面向5G的新型室分建設(shè)方案研究

1 概述

傳統(tǒng)通信室內(nèi)分布系統(tǒng)是對(duì)無(wú)線信號(hào)覆蓋的有效補(bǔ)充，以滿足建筑物內(nèi)用戶對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的需求。近些年隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信業(yè)務(wù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，其中室內(nèi)通信業(yè)務(wù)已占有很高的比例。隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，更多的業(yè)務(wù)種類與智能應(yīng)用會(huì)發(fā)生在室內(nèi)，預(yù)計(jì)未來(lái)將有85%以上的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)。室內(nèi)分布系統(tǒng)將成為未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中至關(guān)重要的內(nèi)容，是運(yùn)營(yíng)商新的核心競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域。

在3G/4G時(shí)代，通過(guò)室外宏站與室內(nèi)分布式天線系統(tǒng)（DAS）相結(jié)合，可以有效解決網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋的問(wèn)題。但是采用高頻段的5G網(wǎng)絡(luò)面臨更大的無(wú)線鏈路損耗，室外宏站信號(hào)因較高的穿透損耗不能滿足室內(nèi)覆蓋，同時(shí)傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)難以支持高頻段信號(hào)傳輸。面對(duì)室內(nèi)海量數(shù)據(jù)的場(chǎng)景，數(shù)字化室分系統(tǒng)成為5G時(shí)代首選方案。但數(shù)字化有源室分系統(tǒng)具有成本高、部署困難、難以共享等劣勢(shì)，本文就目前5G室分建設(shè)面臨的問(wèn)題，根據(jù)具體場(chǎng)景研究討論了一種解決方案，為后期5G網(wǎng)絡(luò)部署帶來(lái)一定的參考。

2 室分現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)DAS室分系統(tǒng)起源于2/3G時(shí)代，通過(guò)射頻饋線、功分器/耦合器和無(wú)源室分天線等無(wú)源器件將信源RRU的射頻信號(hào)拉遠(yuǎn)到室內(nèi)各個(gè)角落，成本低、可靠性高。但隨著室內(nèi)環(huán)境流量需求的增長(zhǎng)，DAS系統(tǒng)因容量受限已顯得力不從心，同時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)已開(kāi)始部署，面對(duì)室內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，建設(shè)一張優(yōu)質(zhì)的室內(nèi)分布網(wǎng)絡(luò)尤為重要。

2.1 發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)不僅是通信的網(wǎng)絡(luò)，更是作為物聯(lián)社會(huì)的底層網(wǎng)絡(luò)，連接各行各業(yè)。5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景為增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、低時(shí)延高可靠通信、海量物聯(lián)網(wǎng)通信，根據(jù)ITU要求，支撐三大場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足峰值速率10 Gbps、時(shí)延1 ms、每平方公里內(nèi)1百萬(wàn)連接數(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)與4G相比業(yè)務(wù)場(chǎng)景更加豐富，僅通過(guò)對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)擴(kuò)容，難以滿足未來(lái)5G業(yè)務(wù)的要求。

針對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景覆蓋，目前運(yùn)營(yíng)商仍主要采用傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)解決。雖然傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)具有產(chǎn)業(yè)鏈成熟、投資小、故障率低、可多系統(tǒng)擴(kuò)容等優(yōu)勢(shì)，但隨著未來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)的劇烈增長(zhǎng)，傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)難以演進(jìn)至5G，面臨挑戰(zhàn)如下：

（1）因數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)而需要新增大量節(jié)點(diǎn)和無(wú)源器件，但傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)器件故障隱患較多，且部分區(qū)域已無(wú)改造空間。難以針對(duì)傳統(tǒng)DAS進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)或升級(jí)改造。

（2）傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)采用無(wú)源器件，數(shù)量多且無(wú)法進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)大規(guī)模部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，將增大系統(tǒng)運(yùn)維成本，且隱蔽部分更難以檢測(cè)故障。

（3）我國(guó)5G首發(fā)頻段包括2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz。傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)中無(wú)源器件支持的最高頻段為2.7 GHz左右，無(wú)法處理3.5 GHz及以上的5G信號(hào)。同時(shí)，高頻信號(hào)在電纜中的傳輸損耗也隨著頻率的升高而大增加，使其在實(shí)際工程中難以實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)上述傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)的瓶頸，5G室分將采用有源數(shù)字化系統(tǒng)（如圖1所示）。受高頻段的影響，5G數(shù)字化室分系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的三級(jí)架構(gòu)，即基站側(cè)（BBU）、Hub、遠(yuǎn)端射頻發(fā)射單元，減少了連接點(diǎn)和故障隱患。同時(shí)，面對(duì)大量末端部署，室分設(shè)備趨于小體積、輕重量。

