1 引言

國內(nèi)通信行業(yè)經(jīng)歷過2G、3G、4G三個高速發(fā)展期，目前正在邁向萬物互聯(lián)的5G時代，依靠廣大通信從業(yè)者長期艱苦卓絕的奮斗，我國已由2G時代的行業(yè)“跟隨者”一躍成為5G時代的行業(yè)“引領(lǐng)者”。隨著5G技術(shù)的應用，移動通信服務的對象包羅萬象、廣泛分布于地上地下各個角落，無線信號的穿透損耗隨應用頻段的日益提高而越發(fā)嚴重，傳統(tǒng)宏蜂窩為主的無線網(wǎng)絡架構(gòu)難以滿足覆蓋需求，移動通信網(wǎng)絡已逐漸演變?yōu)楹晡⒔Y(jié)合、室內(nèi)外協(xié)同的異構(gòu)網(wǎng)，室內(nèi)覆蓋的重要性日益凸顯，其解決方案也愈發(fā)多樣化。

2 室內(nèi)外綜合覆蓋研究

據(jù)統(tǒng)計，4G時代移動通信70%的新型業(yè)務發(fā)生在室內(nèi)，室內(nèi)無線信號覆蓋的好壞直接關(guān)乎用戶體驗和運營商網(wǎng)絡口碑，室內(nèi)覆蓋的建設(shè)對于移動網(wǎng)絡來說至關(guān)重要。通過對現(xiàn)有移動網(wǎng)絡進行分析可知，室內(nèi)無線覆蓋主要通過以下兩種方式實現(xiàn)：

（1）外部穿透：利用無線信號的穿透和繞射能力，使得室外站信號經(jīng)過一定衰減后傳播至室內(nèi)，當室外站足夠密、信號足夠強時可實現(xiàn)一定程度的室內(nèi)覆蓋；

（2）內(nèi)部覆蓋：信號直接引入室內(nèi)，并利用分布式天饋覆蓋室內(nèi)，避免了穿透損耗，從而以比較低的功率均勻達到室內(nèi)各處覆蓋。

受限于基站發(fā)射功率以及建筑物或構(gòu)筑物阻擋產(chǎn)生的穿透損耗，部分體量較大的建筑物、地下空間、隧道等場景存在信號覆蓋盲區(qū)；另外部分建筑內(nèi)部通信需求業(yè)務密度較大，僅靠室外宏基站的容量難以滿足室內(nèi)覆蓋需求。室內(nèi)分布系統(tǒng)可以有效解決這些室外基站無法解決的室內(nèi)信號差、信號紊亂、容量不足等問題。

形象地說，移動通信網(wǎng)絡架構(gòu)與原始熱帶森林的植被生態(tài)頗為神似：宏基站就像高大的喬木支撐起森林的立體空間，吸納著最廣闊的陽光；室內(nèi)分布系統(tǒng)則是充斥林間的藤蔓，收集著喬木無法觸及的光線；微基站就像底部低矮的灌木和蕨類，采擷著森林底層斑駁的余光。因為室內(nèi)分布系統(tǒng)單位面積覆蓋成本較高，在投資有限的情況下，如何平衡移動網(wǎng)絡宏基站、微基站和室內(nèi)分布系統(tǒng)的覆蓋場景、建設(shè)規(guī)模、建設(shè)時序，對于移動網(wǎng)絡建設(shè)來說非常重要。

3 室內(nèi)覆蓋基本理論

在進行室內(nèi)覆蓋方案設(shè)計之前，需要了解一些基本的理論和工程常見問題，如室內(nèi)無線信號傳播模型、鏈路預算、業(yè)務預測及頻率規(guī)劃、室內(nèi)覆蓋優(yōu)化調(diào)整等，本節(jié)將對室內(nèi)覆蓋基本理論進行簡要介紹。

3.1 室內(nèi)無線信號傳播模型

進行室內(nèi)覆蓋方案設(shè)計前，首先需對室內(nèi)環(huán)境無線信號傳播特性進行分析。常用的室內(nèi)無線信號傳播模型——Keenan-Motley（式 1）

