5G變頻拉遠室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)方案研究

寧升亭，沙伯祥

（1.中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080；2.中國移動通信集團設計院有限公司 廣東分公司，廣東 廣州 510623）

0 引 言

改革開放以來，中國發(fā)生了翻天覆地的變化，人們的物質生活也得到了極大提高，各行各業(yè)都飛速發(fā)展。目前正式進入了5G時代，其中室內(nèi)是5G網(wǎng)絡的重要應用場景，室內(nèi)的業(yè)務占比越來越高。據(jù)相關統(tǒng)計，4G時代的70%業(yè)務發(fā)生在室內(nèi)，而在5G時代這個比例將超過85%。在4G時代，移動網(wǎng)絡使用場景主要還是集中于個人消費者，如通過軟件瀏覽網(wǎng)頁、看電影、刷抖音、刷微博、刷微信、語音或視頻聊天等。5G網(wǎng)絡的到來會讓室內(nèi)應用變得更加多樣化，對網(wǎng)絡的要求也會更高，如4K直播、云、VR/AR、8K高清、智能制造、高清視頻監(jiān)控以及遠程醫(yī)療等，這些業(yè)務將主要發(fā)生在室內(nèi)[1]。體育館、大型商場、醫(yī)院、寫字樓以及交通樞紐等各種室內(nèi)熱點逐漸成為運營商部署5G網(wǎng)絡和發(fā)展5G業(yè)務的優(yōu)選場景。但在未來的5G應用中，個人消費者所占的比重不會太大，而涉及到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)級應用才是最重要的部分，因此5G時代的室內(nèi)覆蓋將變得尤為重要。如果說4G時代的室內(nèi)分布系統(tǒng)主要滿足傳統(tǒng)的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務需求，那么隨著5G網(wǎng)絡建設，為了滿足5G新生的業(yè)務需求，室內(nèi)網(wǎng)絡需要具備更高的性能，如支持100 Mb/s～1 Gb/s的用戶體驗速率、毫秒級的端到端時延以及高精度的室內(nèi)定位等[2]。

1 傳統(tǒng)的室分系統(tǒng)解決方案

從2G時代開始，DAS系統(tǒng)是室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)建設的主要方案，因為其具有性能穩(wěn)定、產(chǎn)業(yè)鏈成熟以及價格適中等特點，因此在2G和3G的時代深受運營商的喜愛。2G和3G時代的業(yè)務主要以通話業(yè)務為主，外加少量的數(shù)據(jù)業(yè)務，占比不高，因此大多數(shù)情況下，單路DAS就可以滿足需求。但是隨著5G網(wǎng)絡的發(fā)展，傳統(tǒng)的DAS系統(tǒng)不斷受到挑戰(zhàn)，以往傳統(tǒng)的覆蓋方式已經(jīng)不能滿足需求，同時更多的天線、更高的頻段以及更多的業(yè)務應用都對網(wǎng)絡提出了更高的要求[3]。

目前根據(jù)工信部和運營商的頻段劃分來看，我國5G頻段主要包括700 MHz、2.6 GHz、3.5 GHz以及4.9 GHz等[4]。相比4G的室分主流頻段，5G室分主流頻段更高，傳播和穿透損耗大，難以通過室外覆蓋到室內(nèi)，同時5G室內(nèi)分布系統(tǒng)也會面臨建設規(guī)模大、成本高以及落地困難等因素，因此5G室內(nèi)分布系統(tǒng)建設的重要性也就更加突出[5]。

傳統(tǒng)的DAS建設方式存在很多的缺點，具體表現(xiàn)在工程建設難度大、工程造價高、節(jié)點多以及物業(yè)協(xié)調(diào)困難等。近年來，分布式皮飛站的建設方式也越來越火熱，其比同軸電纜（饋線）易于布放，遠端單元可以直接放裝或外接天線，適用于覆蓋和容量需求均較大的重要室內(nèi)大型場景，但因其造價成本較高，因此應用場景也受到很大限制。在5G的室內(nèi)分布系統(tǒng)建設中，迫切需要一種工程造價低、建設實施難度低且物業(yè)容易協(xié)調(diào)的建設方案。這種方案要盡可能利舊現(xiàn)有的DAS系統(tǒng)，既能節(jié)省建設成本，又能降低建設難度和物業(yè)協(xié)調(diào)難度。5G pRRU變頻拉遠系統(tǒng)也就是在這個基礎上提出來的，為實現(xiàn)5G室內(nèi)低成本覆蓋，中國移動通信集團設計院針對室內(nèi)改造場景研發(fā)了5G pRRU變頻拉遠系統(tǒng)[6,7]。

2 5G pRRU變頻拉遠系統(tǒng)

5G pRRU變頻拉遠系統(tǒng)在原有單/雙路饋線DAS場景下，僅通過部署一個Pico RRU即可實現(xiàn)室內(nèi)32層的大樓覆蓋。該方案可以盡可能利用現(xiàn)有的DAS系統(tǒng)，適用于低業(yè)務量的室分場景覆蓋。

2.1 試點方案技術原理

試點方案原理如圖1所示，該系統(tǒng)將5G射頻信號分別變頻至450～550 MHz，一個pRRU最多可帶4個近端機，支持所有主設備廠家的pRRU。近端機內(nèi)置雙路變頻器將5G信號分別變頻至450～550 MHz，內(nèi)置數(shù)字同步單元保證5G變頻實現(xiàn)上下行時隙轉換，內(nèi)置直流供電單元為遠端機供電，此外內(nèi)置監(jiān)控單元（FSK）對接網(wǎng)管，監(jiān)控故障和功耗。

