5G 時(shí)代4G/5G 共天饋面解決方案

余勇昌，張典，丁明玲

（1. 中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630；2. 中國電信集團(tuán)有限公司廣州艾特實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510630）

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷推進(jìn)，多系統(tǒng)、多制式的技術(shù)特征導(dǎo)致天面數(shù)量不斷增加，中國電信現(xiàn)有CDMA800、FDD1800、FDD2100 等制式的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，未來4G/5G 協(xié)同組網(wǎng)將成為5G 發(fā)展的必然趨勢。在未來的較長一段時(shí)間內(nèi)，多系統(tǒng)將同時(shí)共存，多套系統(tǒng)的天線將會(huì)同時(shí)占用天面資源。多運(yùn)營商共用、多系統(tǒng)共存等因素的存在將會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致天面空間受限、站點(diǎn)承重受限以及安裝環(huán)境受限三大挑戰(zhàn)。隨著2020 年5G 的大規(guī)模部署，天面資源的緊張程度將會(huì)進(jìn)一步加劇。

2 5G 時(shí)代天饋面資源現(xiàn)狀

本文對(duì)中國電信的省公司進(jìn)行了調(diào)研，以中國電信股份有限公司蘇州分公司（簡稱蘇州電信）為例，分析天饋面資源的現(xiàn)狀。蘇州電信進(jìn)行5G試點(diǎn)前，其天饋面資源調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析如下：共統(tǒng)計(jì)了50 個(gè)站點(diǎn)，其中41.5%站點(diǎn)為樓面抱桿站，4.4%站點(diǎn)為普通樓面塔，36.0%站點(diǎn)為普通地面塔，15.3%站點(diǎn)為景觀塔，如圖1 所示。其中城區(qū)塔站占比58.52%，塔站中單天面（一個(gè)方向單天面）占比34.01%，如圖2 所示。

圖1 蘇州電信天面資源分類調(diào)查情況

圖2 蘇州電信城區(qū)塔站天面情況

從以上站點(diǎn)分析結(jié)果可知，蘇州電信城區(qū)站點(diǎn)34.01%站點(diǎn)為單天面部署站點(diǎn)，且天饋抱桿長度有限，一般只能裝配長度在2.0 m 以下的天線。如圖3、圖4 所示。

圖3 蘇州電信的單管站

圖4 蘇州電信的樓頂塔站

圖3、圖4 站點(diǎn)均為鐵塔公司的站點(diǎn)，中國電信站點(diǎn)均布局在第二層，單天面情況多數(shù)集中安裝在這類單管塔及樓頂塔站。

圖5 站點(diǎn)為電信單獨(dú)部署站點(diǎn)，為單天面站點(diǎn)，由于抱桿高度受限，一個(gè)抱桿上還需要安裝RRU（remote ra2io unit，RRU），只能放置2.0 m長的天線，無法在現(xiàn)有抱桿上再增加天面。

圖5 蘇州電信的樓頂站

另外，蘇州新增站點(diǎn)23 個(gè)，其中2 個(gè)站點(diǎn)（占比9%）因居民投訴被迫拆除。后期通過對(duì)廣州、成都、無錫等地實(shí)地勘察，各地勘察情況均與蘇州勘察情況類似，其中廣州某試點(diǎn)區(qū)域規(guī)劃部署42 個(gè)站點(diǎn)，其中13 個(gè)站點(diǎn)（占31%）因物業(yè)反對(duì)而無法新增抱桿，如圖6 所示。

圖6 廣州試點(diǎn)區(qū)域42 個(gè)站天面勘察情況

從以上天面資源情況調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析可知，多數(shù)站點(diǎn)為單天面情況，無法新增天面資源。另外，部分站點(diǎn)存在物業(yè)協(xié)調(diào)難、新增站點(diǎn)難的問題，未來5G 天線部署將面臨較大挑戰(zhàn)。

3 5G 時(shí)代單天面部署解決方案

對(duì)于雙天面場景，可通過一副多端口天線收編現(xiàn)有頻段，為5G 天線騰挪一個(gè)天面抱桿，部署難度不大。針對(duì)鐵塔單管、樓頂站等單抱桿場景，在增加部署3.5 GHz MM（massive MIMO，MM）天線時(shí)，有下面幾種可能的方案。