式中

k : 電波傳輸穿透的樓層數(shù)；

F : 樓層損耗因子，單位dB；

p : 電波傳輸穿透的墻壁數(shù)；

W : 墻壁損耗因子，單位dB；

D : 長度衰減因子，單位dB/m；

dь : 室內(nèi)斷點距離，單位m；

工程中，該模型一般簡化為（式2）

式中

α：其它物體、樓層、障礙物的損耗

如表1所示，為常見建筑物材質(zhì)在Sub 6 GHz穿透損耗統(tǒng)計表：

表1 不同材質(zhì)的穿透損耗（dB）

在可視通的無線環(huán)境下,自由空間損耗可簡化為（式3）：

衰落余量，室內(nèi)一般取：10～15 dB

3.2 鏈路預算

通過室內(nèi)信號傳播模型的分析，可計算出在室內(nèi)任何位置相對于信號發(fā)射點的空間損耗。但僅通過此損耗量仍無法判斷該點的信號強度是否能滿足無線通信的正常進行。為此，需引入鏈路預算的概念：即信號從信源發(fā)出，經(jīng)過信號傳輸系統(tǒng)的傳播后由天線發(fā)射，再經(jīng)過自由空間傳播，最后到信號接收終端的信號測算方法（式4）。

通過式4便可以計算出滿足通信流程所需的最低信號輸入功率，為室內(nèi)分布系統(tǒng)的設(shè)計提供必要理論依據(jù)。

3.3 室內(nèi)業(yè)務預測及頻率規(guī)劃

在具體室分系統(tǒng)設(shè)計時，需要根據(jù)覆蓋區(qū)域的面積、人口分布密度、潛在用戶占比、用戶業(yè)務模型等信息，核算出目標區(qū)域的業(yè)務區(qū)量密度，進而在信源設(shè)計時加以考慮，按需匹配各室分小區(qū)的覆蓋規(guī)劃。

例如，某高鐵隧道，全長 3 120米，已知在隧道 3 120米范圍內(nèi)，最多同時有 2列客車對開，在上述條件下來進行業(yè)務量的預測：

（1）最高客流量分析

結(jié)合國內(nèi)在軌運行客運列車的情況可知，復興號CR400BF動車組一般每列編組8輛，定員576人，重聯(lián)時最多1152人；和諧號 CRH1、CRH2一般為8輛編組，而和諧號CRH1B型1列16廂，額定載客量為1 299人，和諧號CRH2B/E/C/型1列16廂，額定載客量為1 230人，由此可知隧道最大流量約為1299＊2=2598人。

（2）某運營商話務需求（以2G為例）：

① 2G網(wǎng)用戶規(guī)模(某運營商市場占有率取30%，2G占有率35%)：2598×30%×35%=273人；

② 2G網(wǎng)話務需求容量(單機用戶忙時話務取0.02 Erl)：273×0.02=5.45 Erl；

③ 2G網(wǎng)載頻需求(呼損按0.02，負荷按70%考慮)，話務需求約5.45÷70%=7.79 Erl 查愛爾蘭表得，所需信道數(shù)為9個，共需2載頻。

（3）頻率規(guī)劃

對于GSM網(wǎng)，優(yōu)先使用室內(nèi)覆蓋專用頻率，若無專用頻率，則需對目前網(wǎng)絡頻率計劃仔細分析后，按以下方式進行規(guī)劃：

① 不選擇鄰近小區(qū)的頻率，盡量不選擇這些頻率的鄰頻；

② 借助專用設(shè)備掃描來確定系統(tǒng)可用頻率后采用。

對于頻帶較寬的3/4/5G網(wǎng)絡，可直接采用適用于室內(nèi)覆蓋的載波進行覆蓋，容量不足時可采取多載波、載波聚合方式解決；當某網(wǎng)絡因頻點受限導致容量無法滿足時，可采取拆分小區(qū)覆蓋范圍的方式進行調(diào)整。

