小基站射頻分布系統(tǒng)應用研究

［宋偉坪 馬海軍 丁海斌 周亮 李益鋒 朱文聰］

1 引言

隨著5G 通信網絡的大規(guī)模部署和移動通信業(yè)務5G化推廣，移動通信5G 用戶占比不斷提升，對5G 網絡容量、系統(tǒng)可靠性有了更高的要求[1]。5G 網絡經過多年建設，運營商5G 通信網絡已實現鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以上區(qū)域的室外基本連續(xù)覆蓋和重點室內場景深度覆蓋。但如何低成本、快速實現中、小面積室內場景的5G 深度覆蓋，仍舊是各運營商目前的一大難點[2]。本文旨在通過對小基站射頻分布系統(tǒng)產品性能和建設成本優(yōu)勢的研究，幫助運營商快速建設低成本、高質量的室內覆蓋網絡。

2 小基站射頻分布系統(tǒng)組網方式及應用優(yōu)勢

2.1 小基站射頻分布系統(tǒng)組網方式

小基站射頻分布系統(tǒng)通常由小基站、射頻近端機、射頻遠端機組成，如圖1 所示。

小基站：集合了基帶處理單元和射頻單元的功能，支持IPRAN、STN、PON 等多種回傳方式。小基站可支持4/5G 雙模，輸出功率250 mW(輸出功率有多種配置，本文選擇2*250 mW)。5G 單模設備功耗小于20 W，4/5G 雙模設備功耗小于35 W，是一種小型化、低功率、低功耗的微蜂窩基站。小基站5G 頻段支持在線用戶數96 個。

射頻近端機：可提供4*200 W 遠程供電，將射頻信號放大后通過1 對5D 射頻同軸線纜實現對射頻遠端機的信號傳輸和遠程供電，射頻近端機支持4 路輸出，單路最多可支持下掛8 個射頻遠端機；射頻近端機5G 單模功耗小于15 W，4/5G 雙模功耗小于20 W，可支持級聯(lián)擴展。

射頻遠端機：與射頻近端機實時交互數據，將接收到的射頻信號放大發(fā)射。射頻遠端機輸出功率250 mW(輸出功率有多種配置，本文選擇2*250 mW)，5G 單模設備功耗小于12 W，4/5G 雙模設備功耗小于20 W。內置天線型和外接天線型兩種射頻遠端機能夠適用不同建筑結構的場景。

2.2 小基站射頻分布系統(tǒng)應用優(yōu)勢

室內深度覆蓋常用的覆蓋方案為傳統(tǒng)無源室分系統(tǒng)和數字化有源室分系統(tǒng)。根據運營商多年的建設、維護、優(yōu)化經驗，分別存在的一定的缺點。

5G傳統(tǒng)無源室分一般由基帶處理單元（常規(guī)功耗200 W）和射頻拉遠單元（常規(guī)功耗600 W）、室分器件、饋線、以及室分天線組成，其優(yōu)點是分布系統(tǒng)部分無需供電、相比有源室分點位故障率低，主要缺點是：室分器件、饋線和天線涉及工程量多，施工難度大，建設工期長；由于室分天線無法監(jiān)控，一旦發(fā)生故障很難及時發(fā)現，故障點的排查維護難度大，容易影響用戶感知；天線口功率在設計階段已通過鏈路損耗確定，分布系統(tǒng)建成后再增加天線以滿足擴大覆蓋面積比較困難[3]。

5G數字化有源室分由基帶處理單元（常規(guī)功耗200 W）、中繼擴展單元（常規(guī)功耗50 W）、射頻遠端單元（常規(guī)功耗50 W）組成，中繼擴展單元與射頻遠端單元之間采用六類線或光電復合纜連接，施工便捷，設備可管可控。數字化有源室分主要優(yōu)點是可按需合并/分裂小區(qū)，實現超大容量，適合大型的商超、醫(yī)院、體育場館、交通樞紐等高流量場景，但其缺點是遠端單元設備能耗高、并且整體造價高[4]。

相較于傳統(tǒng)無源室分和數字化有源室分的以上痛點，小基站射頻分布系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢[5]。

