封閉金屬吊頂室內(nèi)覆蓋解決方案

吳迪 畢猛 田彥豪 鄒勇

摘 要：隨著5G滲透率的增加及業(yè)務(wù)場景的日益豐富，不斷增長的業(yè)務(wù)量對5G網(wǎng)絡(luò)容量能力提出了更高的要求。由于低頻資源的稀缺，未來5G系統(tǒng)將會向更高頻段演進。由于高頻電磁波波長短，其衍射能力變差，在空間傳播的過程中表現(xiàn)為損耗較大。對于5G室分覆蓋，受限于安裝空間和美觀要求，存在大量封閉金屬吊頂暗裝的情況，信號強度會受到金屬吊頂較大的衰減，這為5G網(wǎng)絡(luò)部署帶來了較大的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合實地測試結(jié)果和理論推導(dǎo)，對封閉金屬吊頂場景下5G室分覆蓋問題進行分析，并針對不同場景和系統(tǒng)提出針對性解決方案。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)分布系統(tǒng)；金屬吊頂；路徑損耗；穿透損耗；倒置安裝

截至2020年底，國內(nèi)運營商在全國地級以上城市均已實現(xiàn)了室外連續(xù)覆蓋，可滿足eMBB場景下高清視頻/VR/AR等大帶寬業(yè)務(wù)的容量需求。當前形勢下，隨著5G滲透率的增加，5G系統(tǒng)容量需求會出現(xiàn)顯著增長。在此背景下，5G對于室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)需求愈發(fā)迫切，室分系統(tǒng)可有效滿足室內(nèi)深度覆蓋的容量需求。

由于目前運營商低頻段資源越來越稀缺，且容量承載能力有限，未來5G系統(tǒng)將會向更高頻段演進。通常情況下，高頻段對于常見材質(zhì)穿損較大，同時由于波長短，其衍射能力變差，在空間傳播的過程中表現(xiàn)為損耗較大。5G室內(nèi)分布系統(tǒng)初期部署區(qū)域聚焦在黨政機關(guān)、商務(wù)樓宇及交通樞紐等熱點覆蓋區(qū)域。在該類區(qū)域中，為使得室分系統(tǒng)更好地與部署環(huán)境相融合，往往會將無源室分系統(tǒng)的天線或有源室分系統(tǒng)的pRRU頭端安裝于吊頂內(nèi)（暗裝），帶來較大的穿透損耗。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的中后期，將在重點區(qū)域及高價值區(qū)域提供上/下行超過50/300 Mbit/s的熱點覆蓋，更多的室分系統(tǒng)建設(shè)需求會涌現(xiàn)出來，而更高的頻段、更大的損耗將對室分系統(tǒng)的部署帶來更大的挑戰(zhàn)。

本文結(jié)合實地測試結(jié)果，對封閉金屬吊頂場景下室內(nèi)覆蓋問題進行分析，并提出針對性解決方案。

1 問題現(xiàn)狀

吊頂暗裝場景下，根據(jù)吊頂?shù)牟馁|(zhì)不同，會帶來不同的額外穿透損耗[1]。此時如果吊頂穿損過大，會影響信號覆蓋質(zhì)量，尤其是一些金屬吊頂場景的信號反射，嚴重影響覆蓋效果。此時，吊頂不僅會屏蔽本層信號，同時能夠?qū)⑾聦有盘柗瓷?，帶來較大的干擾，甚至造成交疊覆蓋現(xiàn)象。

該場景安裝示意如圖1所示。

某次測試結(jié)果如圖2所示，遍歷測試的過程中占用的小區(qū)存在交叉，原規(guī)劃的主覆蓋小區(qū)PCI為674，實際測試表明，在走廊部分較大范圍占用到下一樓層小區(qū)，PCI為672。