騰挪方案：將現(xiàn)有的天面騰挪給5G MM 天線，原有天線整合為一副集束天線，如圖7 所示。

圖7 鐵塔樓頂站-騰挪方案（集束替換原有天線）

加長抱桿：加長原有抱桿使其可進(jìn)行雙天面部署（垂直切分），如圖8 所示。

新增抱桿：直接將單抱桿站點(diǎn)改造成雙抱桿站點(diǎn)（水平切分），如圖9 所示。

天面1:1 替換：用一副4G/5G 融合的天線替換原有的4G 天線，如圖10 所示。

圖8 電信樓頂站-加長抱桿方案（垂直切分）

圖9 電信的樓頂站-新增抱桿方向（水平切分）

圖10 電信的樓頂站-天面1:1 替換

由上面的分析可知，單天面情況下在增加3.5 GHz MM 天線部署時(shí)，共有4 種可能的方案，每種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)每種方案根據(jù)不同的場景進(jìn)行分析對(duì)比見表1。

表1 各方案單抱桿場景適用性對(duì)比

天面1:1 替換方案實(shí)現(xiàn)了4G/5G 共天饋面，簡稱此方案為“All in One”方案，即將4G、5G全部集合到一個(gè)天線內(nèi)部。

從表1 可以看出，天面1:1 替換的方案適用于單天面的各場景，其他方案無法完全適用每種單抱桿場景。下面對(duì)各應(yīng)用場景適用方案、主要投資成本、時(shí)間成本進(jìn)行對(duì)比分析，詳見表2、表3。

通過對(duì)比可知，天面1:1 替換適用各類場景，同時(shí)能減少鐵塔租金等運(yùn)營成本。同時(shí)，天面1:1替換，減少了物業(yè)協(xié)調(diào)時(shí)間及物業(yè)協(xié)調(diào)的費(fèi)用，可快速建網(wǎng)搶占市場。因此，本文建議根據(jù)表4的不同場景選擇相應(yīng)的方案。

由于5G 天線產(chǎn)品形態(tài)存在差異，因此All in One 方案存在多種可能的類型及架構(gòu)，不同的方案的架構(gòu)存在各自優(yōu)缺點(diǎn)，以下將詳細(xì)介紹不同All in One 方案的架構(gòu)設(shè)計(jì)、陣列設(shè)計(jì)、端口設(shè)計(jì)及不同設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 各方案主要成本對(duì)比

表3 各方案租金、施工周期成本對(duì)比

4 All in One 共天面解決方案

4G 時(shí)代天線為無源天線，5G 時(shí)代天線的形態(tài)主要有天線與RRU 合為一體的AAU（active antenna unit）方案和天線與RRU 分離的無源天線兩種方案。因此，2G/3G/4G/5G All in One 共天面解決方案存在兩種情況：2G/3G/4G/5G 全無源All in One 方案和2G/3G/4G 無源+5G 有源 All in One 方案。

表4 不同場景下方案選擇原則

4.1 2G/3G/4G/5G 全無源All in One 方案

4.1.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

在郊區(qū)和農(nóng)村中低容量場景及城區(qū)高容量廣覆蓋場景，可采用8TR/16TR MIMO 5G 天線與4G天線整合為一副全無源All in One 的天線，其整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如下。

天線外形一體化設(shè)計(jì)，內(nèi)部可采用2G、3G或4G（主要為4G）和5G 天線堆疊設(shè)計(jì)的方式，也可采用4G 和5G 天線融合設(shè)計(jì)方式，最后分別與2G、3G、4G、5G RRU 通過跳線連接。這種方式只需要更換一副無源All in One 的天線、新增5G RRU 即可實(shí)現(xiàn)4G/5G 信號(hào)全覆蓋。全無源All in One 天線架構(gòu)堆疊與融合設(shè)計(jì)如圖11 所示，相比4G 天饋面來說，需要增加一個(gè)RRU 器件，從鐵塔的租金計(jì)算來看，需要增加約10%的年租金。

4.1.2 陣列設(shè)計(jì)

由于全無源 All in One 天線內(nèi)部可采用2G/3G/4G 和 5G 天線堆疊設(shè)計(jì)方式或采用2G/3G/4G 和5G 天線融合設(shè)計(jì)方式。因此，天線陣列的設(shè)計(jì)存在下面兩種形式，鑒于目前鐵塔天線迎風(fēng)面積及尺寸要求，天線長度應(yīng)小于或等于2.0 m，兩種架構(gòu)設(shè)計(jì)的天線內(nèi)部陣列設(shè)計(jì)如圖12 所示。

圖11 全無源All in One 天線架構(gòu)堆疊與融合設(shè)計(jì)

