多隔斷型室內(nèi)場(chǎng)景5G覆蓋方案分析

【摘 ?要】在多隔斷的室內(nèi)場(chǎng)景中墻體的穿透損耗嚴(yán)重，為保證用戶的體驗(yàn)，天線密度相對(duì)較高，因此導(dǎo)致有源室分系統(tǒng)的設(shè)備價(jià)格遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)無(wú)源室分系統(tǒng)。為降低室分系統(tǒng)的建設(shè)造價(jià)，提出了一種“有源+無(wú)源”的室內(nèi)覆蓋解決方案。通過(guò)理論分析及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，可以在保證多隔斷的室內(nèi)用戶的一定體驗(yàn)效果下，有效降低室分系統(tǒng)造價(jià)約70%，在性能與價(jià)格中取得平衡。

【關(guān)鍵詞】多隔斷;5G;室內(nèi)分布系統(tǒng);有源室分系統(tǒng);無(wú)源室分系統(tǒng);工程造價(jià)

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.12.011 ? ? ?中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-1010（2019）12-0056-05

引用格式：閔銳，黃云飛. 多隔斷型室內(nèi)場(chǎng)景5G覆蓋方案分析[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（12）： 56-60.

Analysis of 5G Coverage Solution in Indoor Scenarios with Multi Partitions

MIN Rui， HUANG Yunfei

（Guangdong Branch of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510180， China）

[Abstract]?Since the penetration loss is serious in the indoor scenarios with multi partitions， the antenna density is relatively high to ensure the user experience. Hence the price of the active indoor coverage system is much higher than that of the traditional passive one. In order to reduce the cost of building indoor coverage systems， this paper proposes an "active + passive" indoor coverage solution. Through theoretical analysis and field test， the proposed solution effectively reduces the cost by about 70% while ensuring a certain experience of indoor users with multiple partitions， and thus achieves a balance between performance and price.

[Key words]multi partitions; 5G; indoor distribution system; active distribution system; passive distribution system; construction cost

1 ? 室內(nèi)覆蓋技術(shù)簡(jiǎn)介

5G通信技術(shù)為應(yīng)對(duì)三大通信場(chǎng)景（eMBB、mMTC、uRLLC）提出了切實(shí)有效的實(shí)現(xiàn)方案，離達(dá)到通信終極愿景（任何人（whoever）在任何時(shí)間（whenever）任何地點(diǎn)（wherever）與任何人（whomever）進(jìn)行任何類(lèi)型（whatever）的信息交換）又近了一步。4G時(shí)代，大約有80%的業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)場(chǎng)景;5G時(shí)代，室內(nèi)場(chǎng)景將依然是業(yè)務(wù)發(fā)生的主要場(chǎng)景。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的崛起，室內(nèi)的無(wú)線業(yè)務(wù)終端帶來(lái)海量的連接數(shù)需求。因此5G網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)深度覆蓋是提升5G用戶體驗(yàn)的必要條件。但同時(shí)，5G信號(hào)使用的是厘米波段（3 GHz以上），和4G相比，其傳播損耗和墻體穿透損耗更大，而且繞射能力變低。因此，通過(guò)室外信號(hào)覆蓋室內(nèi)場(chǎng)景所能達(dá)到的覆蓋效果是很有限的。為滿足5G業(yè)務(wù)對(duì)超大帶寬的要求，在5G宏基站進(jìn)行面覆蓋的基礎(chǔ)上，配合建設(shè)專(zhuān)門(mén)的無(wú)線信號(hào)室內(nèi)分布網(wǎng)絡(luò)是必須的，這樣能保證移動(dòng)用戶的室內(nèi)和室外體驗(yàn)的一致性。

1.1 ?傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)的局限性

早在3G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)針對(duì)信號(hào)較差，容量較高的區(qū)域建設(shè)室分系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)盲與擴(kuò)容。在4G時(shí)代更是建設(shè)了大量的室分系統(tǒng)。而傳統(tǒng)的室分系統(tǒng)的建設(shè)模式是信號(hào)源（RRU）連接由饋線、功分器、合路器、耦合器、無(wú)源天線等無(wú)源器件構(gòu)成的信號(hào)傳輸系統(tǒng)，把無(wú)線信號(hào)均勻地發(fā)射到室內(nèi)各個(gè)角落。