原因分析如圖3所示，在相鄰兩樓層的金屬吊頂內(nèi)，形成一靜電屏蔽區(qū)域，以天線1為例，其發(fā)出的信號遇到吊頂后反射，在空間2內(nèi)傳播；在兩金屬吊頂外的空間1，由于靜電屏蔽作用，感應(yīng)電荷在金屬板聚集，形成鏡像點源，鏡像點源與原始信源形成干涉效應(yīng)，在空間局部發(fā)生反向疊加，出現(xiàn)信號極弱覆蓋區(qū)域。以上現(xiàn)象的外在綜合表現(xiàn)為：本小區(qū)信號出現(xiàn)較大的衰落，鄰小區(qū)信號干擾電平較高。

2 pRRU倒置安裝測試結(jié)果及分析

分析此類場景，由于本層上方天線/pRRU距離用戶較遠或存在吊頂?shù)乃ヂ涑霈F(xiàn)較大的衰落，而下層信號由于覆蓋距離及天花板材質(zhì)等因素，形成了較強的鄰區(qū)干擾，可考慮將天線/pRRU倒置安裝，以在一定程度上規(guī)避信號衰落。選取有源室分進行測試驗證，本節(jié)為測試結(jié)果及分析。

為定量分析場景內(nèi)不同材質(zhì)對信號的損耗影響，首先進行定點測試，測試項及測試結(jié)果如表1所示。

通過該部分測試，可知，金屬吊頂對信號存在較強的屏蔽作用，部分吊頂其穿損可能遠高于樓板，同時，pRRU主瓣方向性并不明顯。根據(jù)這一思路，分析在pRRU正裝的情況下，其鄰區(qū)信號主要成分來自于pRRU背瓣，從而形成了較大的鄰區(qū)干擾。將pRRU分別進行正置和倒置安裝，進行遍歷測試，結(jié)果如表2所示。

測試結(jié)果表明，在倒置安裝狀態(tài)下，平均覆蓋RSRP并無提升，其原因在于上下覆蓋距離差，穿損減少值未能抵消路損增加值。

結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境，采用上述模型，分別套用LOS和NLOS場，進行鏈路預(yù)算分析可知，上方線安與用戶間距為1 m，下方天線與用戶間距約為3 m。此時，下方天線到達用戶所經(jīng)歷的路損相對上方天線高8.3～9.2 dB。因此，上述測試結(jié)果產(chǎn)生的原因為，天花板相對金屬吊頂所減少的穿損值未能抵消由于距離差帶來的路損增加值。