數(shù)字化室分中采用有源器件，傳輸使用網(wǎng)線/光纖，在容量演進(jìn)、可視管理、易部署等方面更容易支持5G演進(jìn)。4×4MIMO是5G室內(nèi)建網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，4個(gè)發(fā)射通道較2TR將獲得3 dB的功率增益。傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)中由于器件、工藝等原因，難以保證LTE雙路平衡，更無(wú)法支持大規(guī)模MIMO。數(shù)字化室分單位面積流量將是傳統(tǒng)DAS的4～10倍。傳統(tǒng)DAS室分系統(tǒng)將會(huì)在容量需求不高的場(chǎng)景或區(qū)域作為低成本、快速部署的補(bǔ)充方案。

圖1 數(shù)字化室分系統(tǒng)示意

2.2 數(shù)字化室分面臨問(wèn)題

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的部署及移動(dòng)業(yè)務(wù)的需求，數(shù)字化室分的特點(diǎn)也工程建設(shè)帶來(lái)了難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。

（1）規(guī)模大，部署困難。伴隨著大帶寬、高速率、4x4MIMO功能，以及室內(nèi)隔斷的影響，數(shù)字室分系統(tǒng)的末端天線（pRRU）數(shù)量將大幅度提升，為工程施工帶來(lái)困難，同時(shí)大量的有源設(shè)備也增加了系統(tǒng)維護(hù)的復(fù)雜程度。

（2）成本高，投資大。無(wú)源室分與有源室分在空曠場(chǎng)景投資相差約2倍，在隔斷場(chǎng)景投資相差約5倍。分布式微站單“天線”約1.2萬(wàn)元，無(wú)源室分單天線約0.24萬(wàn)元（含信源）。5G頻段更寬、通道數(shù)更多，5G微站室分造價(jià)會(huì)更高，導(dǎo)致5G室分投資巨大。

（3）能耗高，運(yùn)維壓力大。5G信號(hào)損耗較高，為提升覆蓋能力，pRRU需提供更大的功耗。因此，有源化室分的大量建設(shè)會(huì)大幅增加電費(fèi)、維護(hù)費(fèi)等運(yùn)行成本和后期系統(tǒng)運(yùn)行壓力。

（4）不易共建共享。因器件性能對(duì)頻率的限制，以及多信號(hào)間的互條干擾，目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)全頻段5G室分的共建共享，同時(shí)也增加了建設(shè)成本。

由上述可知，5G室分建設(shè)全面有源化、數(shù)字化，在實(shí)施中會(huì)有很大困難，也使運(yùn)營(yíng)商在投資、運(yùn)維等方面存在巨大壓力。傳統(tǒng)DSA室分與5G數(shù)字化室分將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)并存。

3 新型室分建設(shè)方案

3.1 5G室分平滑升級(jí)

傳統(tǒng)DAS室分具有投資少、現(xiàn)有存量與工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)較多的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)上述數(shù)字化室分面臨的問(wèn)題和弊端，在5G時(shí)代前期采取傳統(tǒng)DAS室分與數(shù)字化室分揚(yáng)長(zhǎng)避短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的方式，使5G室分在傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)上平滑演進(jìn)，對(duì)運(yùn)營(yíng)商而言是一個(gè)合理可取的方案。

3.1.1 無(wú)源器件平滑升級(jí)

在中低容量場(chǎng)景中，將傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)的無(wú)源器件進(jìn)行升級(jí)，以使5G信號(hào)能與2/3/4G信號(hào)進(jìn)行合路。傳統(tǒng)室分無(wú)源器件支持的頻段范圍為800-2 700 MHz，可將其適用頻段擴(kuò)展至3.5 GHz，即包含運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)的2.6 GHz、聯(lián)通和電信的3.5 GHz。

針對(duì)上述要求，采用新技術(shù)對(duì)無(wú)源器件的適用頻段進(jìn)行拓展。其中，功分器的適用頻段可采用多級(jí)阻抗變換級(jí)聯(lián)推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行拓展；耦合器和電橋的適用頻段可采用三節(jié)導(dǎo)帶復(fù)用技術(shù)進(jìn)行拓展。無(wú)源器件的頻段拓展技術(shù)可滿足5G低頻段的要求，但器件的體積與成本也會(huì)隨之增大。

1/2饋線與7/8饋線在5 GHz頻段的損耗會(huì)增大，但通過(guò)提高信號(hào)發(fā)射功率，可以滿足5G信號(hào)的傳輸要求，同時(shí)增加天線點(diǎn)位可以滿足5G信號(hào)的覆蓋要求。針對(duì)部分容量要求較高的場(chǎng)景，在成本允許的前提下，可采用4×4MIMO建設(shè)。