堆疊架構(gòu)陣列設(shè)計(jì)沿用傳統(tǒng)天線陣列設(shè)計(jì)，相當(dāng)于將無源天線端口上移，在下方堆疊5G 的3.5 GHz 頻段8/16 端口天線陣列。傳統(tǒng)多頻8/16端口已成熟，僅在下方堆疊3.5 GHz 頻段陣列，實(shí)現(xiàn)難度不大。但因天線總長度限制為2 m，下方堆疊3.5 GHz頻段后，800 MHz、1 800 MHz、2 100 MHz等無源頻段的天線長度僅約1.2 m，如圖12 左邊的堆疊架構(gòu)-陣列設(shè)計(jì)所示。由于長度受限，相應(yīng)陣列數(shù)量會(huì)減少；且由于低頻段陣子布局在上方，主饋線加長，導(dǎo)致線路損耗增大，這兩個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致800 MHz、1 800 MHz、2 100 MHz等無源頻段的增益下降，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量下降。

融合架構(gòu)陣列是將5G 8/16 端口天線陣列和無源天線端口陣列進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，如圖12 右邊的融合架構(gòu)-陣列設(shè)計(jì)所示，是將傳統(tǒng)無源天線的長度保持不變（2 m），在下方采用和5G 陣列融合的設(shè)計(jì)方式。由于陣列間距縮短，同時(shí)低頻段陣子會(huì)遮擋3.5 GHz 頻段陣子，陣列間耦合會(huì)加強(qiáng)，導(dǎo)致端口間隔離度變差，需要對(duì)陣列進(jìn)行去耦設(shè)計(jì)。對(duì)于4G 頻段，由于800 MHz 天線長度可以達(dá)到2.0 m，1 800～2 100 MHz 陣列長度約為1.5 m，全無源All in One 融合方案將保持增益基本不變，不影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

圖12 全無源All in One 天線堆疊與融合設(shè)計(jì)陣列對(duì)比

4.1.3 端口設(shè)計(jì)

All in One 天線的端面接口數(shù)急劇增加，將達(dá)到16/24 端口，端口數(shù)量增多，端面布局空間有限，如果按照現(xiàn)有7/16 連接器，會(huì)導(dǎo)致端面布局過于緊湊，工程安裝極為不便，可采用4.3-10 連接器進(jìn)行布局；而對(duì)于3.5 GHz 頻段16 端口用4.3-10連接器布局過于緊湊，可以考慮采用集束連接頭。

由于集束連接器的插針十分細(xì)小，無法承受過大的外力，在對(duì)接時(shí)，如果公接頭和母接頭產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，容易導(dǎo)致插針的彎曲甚至斷裂，并且插針體積較小，外焊接線纜時(shí)不方便，焊接質(zhì)量無法保證。因此，建議選用業(yè)界新推出的可靠性較高的MQ4、MQ5 連接器作為All in One 天線端口連接器，使All in One 中的5G 天線和4G 等無源天線端口滿足工程安裝的可靠性要求。

MQ4、MQ5 連接器與RRU 連接示意圖如圖13所示。

圖13 MQ4、MQ5 連接器與RRU 連接示意圖

4.1.4 全無源All in One 方案選擇

通過以上分析，兩種架構(gòu)的天線主要區(qū)別在振子設(shè)計(jì)，融合方案需將不同頻段陣子進(jìn)行嵌套，而堆疊方案類似純物理堆疊。堆疊方案實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，而融合方案陣子間距小，陣子間耦合增加，需要進(jìn)行去耦處理，實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度相對(duì)較大，兩種方案詳細(xì)對(duì)比見表5。

從表5 可以看出兩種架構(gòu)All in One 方案中，融合方案技術(shù)難度大，同時(shí)成本會(huì)高于堆疊方案，但是可獲得一定增益收益。

4.2 2G/3G/4G 無源+5G 有源 All in One 解決方案

4.2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前5G 試驗(yàn)網(wǎng)主要是天線與RRU 合為一體的AAU 有源方案。要實(shí)現(xiàn)單天面場景下網(wǎng)絡(luò)部署，需將2G/3G/4G 無源天線（主要為4G）與5G AAU 集合到一起的無源+有源All in One 方案，整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖14 所示。

圖14 無源+有源All in One 堆疊、融合設(shè)計(jì)架構(gòu)

表5 兩種架構(gòu)All in One 方案對(duì)比

天線一體化設(shè)計(jì)，由于5G AAU 體積、重量均大于無源天線，難以封裝于無源天線罩內(nèi)部，所以只能采用物理堆疊的方式。而天線總體長度受限，堆疊后將導(dǎo)致無源天線的長度變短，低頻段陣子減少，因此必須采用堆疊+融合的方式將4G無源天線陣子與5G AAU 進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，以保證低頻段的增益，實(shí)現(xiàn)無源+有源All in One 方案。