根據(jù)該測試結(jié)果進一步推論，在該場景下，如果能夠?qū)⑻炀€/pRRU貼近天花板并倒置安裝，同時向上覆蓋，可帶來如下提升：

主覆蓋小區(qū)（天線2）與用戶之離距離由3 m減少至1.5 m，根據(jù)鏈路預(yù)算，有用信號可提升5.2 dB左右；

干擾小區(qū)（天線1）到用戶的距離由1 m增加至約2.5 m，其干擾信號可降低6.9～7.3 dB（覆蓋距離由1 m增加至約2.5 m）。

本小區(qū)信號與鄰區(qū)信號差值增加至12 dB，可在提升覆蓋場強的同時，有效降低鄰區(qū)干擾。

3 封閉金屬吊頂暗裝場景解決方案

3.1 部署思路

在室內(nèi)覆蓋場景中，常用信號輻射器件為天線及廣角漏纜，根據(jù)各類器件方向，確定以下部署思路：

1）將天線/pRRU/漏纜倒置安裝，并將天線/ pRRU/漏纜緊貼天花板安裝，如圖6所示。

2）若天線安裝高度受限，無法緊靠天花板安裝，則可采用方向性較好的器件進行覆蓋，例如普通漏纜、壁掛天線等。

3）根據(jù)終端與用戶的距離，選擇合適的覆蓋器件，遵循以下原則：天線貼頂安裝時，選擇輻射角較大的器件；無法貼頂安裝時，選擇方向性較強的器件，以抵抗路損。

4）對于定向壁掛天線，根據(jù)現(xiàn)場覆蓋環(huán)境決定其寬波束和窄波束覆蓋方向。

常見的覆蓋器件性能及適用場景分析如表3所示。

3.2 技術(shù)方案

根據(jù)上述思路，確定以下具體技術(shù)方案。

1）實地勘察并測試，獲取以下參數(shù)：

并進行如下計算：

2）計算信號傳播距離d_b = h3，將d_b代入鏈路預(yù)算公式計算得到PL_b，再計算綜合損耗P_b = PL_ b + P1。

3）由下層天線/pRRU/漏纜覆蓋本層用戶，天線/ pRRU/漏纜安裝于天花板下方，盡可能貼近天花板：

a）若采用全向天線/定向天線/ pRRU/pRRU外接天線覆蓋，天線主瓣垂直向上安裝（倒置）。

b）若采用漏纜覆蓋，將漏纜泄漏口向上放置。

這種情況下，若為漏纜或定向天線覆蓋，在走廊正置安裝的情況下，需要獲取現(xiàn)場垂直于走廊方向的最大覆蓋寬度w：

a）若為漏纜覆蓋，且w>2*sqrt（3）*d_a，則采用廣角漏纜進行覆蓋，否則采用普通漏纜進行覆蓋。

b）若為天線覆蓋，獲取擬采用定向天線的水平面波束寬度和垂直面波束寬度，其中較大的值定義為α，較小的定義為β。

ⅰ. W≥2*tan（α/2）*d_a，采用全向天線。

ⅱ. 2*tan（β/2）*d_a

ⅲ. w<2*tan（β/2）*d_a，采用定向天線，且較大張角垂直于走廊方向放置。

4）若受限于現(xiàn)場條件，無法靈活選擇天線/pRRU/漏纜的安裝高度，則獲取天線/pRRU/漏纜安裝高度h；此時，得到信號傳播距離d_b =（h2 - h + h3），將d_b代入鏈路預(yù)算公式計算得到PL_b，再計算綜合損耗P_b = PL_b + P1。

a）若采用全向天線/定向天線/pRRU/pRRU外接天線覆蓋，天線主瓣垂直向上安裝（倒置）。

b）若采用漏纜覆蓋，將漏纜泄漏口向上放置。

這種情況下，若為漏纜或定向天線覆蓋，在走廊安裝的情況下，需要獲取現(xiàn)場垂直于走廊方向的最大覆蓋寬度w：

a）若為漏纜覆蓋，且w>2*sqrt（3）*d_b，則采用廣角漏纜進行覆蓋，否則采用普通漏纜進行覆蓋。

b）若為天線覆蓋，獲取擬采用定向天線的水平面波束寬度和垂直面波束寬度，其中較大的值定義為α，較小的定義為β。

ⅰ. W≥2*tan（α/2）*d_b，采用全向天線。

ⅱ. 2*tan（β/2）*d_b≤w<2*tan（α/2）*d_b，采用定向天線，且較大張角平行于走廊方向放置。

ⅲ. w<2*tan（β/2）*d_b，采用定向天線，且較大張角垂直于走廊方向放置。

4 結(jié)束語

本文針對封閉金屬吊頂室內(nèi)覆蓋問題的改善，結(jié)合實測結(jié)果和理論推導(dǎo)，對該場景室分系統(tǒng)面臨的損耗進行定量分析，并提出針對性解決方案。該方案通過對覆蓋現(xiàn)場的深度勘察，靈活部署天線的安裝方式，通過倒置安裝并選取合理的覆蓋器件，可有效規(guī)避部分穿透損耗和路徑損耗，提升覆蓋性能。隨著更高頻段及毫米波資源的開發(fā)利用，該方案可進一步推廣，具有較高的應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1]呂正春，畢猛，陳小奎，侯彥莊.幾種常見物體在5G頻段的穿透損耗測試分析[J].電子產(chǎn)品世界，2021，28（4）：76-77，84.

[2]3GPP TR 38.901 V16.1.0 Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz（Release 16）[S].3rd Generation Partnership Project，2019：31.

3794501908229