優(yōu)勢一，能耗低：小基站射頻分布系統(tǒng)采用極簡低功耗信源,能耗比數字化有源室分低50%以上；小基站射頻分布系統(tǒng)與傳統(tǒng)無源室分的能耗對比與覆蓋面積有關，覆蓋面積越小，射頻遠端機配置數量越少，越具備低功耗優(yōu)勢。

優(yōu)勢二，部署快：小基站射頻分布系統(tǒng)采用5D 射頻同軸線纜，施工便捷，比傳統(tǒng)無源室分工程量少，作為信源的小基站支持多種回傳方式，設備即插即開，可以快速建設開通。

優(yōu)勢三,可管控：相比傳統(tǒng)無源室分，小基站射頻分布系統(tǒng)可管可控，便于及時發(fā)現故障、高效排障。

優(yōu)勢四,改造難度低：相比傳統(tǒng)無源室分，小基站射頻分布系統(tǒng)可按需靈活調整射頻遠端數量，易改造，后期由于增加覆蓋面積進行擴容也比較方便。

3 小基站射頻分布系統(tǒng)覆蓋效果的預測和驗證

3.1 小基站射頻分布系統(tǒng)的鏈路預算

為了驗證小基站分布系統(tǒng)的性能，本次選擇某物流集散中心一幢樓宇的4 樓作為試點。該樓層為室內多隔斷場景，現場無吊頂，覆蓋面積約為2 000 m2。根據小基站射頻分布系統(tǒng)的相關性能參數和現場建筑格局進行鏈路預算，并結合以往室分工程經驗制定天線布放方案。

鏈路預算典型的室內傳播模型是Keenan-Motley 模型[6]，計算公式如下：

其中PL (d0)=32.4+20 log (d0×0.001)+20 logf，d0為參考的近距離(通常d0=1m)，PL (d0)表示近地參考距離自由空間衰減值，f 為信號頻率，單位是MHz，PL(d)表示路徑為d(m)總傳播損耗，β 表示路徑損耗因子（本次取0.5 dB/m），FAF 表示穿透損耗，根據3GPP TS 38.901 協(xié)議，5G 信號的穿透損耗與無線信號頻段f（單位為GHz）有關，3.5G 頻段小基站對應各類常見材料的建筑物隔斷穿透損耗如表1 所示。

表1 3.5GHz 小基站射頻分布系統(tǒng)鏈路預算

本多隔斷場景按一堵混凝土墻+一扇木門的雙重遮擋作為穿透損耗上限。

250 mW 小基站射頻分布系統(tǒng)3.5 GHz 信源輸出功率為：10log(250 mW÷(273×12))=10log(250 mW)-10 log(273×12)=-11.17 dBm。

綜上所述，3.5 GHz 小基站射頻射頻分布系統(tǒng)的鏈路預算如表2 所示。

表2 3.5GHz 小基站射頻分布系統(tǒng)鏈路預算

根據鏈路預算，當室分天線點位布放在樓道內房間門口時，房間內距天線10 m 以內的區(qū)域信號強度符合運營商指標要求[7]。根據小基站射頻分布系統(tǒng)的相關性能參數，結合以往數字化有源室分建設經驗，設計采用1 臺小基站+1臺射頻近端機+7 臺2TR 射頻遠端機，小基站和射頻近端機安裝在本樓層弱電間內，射頻遠端機布放在樓道內，外接的室分天線布放在相鄰房間門口的過道中間[8]，如圖2 所示。

圖2 小基站射頻分布系統(tǒng)室分點位圖

3.2 小基站射頻分布系統(tǒng)覆蓋效果仿真

在鏈路預算設定的相關參數基礎上，通過對該站點方案進行建模仿真[9]，仿真結果如圖3 所示。

圖3 RSRP 仿真效果圖

通過仿真效果理論統(tǒng)計，該站點RSRP 值≥ -110 dBm的區(qū)域占比為99.18%，RSRP 值≤ -110 dBm 的區(qū)域占比僅為0.82%,滿足運營商網絡覆蓋指標要求。