4.2.2 陣列設(shè)計(jì)

無源+有源All in One 架構(gòu)的天線外形為堆疊設(shè)計(jì)，5G AAU 陣列存在兩種設(shè)計(jì)架構(gòu)：獨(dú)立設(shè)計(jì)及融合設(shè)計(jì)。鑒于目前鐵塔天線迎風(fēng)面積及尺寸要求，天線長度應(yīng)小于2.0 m，兩種架構(gòu)設(shè)計(jì)的天線內(nèi)部陣列設(shè)計(jì)如圖15 所示。

堆疊架構(gòu)陣列設(shè)計(jì)（如圖15 左邊所示），天線陣列設(shè)計(jì)難度不高，只需要在4G 天線陣列上方堆疊3.5 GHz MM 陣列。但此種設(shè)計(jì)方式帶來的問題是低頻陣列（800 MHz）和中頻陣列（1 800 MHz 和2 100 MHz ）的長度不滿足（長度約只有1.2 m），從而導(dǎo)致增益下降。

堆疊+融合架構(gòu)陣列設(shè)計(jì)（如圖15 右邊所示），5G MM 天線陣列和4G 天線陣列融合設(shè)計(jì)，將低頻段（800 MHz）陣列延伸到5G MM 陣列中，設(shè)計(jì)難度較大。該方案陣列間距縮短，同時(shí)低頻段陣子會(huì)遮擋3.5 GHz 頻段陣子，陣列間耦合增加，導(dǎo)致端口間隔離度變差，需要進(jìn)行去耦設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)800 MHz 天線振子的長度可以達(dá)到2.0 m，1 800～2 100 MHz 陣列長度約為1.2 m，All in One 融合后低頻段（800 MHz）增益將不會(huì)降低。

4.2.3 端口及級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)

無源+有源All in One 的架構(gòu)是基于堆疊加融合的設(shè)計(jì)方式，該方案除了將有源AAU 和無源天線陣列組合到一起外，同時(shí)需要將融合于AAU 內(nèi)部的低頻陣子與4G 天線陣列相連，4G 移相器和饋電網(wǎng)絡(luò)集成于4G 天線內(nèi)部。

有源和無源模塊需要做防水處理，需要將射頻接頭通過外加防水線纜進(jìn)行5G AAU 和無源天線的上下級(jí)聯(lián)。考慮到防水及接頭美觀要求，級(jí)聯(lián)接頭建議采用MQ4 連接器，該連接器滿足防水性能要求，同時(shí)施工簡單。堆疊+融合方案級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)如圖16 所示。

圖15 2G/3G/4G/5G 無源+有源All in One 堆疊架構(gòu)+融合陣列設(shè)計(jì)

圖16 無源+有源All in One 級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)

4.2.4 無源+有源All in One 方案比較

通過以上分析，兩種不同架構(gòu)的天線設(shè)計(jì)從外形來看，主要區(qū)別是堆疊+融合方案需要將不同頻段陣子進(jìn)行嵌套，陣子間距小，陣子間耦合增加，需要去耦處理，實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度相對(duì)較大；而堆疊方案屬于純物理堆疊，實(shí)現(xiàn)較容易。兩種方案詳細(xì)對(duì)比見表6。

從表6 可以看出兩種架構(gòu)All in One 方案中，堆疊+融合方案技術(shù)難度大，成本較高，但可維持增益基本不變。

5 All in One 面臨的問題及解決建議

通過以上分析可知，All in One 天線可能存在以下問題及解決建議，見表7、表8。

表6 不同陣列設(shè)計(jì)方案對(duì)比

表7 全無源All in One 天線存在的問題及解決建議

表 8 無源+有源All in One 天線可能存在的問題及解決建議

6 結(jié)束語

本文根據(jù)5G 時(shí)代天饋面資源現(xiàn)狀，對(duì)5G 時(shí)代單天面場景部署的解決方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了一種適合中國電信單抱桿網(wǎng)絡(luò)建設(shè)場景的2G/3G/4G/5G All in One 共天饋面解決方案。

All in One 解決方案根據(jù)應(yīng)用場景主要分為全無源All in One 和無源+有源All in One 兩種類型，針對(duì)以上兩種All in One 類型，本文對(duì)其架構(gòu)、陣列設(shè)計(jì)、端口/級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)及可能存在的問題及相應(yīng)解決建議進(jìn)行了深入分析和總結(jié)，驗(yàn)證了All in One 方案的可行性。