3.4 室內(nèi)覆蓋的優(yōu)化調(diào)整

室內(nèi)覆蓋的優(yōu)化調(diào)整類似于宏站，需特別注意以下幾個方面：

（1）話務調(diào)整

① 如果小區(qū)覆蓋區(qū)域正常但不能有效吸收話務；則應該增加基站發(fā)射功率；若功率已無法加大，則考慮增加天線數(shù)量。

② 反之，如果小區(qū)覆蓋區(qū)域過寬，吸收話務過大；則應該降低基站發(fā)射功率；若功率已無法減小，則考慮使用衰減器。

（2）覆蓋區(qū)域調(diào)整

① 如果小區(qū)覆蓋區(qū)域不正常，則應改變天線配置或使用衰減器。如果天線數(shù)量過少，將很難得出合適的室內(nèi)覆蓋。

② 如果小區(qū)覆蓋過大或過小導致手機附著的小區(qū)不合理，則應調(diào)整手機接入網(wǎng)絡的最低下行接收電平等參數(shù)。

（3）干擾調(diào)整

如果出現(xiàn)室內(nèi)小區(qū)間相互干擾，則可以通過功率調(diào)整解決。如果調(diào)整后導致覆蓋區(qū)域過小，則應考慮使用更多天線來覆蓋該區(qū)域。

4 常用室內(nèi)覆蓋解決方案

在5G大規(guī)模應用之前，國內(nèi)2/3/4G網(wǎng)絡的頻段主要集中在800～2 700 MHz，相關(guān)室內(nèi)覆蓋解決方案已經(jīng)非常豐富，其技術(shù)產(chǎn)品已形成體系并擁有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，主要有無源室分、泄露電纜、光釬分布和有源室分布等四大類，具體介紹如下。

4.1 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)

無源室分分布系統(tǒng)是目前應用范圍最廣泛，使用頻率最高、技術(shù)最為成熟的一種技術(shù)手段，幾乎可用于解決各種常規(guī)的建筑物內(nèi)部空間信號覆蓋問題。

由圖1可知，通過合路器/POI，可將需要解決覆蓋的各制式移動網(wǎng)信號合路到一起，然后通過各類型的室分器件如饋線、功分器、耦合器等將無線信號均勻地分配到各個室分天線，從而達到均勻覆蓋所有室內(nèi)覆蓋目標的預期。

另外，針對一些業(yè)務密度不是特別高的高層樓宇，為降低建設(shè)成本，傳統(tǒng)無源室分只考慮用于覆蓋地下停車場和電梯，而平層覆蓋則采用定制的水平和垂直波瓣天線從室外覆蓋解決，稱為室分天線對打方式，如圖2所示。

圖1 無源室內(nèi)分布系統(tǒng)示意圖

圖2 室分對打覆蓋方案示意圖

4.2 泄漏電纜分布系統(tǒng)

泄露電纜集信號傳輸功能和天線信號輻射功能于一身，通過在外導體上開合適的槽孔，可將電磁波能量沿漏纜均勻地收發(fā)，實現(xiàn)無線信號的覆蓋。根據(jù)泄漏電纜的徑向輻射角度可將其劃分為兩類：

傳統(tǒng)泄漏電纜，徑向輻射角度一般不超過120°，通過在外導體上開合適的槽孔實現(xiàn)，如八字槽、矩形槽、U型槽、V型槽等，常用于覆蓋面較窄的狹長區(qū)域，如地鐵、隧道、采礦巷道、溶洞等狹長空間。

廣角泄漏電纜，徑向輻射角度達170°，此泄漏方式主要由裂變的縫隙陣列組構(gòu)成，其輻射效果與典型室分系統(tǒng)一致，對于金屬封閉吊頂、全鋼筋混凝土隔斷或多層隔斷的辦公室、縱深超過漏纜覆蓋范圍等情形不建議使用廣角泄漏電纜。

4.3 光纖分布系統(tǒng)

光纖分布系統(tǒng)主要由接入單元、擴展單元、覆蓋單元組成，利用光纖和雙絞線取代同軸電纜，并用數(shù)字域傳輸取代射頻傳輸。如圖3所示。

針對不同場景，采用光纖分布系統(tǒng)覆蓋的方案建議如下：

① 隔斷較少的空曠大賣場、地下室等場景，通過布放天線一體化遠端射頻單元直接覆蓋；

② 針對住宅小區(qū)優(yōu)選光纖分布系統(tǒng)，通過布放天線一體化設(shè)備形成樓間對打的方式對室內(nèi)進行覆蓋，同時采用傳統(tǒng)方式或隨纜方式對電梯進行覆蓋；

