基于5G數(shù)字化分布系統(tǒng)的奇偶錯(cuò)層覆蓋技術(shù)研究

摘要：隨著5G技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋將會(huì)是5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮重要作用的場(chǎng)景。基于新型數(shù)字化分布系統(tǒng)的多通道結(jié)合收發(fā)奇偶錯(cuò)層室內(nèi)覆蓋技術(shù)，把分布式系統(tǒng)的多個(gè)收發(fā)節(jié)點(diǎn)聯(lián)合起來(lái)構(gòu)建一個(gè)更多維度的虛擬多天線收發(fā)系統(tǒng)，通過(guò)算法，解決現(xiàn)有分布系統(tǒng)多通道間功率不平衡等問(wèn)題，為5G網(wǎng)絡(luò)的快速建設(shè)和低成本運(yùn)營(yíng)提供了良好的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：5G；數(shù)字化；分布系統(tǒng)；錯(cuò)層覆蓋

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.01.005

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 929.5? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? 文章編碼：1672-7274（2024）01-00-03

Research on Parity Dislocation Layer Coverage Technology Based on 5G Digital Distribution System

LIN Tuanping

（Gongcheng Management Consulting Co.， Ltd.， Guangzhou 516030， China）

Abstract： With the large-scale application of 5G technology， deep coverage of indoor networks will be a scenario where 5G plays an important role. Based on the new digital distribution system's multi-channel joint transmission and parity staggered indoor coverage technology， multiple transmission nodes of the distributed system are combined to build a virtual multi-antenna transmission and reception system with more dimensions. Through algorithms， problems such as power imbalance between multiple channels in the existing distribution system are reduced， providing good technical support for the rapid construction and low-cost operation of 5G networks.

Key words： 5G; digitization; distributed system; staggered coverage

1? ?研究背景

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，由于其信號(hào)穿透性差的特點(diǎn)，室外基站難以兼顧室內(nèi)的信號(hào)覆蓋效果，因此5G網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)分布工程尤為重要。目前，各大通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商新建的數(shù)字化室內(nèi)分布系統(tǒng)主要以光纖和網(wǎng)線為介質(zhì)，采用接入單元MAU、擴(kuò)展單元MEU、遠(yuǎn)端單元MRU三級(jí)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的架構(gòu)。新型數(shù)字化室內(nèi)分布系統(tǒng)相比傳統(tǒng)分布系統(tǒng)具有升級(jí)方案更簡(jiǎn)單、性能更優(yōu)、施工更便捷的優(yōu)點(diǎn)^[1]，但與現(xiàn)有的室內(nèi)分布系統(tǒng)不兼容，需要重新建設(shè)，經(jīng)常存在物業(yè)協(xié)調(diào)難度大、施工進(jìn)度受影響等問(wèn)題，難以快速實(shí)現(xiàn)室內(nèi)信號(hào)覆蓋的目的。

2? ?當(dāng)前各種室內(nèi)分布系統(tǒng)分析

現(xiàn)有室內(nèi)分布系統(tǒng)主要為大量4G傳統(tǒng)DAS室內(nèi)分布系統(tǒng)，DAS室分系統(tǒng)大都通過(guò)RRU側(cè)進(jìn)行合路，新型數(shù)字化分布系統(tǒng)多在BBU側(cè)進(jìn)行合路，并通過(guò)合路單元解決從BBU到達(dá)RHUB之間的合路問(wèn)題。新型數(shù)字化室分系統(tǒng)采用三級(jí)架構(gòu)，通過(guò)數(shù)字化設(shè)備提升，借助4T4R技術(shù)滿足5G網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)網(wǎng)的共同覆蓋，并能夠進(jìn)一步支持nTnR的網(wǎng)絡(luò)，提升客戶體驗(yàn)。但在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)覆蓋的背景下，新型數(shù)字化室分系統(tǒng)的缺點(diǎn)也比較明顯。

（1）當(dāng)前室內(nèi)分布系統(tǒng)大部分使用單通道模式的無(wú)源系統(tǒng)，其器件以及天線都無(wú)法支持5G MIMO系統(tǒng)，峰值速率難以達(dá)到用戶的期望。

（2）5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋基本以有源室分系統(tǒng)為主，包括接入單元MAU、擴(kuò)展單元MEU、遠(yuǎn)端單元MRU。接入單元MAU、擴(kuò)展單元MEU、遠(yuǎn)端單元MRU等，設(shè)備造價(jià)一般是4G設(shè)備的數(shù)倍，雖然網(wǎng)線+光纖的連接方式在一定程度降低了建設(shè)費(fèi)用，但總體建設(shè)費(fèi)用增加較大。

