式進行計算[7]：

式中，fc代表頻率，單位為GHz；d3D代表終端與天線的距離，1 m≤d3D≤150 m。

3.2 測算MIMO天線間距對峰值速率影響

移動5G室分采用2.6 GHz頻段，與4G接近，MIMO（2T2R）天線間距可參考4G。電信聯通5G室分采用3.5 GHz頻段，本次測試重點關注3.5 GHz頻段下5G室分MIMO（2T2R）天線間距對峰值速率的影響。

選擇3個典型覆蓋點位，每個天線點位兩副天線的布放間距按信源發射頻段3.5 GHz進行計算，分別設置為6入（0.5 m）、10入（0.86 m）、15入（1.3 m），同時分別設置天線間距0.5 m、0.86 m、1.3 m以及1.6 m。在同一試驗測算條件下，為了確保不同位置下測試的峰值速率接近理論值，在同一天線間距下極近點取典型值的3個點位的平均吞吐率，近點取典型值的3個點位的平均吞吐率，中點取典型值的3個點位的平均吞吐率，遠點取典型值的3個點位的平均吞吐率。取以上4個位置點測試所得的最高吞吐率作為該布放天線間距下的峰值速率，通過對比不同天線間距下的峰值速率，尋找MIMO（2T2R）的最佳天線布放間距。

由測試數據可知，極近點處的吞吐率受天線間距變化的影響較小，近點和遠點吞吐率受天線間距變化影響較大。天線間距控制在0.8 m及以上吞吐率較高，天線間距控制在1.3 m吞吐率達到最佳[8]。

3.3 5G室分分布式MIMO技術優勢

相比4G，5G擁有大規模天線（Massive MIMO）技術的優勢。Massive MIMO技術原理為通過多天線立體化多維度同時建立信號傳輸通道，實現信號的空間復用和數據傳輸速率的提升。室內分布式MIMO是該技術在室內的一種應用形式，是指利用一臺或多臺主設備信源的不同通道將傳統無源室內分布系統的多個收發節點聯合起來構建更高維度的多天線收發系統，達到多通道聯合收發信號和提高目標覆蓋區域5G峰值速率的目的。5G室分分布式MIMO（2T2R）組網如圖2所示[9]。

圖2 5G室分分布式 MIMO（2T2R）組網

4 5G室分分布式MIMO建設方案

當前5G室分分布式MIMO主要有兩種技術應用方案，一是同樓層分布式MIMO覆蓋技術方案，二是跨樓層分布式MIMO覆蓋技術方案[10]。

4.1 同樓層分布式MIMO覆蓋技術方案

同樓層分布式MIMO主要指將同一樓層覆蓋不同區域且相鄰的室內分布系統作為主設備信源的分布式MIMO使用，不同支路的室內分布系統發射的信號覆蓋至相同區域后形成分布式MIMO區域，從而達到提升目標覆蓋區域峰值速率的目的。在環境較好的條件下，同層雙路室內分布系統間分布式MIMO 4T4R組網時5G下載速率預計提升30%～50%。

4.2 跨樓層分布式MIMO覆蓋技術方案

跨樓層分布式MIMO主要指將相鄰樓層覆蓋相同對應區域的分布系統作為主設備信源的分布式MIMO通道使用，不同樓層發射的信號穿透樓板后與相鄰樓層形成分布式MIMO區域，從而達提升峰值速率。在環境較好的條件下，跨樓層雙路分布系統分布式MIMO 2T2R組網時5G下載速率預計提升10%～20%。

5 5G室分分布式MIMO應用場景

一是單層樓宇面積較大，需要多路室分系統進行覆蓋，且相鄰兩組分布系統間環境相對開闊，存在部分無線信號重疊覆蓋區，如地下停車場、超市、生產車間、倉儲式購物中心以及低容量地鐵站站廳等。二是多層樓宇，單層面積較小，但相鄰兩層建筑建構相同，分布系統部署方式相近，樓層間無線信號穿透損耗不大（如層間樓板較薄、層間存在開放天井區域等），本層可收到跨層無線覆蓋信號，如寫字樓、酒店、醫院住院部等。三是同時具備一、二類建筑特征，單層面積較大、多層間建筑結構相同、分布系統部署方案相近，同層及跨層間均可能收到多組分布系統覆蓋信號，如大型商場、展覽館、醫院門診大樓低樓層區域、酒店低樓大廳以及宴會層等。

6 結 論

積極創新探索5G室分低成本、高效率、快速部署方案，有助于緩解運營商短期內面臨的巨大資金壓力，同時盤活運營商超100萬套存量室分站址。基于這種策略，5G室分分布式MIMO建設方案是其中一種技術創新嘗試，為后期5G室分建設積累了寶貴的實踐經驗。