圖1 試點方案原理圖

一臺近端機最多帶8臺遠端機，遠端機內(nèi)置變頻器將中頻信號變頻至標準信號，內(nèi)置射頻放大模塊將pRRU信源信號放大至天線口，上行補償鏈路損耗，內(nèi)置底噪消除模塊用于1個近端機拖帶N個遠端機時的底噪消除。

該創(chuàng)新方案通過新增pRRU變頻拉遠設備（近端機、遠端機），在傳統(tǒng)單/雙路DAS場景下僅通過部署一個pRRU即可實現(xiàn)32層大廈室內(nèi)的5G覆蓋，通過降低主設備數(shù)量達到降低室分系統(tǒng)成本的目的。據(jù)此對深圳某大廈進行了施工及測試，近端機輸入信源采用5G 4T4R pRRU，下行最大輸出功率為3±1.5 dBm，上行最大輸出功率為20±1.5 dBm，近端機與遠端機之間采用4D-FB線纜進行傳輸，體積小且成本低，遠端機輸出信號通過功分器實現(xiàn)兩個隔層的5G覆蓋，為后續(xù)pRRU變頻拉遠疊加并柜技術的試點驗證建立基礎，每通道的輸出功率為14～30 dBm，遠端機通過合路器接入原有室分系統(tǒng)，頻點規(guī)劃為2 515～2 615 MHz，共100 MHz帶寬。

該方案僅需在豎井中安裝近端機和遠端機，并用4D-FB饋線進行連接即可，無需改動平層天花板，降低了施工成本和施工難度。

2.2 測試情況分析

根據(jù)上述方案對5G DAS系統(tǒng)和pRRU變頻拉遠系統(tǒng)進行了SINR、上下行速率的測試，測試結果如圖2、圖3以及圖4所示。

圖2 SINR測試結果

圖3 下行速率測試結果

圖4 上行速率測試結果

定點測試中，5G DAS系統(tǒng)近點/遠點的SINR、平均下載速率以及平均上傳速率都優(yōu)于pRRU拉遠系統(tǒng)。5G DAS系統(tǒng)中點的SINR、平均下載速率以及平均上傳速率劣于pRRU拉遠系統(tǒng)。pRRU直連天線的SINR、下載速率以及上傳速率均優(yōu)于遠端后直連天線指標。

遠端機數(shù)量與底噪對應關系如圖5所示。在遠端機數(shù)量與底噪對應關系測試中，從1～4臺遠端逐臺接入，每接入一臺遠端后，4部終端同時進行測試。此時，后臺進行小區(qū)干擾檢測跟蹤，每次跟蹤時間為5 min，跟蹤粒度為1 s，當接入遠端數(shù)量超過3臺時，平均底噪為-98 dBm。

圖5 遠端機數(shù)量與底噪對應關系分析圖

綜合上下行速率測試及底噪測試情況進行分析，該系統(tǒng)近點上下行速率與pRRU直接接天線相比相差不大，中點和遠點尚有較大差距，原因是該系統(tǒng)同步模塊和算法的適配還未調(diào)整到最優(yōu)，后續(xù)還有提升空間。底噪測試方面，當遠端機數(shù)量為3臺以內(nèi)時，底噪抬升不大，遠端機數(shù)量超過3臺時，平均底噪開始迅速增加。

2.3 項目效益分析

在造價分析方面，采用pRRU拉遠方式、DAS合路方式以及皮基站方式進行對比，共覆蓋大樓16層，覆蓋面積36 607 m2，其中皮基站方式作為對比核算，現(xiàn)場建設未采用。

由表1及前面的測試對比分析可以看出，在覆蓋面積相同的情況下，皮基站新建方案具有良好的網(wǎng)絡性能，但工程造價高，平均為10.27元/m2，是pRRU變頻拉遠系統(tǒng)投資的4倍，經(jīng)濟效益較差。傳統(tǒng)DAS合路方式工程造價為2.83元/m2，略高于pRRU變頻拉遠系統(tǒng)，但建設難度較大，物業(yè)協(xié)調(diào)困難。對比所得，pRRU變頻拉遠系統(tǒng)建設方案可以在減少物業(yè)協(xié)調(diào)和縮短建設工期的同時，獲得更好的經(jīng)濟效益[8,9]。

表1 各方案費用對比分析表5G覆蓋方式

2.4 方案分析總結

采用5G pRRU變頻拉遠系統(tǒng)，僅通過部署一個Pico RRU即可實現(xiàn)室內(nèi)32層的大樓覆蓋，極大減少了主設備的數(shù)量，節(jié)省了建設成本，在一定程度上也緩解了生產(chǎn)商的供貨壓力。在傳統(tǒng)單/雙路DAS場景下，本系統(tǒng)可實現(xiàn)2G/3G/4G/5G多業(yè)務信號同時接入，即便在本系統(tǒng)發(fā)生故障時，也能保證其他系統(tǒng)的正常覆蓋。本方案也有合路方案復雜等不足之處，傳統(tǒng)DAS合路只需要在4G RRU側疊加合路5G RRU，pRRU拉遠方案則需要在每層弱電井斷開主干后才可完成合路，造成業(yè)務中斷，此外取電方案復雜且無法進行遠程監(jiān)控等也是未來需要解決的問題[10]。

3 結 論

5G室分系統(tǒng)的建設現(xiàn)在確實面臨非常大的挑戰(zhàn)，其主流頻段的傳播距離及穿墻性的限制決定了未來需要進行大規(guī)模的建設，較高的建設成本也讓鐵塔公司和運營商面臨很大的壓力。5G pRRU變頻拉遠系統(tǒng)是一種很好的解決方案，可以有效降低建設成本，另外在實際進行部署的時候，還需要結合現(xiàn)網(wǎng)的實際情況，因地制宜地選擇合適的方案進行部署，同時還要加大共建共享的力度，以實現(xiàn)降本增效的目的。