（3）對(duì)纖芯資源的需求量非常大，需重新制定室分基帶池集中放置或下沉部署策略^[2]。

（4）能耗偏高，新型數(shù)字化分布系統(tǒng)采用的設(shè)備數(shù)量較多，經(jīng)過(guò)測(cè)算，若全部采用有源方案，同等的覆蓋范圍內(nèi)，需要用到7～8倍的傳統(tǒng)4G室分系統(tǒng)能耗，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本增高^[3]。

3? ?基于新型數(shù)字化室分系統(tǒng)的奇偶錯(cuò)層覆蓋技術(shù)

3.1 多通道聯(lián)合收發(fā)奇偶錯(cuò)層技術(shù)原理

多通道錯(cuò)層室內(nèi)覆蓋技術(shù)主要原理是利用一個(gè)或多個(gè)RRU的不同通道，把分布式系統(tǒng)的多個(gè)收發(fā)節(jié)點(diǎn)聯(lián)合起來(lái)構(gòu)建一個(gè)更多維度的虛擬多天線收發(fā)系統(tǒng)，通過(guò)算法，消減傳統(tǒng)分布系統(tǒng)多通道間功率不平衡帶來(lái)的負(fù)面影響，不再受限于傳統(tǒng)分布系統(tǒng)嚴(yán)苛的物理鏈路均衡要求，實(shí)現(xiàn)多流效果。該方案只需要對(duì)現(xiàn)有的饋線系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)改造，不需要大量新建光纜資源，所用5G設(shè)備的數(shù)量也相應(yīng)減少，能夠很好地解決5G室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本高的問(wèn)題。

3.2 多通道聯(lián)合收發(fā)奇偶錯(cuò)層技術(shù)思路

小區(qū)的用戶吞吐量即速率主要和小區(qū)的無(wú)線帶寬資源、下行的SINR、小區(qū)同時(shí)進(jìn)行下載業(yè)務(wù)的用戶數(shù)、調(diào)度算法，單雙流等相關(guān)聯(lián)，其中，單雙流跟無(wú)線信道的秩（Rank）和誤塊率（BLER）息息相關(guān)。當(dāng)秩為2，也就是有2種不相關(guān)或相關(guān)度低的無(wú)線信道在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)得以維持，下載業(yè)務(wù)的資源調(diào)度占比處于較高狀態(tài)，共享信道的下行速率會(huì)顯著提升，從而實(shí)現(xiàn)雙流，提升下載速率。

通過(guò)多通道錯(cuò)層室內(nèi)覆蓋技術(shù)，無(wú)須新增饋線，且無(wú)須改變?cè)蟹植枷到y(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在單路饋線的情況下，通過(guò)多通道錯(cuò)層技術(shù)制造出空分復(fù)用的效果，令用戶設(shè)備接收到的信號(hào)分別來(lái)自本層信號(hào)、上層和下層的信號(hào)，即可在單路饋線分布系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)雙流。同樣的，雙路饋線分布系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)4流的覆蓋效果。

3.3 多通道聯(lián)合收發(fā)奇偶錯(cuò)層覆蓋設(shè)計(jì)

利用一個(gè)或多個(gè)RRU的不同通道，聯(lián)合多個(gè)收發(fā)節(jié)點(diǎn)，以提高天線增益及系統(tǒng)性能。采用5G創(chuàng)新算法，消減分布系統(tǒng)多通道間功率不平衡帶來(lái)的負(fù)面影響，不再受限于傳統(tǒng)分布系統(tǒng)嚴(yán)苛的物理鏈路均衡要求，實(shí)現(xiàn)多流效果，然后對(duì)原有的傳統(tǒng)分布系統(tǒng)在不改變網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的前提下進(jìn)行小部分改造，經(jīng)過(guò)這幾種技術(shù)的結(jié)合，能夠在傳統(tǒng)單饋線或雙饋線的分布系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)雙流或四流，提升無(wú)線上下行速率的創(chuàng)新技術(shù)水平。該技術(shù)能夠提高傳統(tǒng)饋線分布系統(tǒng)的利用率，不需再重新布放光纜，減少對(duì)光纖資源的需求；不需要完全新建數(shù)字化分布系統(tǒng)，即不需要安裝龐大數(shù)量的數(shù)字設(shè)備，大大降低功耗，使運(yùn)營(yíng)成本也大大降低。該技術(shù)能夠降低新建系統(tǒng)的費(fèi)用和縮減建設(shè)工期，同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)成本。