但在4G向5G演進(jìn)的過(guò)程中，無(wú)源室分系統(tǒng)的弊端也逐漸暴露出來(lái)：

（1）現(xiàn)有的無(wú)源器件不支持3 GHz以上的頻段，需要更換無(wú)源器件。

（2）通道數(shù)增加困難?，F(xiàn)有室分每增加1條通道，相當(dāng)于新建一套室分系統(tǒng)?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)室分一般支持1～2通道，改造的難度很大。

（3）傳統(tǒng)的饋線損耗增大。傳統(tǒng)的饋線在3 GHz以上頻段的損耗較大，若要利舊原有傳統(tǒng)室分進(jìn)行演進(jìn)，需要加密天線，使用大功率信源才能滿足使用需求。

因此，一種新型的室分系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 ?新型數(shù)字化有源室內(nèi)分布系統(tǒng)

有源室分系統(tǒng)由三部分組成：基帶處理單元（BBU）、擴(kuò)展單元（Hub）、遠(yuǎn)端單元（pRRU）。之所以稱(chēng)之為有源系統(tǒng)，是因?yàn)樗薪M成部分都是需要供電的。其中遠(yuǎn)端單元就是射頻單元和天線合而為一的設(shè)備。

有源系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)室分系統(tǒng)的弊端，避免了無(wú)線信號(hào)在大量的無(wú)源器件中傳播的功率損耗，直接在遠(yuǎn)端單元發(fā)射出高功率的多路信號(hào)，能給用戶帶來(lái)超高的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

1.3 ?有源室分系統(tǒng)的多隔斷室內(nèi)場(chǎng)景的局限性

如圖1所示，在開(kāi)闊的室內(nèi)場(chǎng)景，如體育館、機(jī)場(chǎng)、會(huì)展中心、大型交通樞紐等，一個(gè)遠(yuǎn)端單元就可以覆蓋非常大的區(qū)域，在提高用戶體驗(yàn)的同時(shí)，也節(jié)約了系統(tǒng)建設(shè)的投資。在多隔斷的室內(nèi)場(chǎng)景，如賓館酒店、隔間密集的寫(xiě)字樓等，單個(gè)遠(yuǎn)端單元覆蓋的區(qū)域就比較小，需要更多的遠(yuǎn)端單元才可實(shí)現(xiàn)完整的室內(nèi)覆蓋。有源設(shè)備的功率被白白耗費(fèi)在了墻體損耗當(dāng)中。

但是有源室分系統(tǒng)平均單pRRU的綜合造價(jià)（設(shè)備價(jià)格與安裝工程費(fèi)用之和）比無(wú)源系統(tǒng)的單天線高很多，因此在多隔斷場(chǎng)景中有源室分系統(tǒng)造價(jià)會(huì)大幅度提升，性價(jià)比下降。

本文針對(duì)有源室分系統(tǒng)在多隔斷場(chǎng)景中低性價(jià)比的局限性，創(chuàng)造性地結(jié)合了有源與無(wú)源室分系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了“有源+無(wú)源”的高性價(jià)比解決方案，即在有源系統(tǒng)的遠(yuǎn)端單元外接無(wú)源室分天線進(jìn)行信號(hào)擴(kuò)展，在性能和造價(jià)中取得折中。通過(guò)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試比較了兩種方案在性能上的差異，雖然新方案的速率略微低于純有源室分系統(tǒng)，但大大降低了單pRRU的覆蓋范圍。

2 ? 方案性能分析比較

首先在賓館酒店這種多隔斷的室內(nèi)場(chǎng)景，對(duì)純有源室分系統(tǒng)和“有源+無(wú)源”的室分系統(tǒng)進(jìn)行描述，然后對(duì)信號(hào)強(qiáng)度在理論上進(jìn)行分析，最后經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試，驗(yàn)證方案的可行性。

2.1 ?兩種方案架構(gòu)描述：純有源室分系統(tǒng)、“有

源+無(wú)源”室分系統(tǒng)

（1）純有源室分系統(tǒng)