③ 針對寫字樓、酒店、商住樓宇等隔斷較多的公建樓場景，有選擇地進行光纖分布系統(tǒng)建設(shè)。

圖3 光纖分布系統(tǒng)示意圖

4.4 有源室內(nèi)分布系統(tǒng)

有源室內(nèi)分布系統(tǒng)由基帶單元（BBU）、擴展單元（RHUB、Pbirdge、IRU）和遠端單元（pRRU、DOT）組成，利用光纖、網(wǎng)線或光電復合纜實現(xiàn)基帶單元、擴展單元和遠端單元的連接，遠端單元通過POE供電，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

有源室分設(shè)備具備安裝靈活、容量可調(diào)、兼容性強、監(jiān)控方便、可實現(xiàn)4＊4MIMO等特點，可廣泛布設(shè)于各類室分場景，尤其是傳統(tǒng)室分系統(tǒng)擴容困難的地鐵站、候機樓、會展中心、高檔寫字樓、高校圖書館、宿舍樓等超高密度流量熱點區(qū)域，有源室分的優(yōu)勢更加明顯。

圖4 有源數(shù)字室分構(gòu)成示意圖

4.5 常用室內(nèi)覆蓋解決方案對比

根據(jù)上述介紹，結(jié)合實際工程中的應用情況從覆蓋方式、網(wǎng)管監(jiān)控、擴容、共享、建設(shè)成本及應用場景等方面進行對比，可對這四大類室內(nèi)覆蓋技術(shù)有更整體的認知,如表2所示。

5 5G對室內(nèi)覆蓋的影響

近幾年全球刮起一陣又一陣5G熱潮，“5G改變社會”已逐漸成為人們共識，5G網(wǎng)絡將深入到社會各行各業(yè)，承載起增強現(xiàn)實（AR）、虛擬現(xiàn)實（VR）、智慧家庭、自動駕駛、遠程醫(yī)療、工業(yè)制造等應用。另據(jù)預測，5G時代室內(nèi)業(yè)務占比將達85%以上，保持室內(nèi)信號的良好覆蓋愈加重要。

表2 常用室內(nèi)覆蓋解決方案對比

隨著2018年底國內(nèi)5G試驗頻率的發(fā)布，我國移動通信網(wǎng)絡將迎來3.5 GHz和4.9 GHz頻段，宏基站對于室內(nèi)的有效覆蓋將大幅弱化，室內(nèi)覆蓋建設(shè)的將大大增加。

另一方面，現(xiàn)網(wǎng)中大量傳統(tǒng)無源室分系統(tǒng)的器件只支持到2.7 GHz，饋線在3.5 GHz以上頻段因傳輸損耗過大也將無法使用，因此5G網(wǎng)絡無法融入傳統(tǒng)無源室分系統(tǒng)，同時隨著5G遠期毫米波的應用，傳統(tǒng)無源室分系統(tǒng)將更加邊緣化；光纖分布系統(tǒng)雖可實現(xiàn)運維可視化，但仍需連接RRU作為信源，不利于網(wǎng)絡長期擴容和系統(tǒng)平滑演進；有源室分作為最新的室分解決方案，可有效解決這些痛點。

由此可知5G時代有源室分將成為主流解決手段，新建站可采用多模有源室分系統(tǒng)實現(xiàn)4/5G的同步覆蓋；考慮到2/3/4G時代留存的龐大傳統(tǒng)無源室分系統(tǒng)資產(chǎn)在一定時期內(nèi)仍具有巨大的應用價值，改造站可在存量室分的基礎(chǔ)上疊加5G高頻有源室分，實現(xiàn)多網(wǎng)的共同覆蓋。

6 總結(jié)

隨著5G時代的到來，移動業(yè)務日益向室內(nèi)富集，大帶寬、高容量、低時延的剛性業(yè)務需求日益突出，高頻段帶來的穿透損耗激增使室外基站對室內(nèi)的有效覆蓋大大降低，這些都促使室內(nèi)覆蓋建設(shè)的重要性日益突出。本文從室內(nèi)外綜合覆蓋、室內(nèi)覆蓋基礎(chǔ)理論、室內(nèi)覆蓋解決方案及5G對室內(nèi)覆蓋的影響等方面進行研究，為后續(xù)研究者在5G室內(nèi)覆蓋方面提供參考。