3.3.1 多維度的虛擬多天線收發(fā)系統(tǒng)

通過(guò)天線的分集空間自由度和增益提升的方式，可實(shí)現(xiàn)融合多個(gè)收發(fā)節(jié)點(diǎn)的多維度的虛擬多天線收發(fā)系統(tǒng)，提升其性能。基于MIMO的多維度的多天線收發(fā)系統(tǒng)中的秩（Rank）相當(dāng)于各個(gè)收發(fā)設(shè)備之間的通路內(nèi)單獨(dú)并行信道數(shù)量，暫且用RI表示^[4]。如果其值為1，傳輸通道可認(rèn)為完全相關(guān)，信號(hào)傳送過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)干擾情況，從而使接收端接收信號(hào)困難；其值大于1，就意味著存在多條不相關(guān)的獨(dú)立信道，用戶端可接收多條不相關(guān)通路信號(hào)并解碼，因此傳輸?shù)男诺廊萘恳约翱煽啃远紩?huì)得到提升。

目前用戶設(shè)備UE均采用4×4天線收發(fā)，RI都是4，而且在多個(gè)發(fā)送天線和多個(gè)接收天線的多維度的虛擬多天線收發(fā)系統(tǒng)中RI是自適應(yīng)的，所以整個(gè)系統(tǒng)中RI的值是發(fā)送端受限的，即如2×1，天線發(fā)射端口為2，接收端口為1，則Rank和層數(shù)為1。在虛擬多天線收發(fā)模式下，通過(guò)空間復(fù)用，能夠提升RI，從而突破RI的限制，實(shí)現(xiàn)更多流的下行，復(fù)合的PMI可以在終端設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)獲得最佳RI值。

3.3.2 奇偶錯(cuò)層覆蓋的改造

現(xiàn)有分布系統(tǒng)基本以全向天線為主，其主瓣信號(hào)可在垂直方向穿透地板覆蓋下一層，與此同時(shí)，通過(guò)后向信號(hào)輻射透過(guò)天花板輻射上一層。這種覆蓋方式與原有的單流分布系統(tǒng)相比，從兩路主干分別連接高低層區(qū)天線，變?yōu)楝F(xiàn)在的一路接入奇數(shù)層天線，另外一路接入偶數(shù)層天線，如圖1所示。按此方法改造，雖然每層只有1路天饋，但可以通過(guò)上下兩層獲得另一路信號(hào)，從而獲得雙流的效果。

同理，在現(xiàn)有的傳統(tǒng)雙饋線的分布系統(tǒng)中，對(duì)主干進(jìn)行相應(yīng)的改造，同樣能在雙流室分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4流的效果。

4? ?多通道聯(lián)合收發(fā)奇偶錯(cuò)層覆蓋測(cè)試驗(yàn)證

按以上方案改造完成后的雙流或者4流系統(tǒng)，信號(hào)需穿透天花板實(shí)現(xiàn)跨層覆蓋，哪怕處于同一位置上的天線處功率也并不相同，甚至存在較大差異。在功率不完全平衡、甚至差異較大的情況下，雙流或4流效果能否有效實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試與驗(yàn)證。

4.1 單饋線變雙流場(chǎng)景方案測(cè)試

為了更好地驗(yàn)證多通道錯(cuò)層室內(nèi)分布的覆蓋效果，特采用了較厚的混凝土樓板以及鋁制金屬天花板的商業(yè)樓宇作為測(cè)試場(chǎng)景。為了更好驗(yàn)證不同樓層的效果差別，分別對(duì)高層及低層的5G雙流、4流的改造前后測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，具體情況如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，改造前單饋線方案的速率基本介于352～380 Mbps，跟5G網(wǎng)絡(luò)理想速率相比，相差甚遠(yuǎn)。通過(guò)錯(cuò)層改造，并運(yùn)用多通道虛擬天線技術(shù)之后，所測(cè)得下載速率基本介乎617～703 Mbps，相比原有的單流方案約有1倍的提升。對(duì)雙饋線進(jìn)行4流改造的方案也是如此，改造前測(cè)試到的下載速率基本為635～692 Mbps，改造后4流速率基本為890～969 Mbps，增幅接近50%。無(wú)論是單流改雙流，還是雙流改4流，效果同樣明顯，說(shuō)明多通道聯(lián)合收發(fā)奇偶錯(cuò)層覆蓋技術(shù)有效。