在預(yù)備安裝測(cè)試的賓館酒店場(chǎng)景中，遠(yuǎn)端單元按照傳統(tǒng)4G無(wú)源室分系統(tǒng)的天線密度進(jìn)行布放，平均每pRRU覆蓋4個(gè)房間，共計(jì)約12個(gè)pRRU。每個(gè)pRRU內(nèi)置4×4個(gè)MIMO天線，單通道功率為250 mW。圖2為數(shù)字化有源室內(nèi)分布系統(tǒng)架構(gòu)圖。

（2）“有源+無(wú)源”室分系統(tǒng)

該系統(tǒng)架構(gòu)是在純有源室分系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用饋線連接無(wú)源天線和pRRU。每通道連接一面單極化天線，故每pRRU可連接4面無(wú)源天線。無(wú)源天線與純有源方案中的pRRU共點(diǎn)位，因此共12面無(wú)源天線，3個(gè)pRRU。圖3為“有源+無(wú)源”室內(nèi)分布系統(tǒng)架構(gòu)圖：

圖3 ? ?“有源+無(wú)源”室內(nèi)分布系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 ?單個(gè)pRRU與單個(gè)無(wú)源天線性能對(duì)比測(cè)試

首先對(duì)單個(gè)pRRU的性能以及pRRU外接的單個(gè)無(wú)源天線的性能進(jìn)行測(cè)試。無(wú)源天線使用單通道1T1R以及雙通道2T2R各進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

測(cè)試方式：在單天線周?chē)x取遠(yuǎn)、中、近三點(diǎn)進(jìn)行速率對(duì)比測(cè)試。其中各點(diǎn)的定義如表1所示：

表1 ? ?測(cè)試位置遠(yuǎn)、中、近點(diǎn)定義

測(cè)試位置 RSRP/dBm SINR/dB

遠(yuǎn)點(diǎn) -115

-110 5

11

中點(diǎn) -95 27

近點(diǎn) -65 32

測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從測(cè)試結(jié)果可以得出在單天線場(chǎng)景下的一些結(jié)論：

（1）無(wú)源單通道天線速率遠(yuǎn)低于雙通道以及單pRRU，約為雙通道的50%，這說(shuō)明雙通道復(fù)用效果明顯;單pRRU雖然為4通道，但下行速率未能達(dá)到單通道的4倍。

（2）無(wú)源雙通道天線的下行覆蓋性能僅略低于4通道的pRRU。

（3）上行覆蓋方面的結(jié)果與下行覆蓋方面結(jié)果類(lèi)似。

綜上所述，四通道的超高速率效果在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中較難實(shí)現(xiàn)，其實(shí)際效果僅略高于雙通道效果，因此采用“有源+雙通道無(wú)源天線”的室分方案對(duì)于覆蓋效果來(lái)看影響不大。雖然單通道效果為雙通道的一半，但覆蓋范圍是雙通道的一倍。在容量需求不大的多隔斷場(chǎng)景也存在實(shí)際的使用價(jià)值。

2.3 ?覆蓋性能的理論分析

（1）終端接收功率RSRP比較

pRRU為4通道，無(wú)源天線為單通道，功率相差3 dB;連接天線使用的1/2饋線的百米損耗約為14.5 dB，饋線平均長(zhǎng)度約為15 m～20 m，因此增加損耗約為2.2 dB～2.9 dB;單極化天線與純有源pRRU的天線增益相差約為2 dB，故接收信號(hào)強(qiáng)度RSRP相差約8 dB。

（2）下行速率比較

現(xiàn)階段5G室外基站尚未完全鋪開(kāi)建設(shè)，所以室外信號(hào)對(duì)室內(nèi)的干擾基本可以忽略不記，因此SINR值應(yīng)僅略差于純有源系統(tǒng)，故MCS等級(jí)不會(huì)相差太遠(yuǎn)。理論上，pRRU為4通道，無(wú)源天線為單通道，速率應(yīng)為4倍的關(guān)系。考慮到實(shí)際環(huán)境中要達(dá)到4流比較困難，估計(jì)平均為2.5流左右，而在兩個(gè)單極化天線重疊覆蓋區(qū)域有可能實(shí)現(xiàn)2流，故“有源+無(wú)源”系統(tǒng)的流數(shù)約為1.2左右。因此，總體上平均速率應(yīng)為2倍左右的關(guān)系。