3.1.2 共建共享

對(duì)多系統(tǒng)接入平臺(tái)（POI）進(jìn)行升級(jí)，將其適用頻段拓展至3.5 GHz，并增加合路端口。目前，已研發(fā)出支持三家運(yùn)營(yíng)商2/3/4/5G，共12套系統(tǒng)共享接入的POI產(chǎn)品。結(jié)合傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)中無(wú)源器件的升級(jí)，無(wú)源室分系統(tǒng)可通過(guò)升級(jí)POI來(lái)加載5G信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)室分的共建共享（如圖2所示）。

圖2 5G室分平滑升級(jí)示意圖

3.2 廣角漏纜建設(shè)方案

3.2.1 廣角漏纜

在無(wú)線傳播環(huán)境受限的地鐵、隧道等場(chǎng)景中，傳統(tǒng)室分方案主要采用泄漏同軸電纜（泄漏電纜），并獲得了較多的成功案例。采用泄漏電纜可以得到更均勻的信號(hào)輻射強(qiáng)度，同時(shí)降低施工難度和維護(hù)成本。針對(duì)狹長(zhǎng)型的場(chǎng)景，泄漏電纜與POI組合可以實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)接入，并使信號(hào)均勻覆蓋。在國(guó)外，泄漏電纜也應(yīng)用在了室內(nèi)場(chǎng)景的覆蓋。

當(dāng)采用DAS系統(tǒng)加載5G信號(hào)時(shí)，傳統(tǒng)室分覆蓋技術(shù)中天線、接頭和器件使用量大，施工工藝復(fù)雜，接入頻段較多，如果產(chǎn)品性能或施工工藝達(dá)不到規(guī)范要求，就會(huì)引起系統(tǒng)間互調(diào)干擾，影響信號(hào)的覆蓋效果。傳統(tǒng)方案互調(diào)干擾難以控制，現(xiàn)有解決手段效果不明顯。使用廣角漏纜覆蓋室內(nèi)，可大幅減少天線、接頭和器件使用量，減少系統(tǒng)連接點(diǎn)，從而有效規(guī)避系統(tǒng)間互調(diào)干擾影響，同時(shí)，還能達(dá)到降低建設(shè)成本、降低維護(hù)成本、優(yōu)化覆蓋效果的目的。

常規(guī)泄漏電纜適用于隧道等狹長(zhǎng)環(huán)境，輻射張角一般不超過(guò)120°，廣角漏纜應(yīng)用于室內(nèi)覆蓋，需增大輻射張角。根據(jù)一般室內(nèi)場(chǎng)景測(cè)算，漏纜作為輻射源位于頂部正中，掛高2.5 m，輻射寬度20 m，覆蓋高度1.6 m，則廣角漏纜輻射張角為170度（如圖3所示）。

圖3 室內(nèi)廣角漏纜張角示意

3.2.2 建設(shè)方案

在建筑物內(nèi)狹長(zhǎng)區(qū)域引入廣角漏纜覆蓋。對(duì)POI及無(wú)源器件進(jìn)行升級(jí)，將其支持頻段擴(kuò)展至3.5GHz。三家運(yùn)營(yíng)商5G信號(hào)與2/3/4G信號(hào)通過(guò)POI合路后，采用雙路廣角漏電纜對(duì)樓層進(jìn)行覆蓋。建設(shè)方案如圖4所示。

廣角漏纜方案針對(duì)一些特殊場(chǎng)景如走廊、電梯井等，實(shí)施效果將更加明顯。本方案在使5G室分平滑升級(jí)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)商的共建共享，降低了建設(shè)成本。與原有室分天線覆蓋方式相比，本方案中信號(hào)覆蓋更加均勻穩(wěn)定，工程實(shí)施周期短，易于維護(hù)。同時(shí)，漏纜布放較隱蔽，減少了對(duì)原有室內(nèi)布局的影響。

圖4 廣角漏纜建設(shè)方案示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

5G時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，傳統(tǒng)DAS室分系統(tǒng)無(wú)法滿足5G網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)覆蓋要求，數(shù)字化室分是未來(lái)的發(fā)展方向。但數(shù)字室分存在投資高、部署難、維護(hù)復(fù)雜等問(wèn)題，致使運(yùn)營(yíng)商在近期內(nèi)無(wú)法快速部署，因此5G室分建設(shè)只能在傳統(tǒng)DSA室分基礎(chǔ)上平滑演進(jìn)。本方案將原覆蓋隧道等場(chǎng)景的泄漏電纜引入至室內(nèi)覆蓋，同時(shí)升級(jí)無(wú)源器件，將各運(yùn)營(yíng)商的2/3/4/5G信號(hào)合路至POI，實(shí)現(xiàn)了5G室分的平滑演進(jìn)，對(duì)后期5G室分建設(shè)具有一定的參考和啟發(fā)性。本方案中因無(wú)源器件升級(jí)限制，未能載入移動(dòng)4.9 GHz頻段的信號(hào)，隨著技術(shù)的發(fā)展，有待于進(jìn)一步研究。