由于改造后的錯(cuò)層系統(tǒng)其中一路信號(hào)需要穿過(guò)樓板和天花吊頂，存在較大的樓板傳輸損耗，樓板的厚度和天花吊頂使用的材質(zhì)存在不確定性，傳輸損耗也不確定，再加上采用饋線系統(tǒng)存在較多的物理?yè)p耗，導(dǎo)致未能達(dá)到5G網(wǎng)絡(luò)理論值。雙流改造速率提升幅度沒(méi)有單流改造高，主要原因是受限于無(wú)線環(huán)境多徑條件，雙饋線場(chǎng)景錯(cuò)層改造后平均Rank秩大概是3.2，較改造前增加約1.4倍，因此效果提升低于單流改造場(chǎng)景。

4.2 改造周期及建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本分析

經(jīng)過(guò)測(cè)算，使用多通道錯(cuò)層分布技術(shù)開(kāi)展5G數(shù)字化分布系統(tǒng)建設(shè)，可縮短項(xiàng)目建設(shè)的周期，降低建設(shè)運(yùn)行維護(hù)成本。以一棟8層共60 000平方米的現(xiàn)有雙饋線商業(yè)大樓為例，若要實(shí)現(xiàn)4流的效果，采用多通道錯(cuò)層室內(nèi)覆蓋技術(shù)直接將5G信源接入現(xiàn)有室內(nèi)分布系統(tǒng)的方案，只需要增加相應(yīng)的5G設(shè)備、合路器、功分器和一些輔助材料對(duì)既有室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行改造，總投資造價(jià)約32萬(wàn)元；由于不需要新建光纜和分布系統(tǒng)，且減少物業(yè)的協(xié)調(diào)，建設(shè)周期可縮減到7天；運(yùn)營(yíng)成本主要是增加的少量RRU的功耗。若完全新建5G數(shù)字化分布系統(tǒng)，需要大量的新型數(shù)字設(shè)備及新建分布系統(tǒng)，需要大量光纖資源即需要重新布放光纜，總的投資成本約為128萬(wàn)元。因?yàn)樾枰陆ǚ植枷到y(tǒng)，需要與物業(yè)進(jìn)行協(xié)調(diào)，建設(shè)周期大約在24天；隨著較多設(shè)備的增加，后期運(yùn)營(yíng)功耗也將大量增加。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

基于新型數(shù)字化分布系統(tǒng)的多通道聯(lián)合收發(fā)奇偶錯(cuò)層室內(nèi)覆蓋技術(shù)，通過(guò)利用一個(gè)或多個(gè)RRU的不同通道，把分布式系統(tǒng)的多個(gè)收發(fā)節(jié)點(diǎn)聯(lián)合起來(lái)構(gòu)建一個(gè)更多維度的虛擬多天線收發(fā)系統(tǒng)，同時(shí)采用5G創(chuàng)新算法，消減現(xiàn)有分布系統(tǒng)多通道間功率不平衡帶來(lái)的負(fù)面影響，不再受限于現(xiàn)有分布系統(tǒng)嚴(yán)苛的物理鏈路均衡要求，在不改變網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的情況下對(duì)現(xiàn)有分布系統(tǒng)進(jìn)行適量改造，就能使傳統(tǒng)分布系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)1流變2流或者2流變4流，達(dá)到上/下行多流傳輸。多通道聯(lián)合收發(fā)奇偶錯(cuò)層室內(nèi)覆蓋技術(shù)適用于合路原有的DAS系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)5G室分系統(tǒng)的功能，很好地避免了5G室內(nèi)分布建設(shè)周期長(zhǎng)、投入大、運(yùn)營(yíng)成本過(guò)高的問(wèn)題，同時(shí)能夠很好利用現(xiàn)有分布系統(tǒng)的資源和光纖資源，提高運(yùn)營(yíng)商的布網(wǎng)覆蓋速度，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商搶占先機(jī)、提高用戶的滿意度是一個(gè)很好的選擇。

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作者簡(jiǎn)介：林團(tuán)平（1970-），男，漢族，廣東汕頭人，高級(jí)工程師，本科，研究方向?yàn)樾畔⑼ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)工程。