（3）上行速率比較

手機(jī)終端的限制，5G的上行通道數(shù)為2，因此純有源系統(tǒng)的上行平均速率應(yīng)為新方案的2倍左右。

2.4 ?覆蓋性能的測(cè)試比較

純有源和“有源+無(wú)源”室分系統(tǒng)DT測(cè)試結(jié)果如表3所示：

表3 ? ?純有源和“有源+無(wú)源”室分系統(tǒng)DT測(cè)試結(jié)果

測(cè)試項(xiàng) 純有源室分

系統(tǒng) 有源+無(wú)源室分系統(tǒng)

RSRP平均值/dBm -75 -86

RSRP區(qū)間/dBm -60～-110 -65～-115

SINR區(qū)間/dB 7～10 4～10

下行PDCP層峰值速率/Mb·s-1 932.38 742.40

下行PDCP層平均速率/Mb·s-1 774.55 418.22

上行PDCP層峰值速率/Mb·s-1 245.36 235.30

上行PDCP層平均速率/Mb·s-1 181.13 104.93

從以上測(cè)試結(jié)果中可以看出，這兩種系統(tǒng)，RSRP平均值相差11 dB，下行速率平均為1.8倍的關(guān)系，上行平均速率為1.72倍的關(guān)系，與理論分析接近。同時(shí)，可以看到上下行的峰值速率相差不遠(yuǎn)，由此可以看出，在“有源+無(wú)源”系統(tǒng)中部分天線交疊的區(qū)域產(chǎn)生了多流的效果。

ITU定義的5G邊緣速率為100 Mb/s，本測(cè)試結(jié)果表明，在多隔斷的室內(nèi)場(chǎng)景中，使用“有源+無(wú)源”的新型室分架構(gòu)是可以滿足用戶需求的。

3 ? 造價(jià)分析比較

根據(jù)無(wú)線通信工程概預(yù)算定額計(jì)算兩種方案的工程造價(jià)，兩種系統(tǒng)的造價(jià)對(duì)比如表4所示。

單pRRU的綜合造價(jià)主要包含pRRU設(shè)備價(jià)格以及設(shè)備對(duì)應(yīng)的安裝工程費(fèi)和必要的其他各項(xiàng)輔助費(fèi)用。

“有源+無(wú)源”室分系統(tǒng)的工程造價(jià)為每個(gè)pRRU的造價(jià)基礎(chǔ)上增加4面無(wú)源單通道天線或2個(gè)無(wú)源雙通道天線的工程造價(jià)，每面單通道無(wú)源天線的工程綜合造價(jià)約為500元，雙通道約為600元。

采用外接單通道無(wú)源天線的室分工程總造價(jià)與純有源室分系統(tǒng)相比，可以節(jié)約成本70%左右，大大節(jié)省了室內(nèi)分布建設(shè)投資。若考慮室內(nèi)用戶的峰值速率以及容量需求，可以采用外接雙通道無(wú)源天線方案，工程造價(jià)節(jié)約40%左右。

4 ? 結(jié)束語(yǔ)

本文指出了5G時(shí)代數(shù)字化有源室內(nèi)分布系統(tǒng)在多隔斷的室內(nèi)場(chǎng)景中存在的局限性。這種局限性主要是由于多隔斷場(chǎng)景中大量墻體帶來(lái)的穿透損耗，使得遠(yuǎn)端單元的信號(hào)被局限在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，無(wú)法做到信號(hào)的最大利用。因此結(jié)合無(wú)源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在遠(yuǎn)端單元上外接無(wú)源天線，使信號(hào)均勻地分布在室內(nèi)空間。從而減少了遠(yuǎn)端單元的數(shù)量，大大節(jié)約了室分投資。同時(shí)，從理論上分析了兩種方案在覆蓋性能上的差異，并從測(cè)試結(jié)果中驗(yàn)證了理論分析的結(jié)論。測(cè)試結(jié)果顯示：在滿足邊緣速率100 Mb/s的下行速率條件下，“有源+無(wú)源”室分方案是一個(gè)高性價(jià)比的可行方案，非常適合在多隔斷的室內(nèi)場(chǎng)景中推廣。

最后考慮到后續(xù)容量上的需求，還可以結(jié)合有源設(shè)備的優(yōu)勢(shì)特性，把每個(gè)pRRU分裂成一個(gè)獨(dú)立的小區(qū)，能極大限度快速提升室分系統(tǒng)的容量。

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