3.3 小基站射頻分布系統(tǒng)覆蓋效果測試

該室分點位現場安裝開通后進行了現場測試，測試統(tǒng)計結果如圖4 所示。

圖4 現場測試RSRP 值和SINR 值統(tǒng)計圖

由測試統(tǒng)計結果可見該站點RSRP 值≥ -110 dBm 的區(qū)域占比為99.61%；RSRP 值≤ -110 dBm 的區(qū)域占比僅為0.39%，試點現場實際測試結果RSRP 值略優(yōu)于仿真結果，滿足運營商網絡覆蓋指標要求。同時該站點SINR 值≥ -3 dB 的區(qū)域占比為100%，也滿足運營商網絡覆蓋指標要求。

4 小基站射頻分布系統(tǒng)適用場景分析

4.1 小基站射頻分布系統(tǒng)容量分析

室分網絡的建設離不開容量規(guī)劃，容量規(guī)劃主要基于用戶滲透率、RRC 連接比例等參數進行預測，計算方法為：在線用戶數=總人數×運營商用戶滲透率×5GNR 用戶滲透率×RRC 連接比例[10]。由此計算方法反推，可知支持96 個在線用戶數的小基站容量（小基站覆蓋區(qū)域內可容納的總人數），如表3 所示。

表3 小基站容量計算表

根據表3 推算結果，小基站射頻分布系統(tǒng)適用于活動人數在480 人以內的室內場景，受其容量所限，一般適用的場景面積不會太大。

4.2 造價對比分析

常見室分場景根據其內部建筑格局，主要分為空曠型場景和多隔斷型場景，根據鏈路預算傳播模型可知，由于建筑隔斷會對信號傳播產生較大的穿透損耗，不同的建筑格局對天線布放密度有較大影響。本次以某運營商近期設備、材料采購價格為基礎數據，針對不同建筑格局和面積分別做傳統(tǒng)無源室分、數字化有源室分、小基站射頻分布系統(tǒng)的造價估算。對比結果如圖5 所示。

圖5 造價對比

根據圖5 對比可以發(fā)現，數字化有源室分由于信源設備單價非常高，在建設成本上毫無優(yōu)勢[11]。傳統(tǒng)無源室分在中、小面積場景中信源配置數量與面積不成正比，比如覆蓋2 000 m2和5 000 m2場景通常都只需要1 個信源，導致單個信源所覆蓋的面積越小，分攤到單位面積上的信源成本越高，在中、小面積場景中也不具備成本優(yōu)勢[12]。小基站射頻分布系統(tǒng)射頻遠端機配置數量與覆蓋面積成正比，設備低單價的優(yōu)點使其在中、小面積覆蓋場景中具備成本優(yōu)勢[13]。

4.3 適用場景

基于以上小基站射頻分布系統(tǒng)的容量分析和造價對比分析，小基站射頻分布系統(tǒng)在覆蓋人數不超過480 人、覆蓋面積不超過10 000 m2的中、小面積場景中具備室分建設成本優(yōu)勢。結合室分建設過程中遇到的常見場景類型，小基站射頻分布系統(tǒng)主要適用于表4 所示場景[14]。

表4 小基站射頻分布系統(tǒng)適用場景

以上覆蓋場景中，中、小面積的空曠場景一般可采用內置天線的射頻遠端機為主的小基站射頻分布系統(tǒng)，中、小面積的多隔斷場景一般采用可外接室分天線的射頻遠端機為主的小基站射頻分布系統(tǒng)[15]。

5 結束語

本文通過對試點方案進行鏈路預算、系統(tǒng)仿真和現場測試，預測和驗證了小基站射頻分布系統(tǒng)的覆蓋效果，在此基礎上進一步對小基站射頻分布系統(tǒng)進行容量分析，并將其與傳統(tǒng)無源室分和數字化有源室分進行造價對比分析，證明小基站射頻分布系統(tǒng)在中、小面積室內場景的室分建設中具備成本優(yōu)勢，為中、小面積室內場景的低成本深度覆蓋提供了非常好的解決思路。