張蜀晉 宋文淵 南 嵩 張 凱

(山西信息規(guī)劃設計院有限公司，山西 太原 030012)

1 概述

隨著5G通信技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的迅速發(fā)展，隨著智能手機使用的飛速增長，給通信運營商的移動網(wǎng)絡能力提出了更高的要求。僅依靠室外宏站對覆蓋目標進行單一覆蓋已滿足不了用戶日益提高的網(wǎng)絡需求，居家場所、辦公樓宇、廠礦等室內(nèi)場景的無線信號深度覆蓋需求迫切。室內(nèi)分布系統(tǒng)能很好的對宏站覆蓋進行覆蓋補充，它可有效分擔宏站話務量，提高網(wǎng)絡容量，進而有效提升無線網(wǎng)絡服務能力，通過宏站和室內(nèi)分布結(jié)合覆蓋可以帶來更好的網(wǎng)絡覆蓋。

5G作為支撐經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型，向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化邁進的關(guān)鍵新型基礎設施，不僅在助力疫情防控、復工復產(chǎn)等方面作用突出，同時，在穩(wěn)投資、促消費、助升級、培植經(jīng)濟發(fā)展新動能。

2 原理及應用

2.1 室內(nèi)分布系統(tǒng)和宏站結(jié)合覆蓋原理

以移動用戶室外使用場景來看，伴隨LTE-4G網(wǎng)絡建設的逐步完善和5G網(wǎng)絡的迅猛發(fā)展，同時隨著近年來短視頻業(yè)務、游戲、視頻通話等大流量業(yè)務的迅猛增長，這些大流量應用多發(fā)生在室內(nèi)場景中。宏微結(jié)合成為運營商提升運營效率和網(wǎng)絡服務能力關(guān)鍵點。室內(nèi)分布系統(tǒng)和宏站的結(jié)合覆蓋，更是有效解決運營商網(wǎng)絡覆蓋質(zhì)量，提升移動用戶使用感知的有效方案，正在國內(nèi)運營商全面推廣，并逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)室內(nèi)網(wǎng)絡建設方案。室內(nèi)分布系統(tǒng)和宏站結(jié)合覆蓋圖見圖1。

2.2 5G宏站的設計原理

第五代移動通信網(wǎng)絡是否能很好地支撐各類應用場景，取決于從低頻(頻點在500 MHz左右)到高頻(頻點高于60 GHz)的各個物理工作頻段的物理特性(無線射頻傳播特性)：低頻段具有優(yōu)秀的無線傳播特性、網(wǎng)絡覆蓋廣，既可支撐宏蜂窩建設，也可支撐小基站部署；高頻段的無線傳播特性相對低頻段較差，但是有較多可用的且連續(xù)的無線頻譜資源(尤其是在毫米波頻段)，可支持提供更寬的物理信道。

從技術(shù)發(fā)展來看，4G網(wǎng)絡向5G網(wǎng)絡演進是必然趨勢。5G網(wǎng)絡高的頻譜利用率、高速率、大連接、低時延能以較低的成本滿足ITU所定義的三大類場景eMBB，mMTC，URLL的業(yè)務需求。

2.2.15G無線系統(tǒng)架構(gòu)

3GPP對5G網(wǎng)絡定義了SA(Stand-alone,獨立組網(wǎng))和NSA(Non-standalone,非獨立組網(wǎng))兩大類部署方式。在建設初期的NSA方案中,5G是無法獨立工作的,5G無線網(wǎng)與核心網(wǎng)之間的NAS信令須通過4G基站信令進行傳遞,選取為5G基站傳遞信令的4G基站作為錨點站。核心網(wǎng)成熟后的SA 方案中,5G無線網(wǎng)與核心網(wǎng)之間的NAS信令通過5G基站傳遞,5G可以獨立工作。根據(jù)核心網(wǎng)性質(zhì)、控制面錨點位置、用戶面分流位置的不同,網(wǎng)絡部署架構(gòu)還可細分為多個選項。現(xiàn)階段,考慮到標準化進程及設備成熟度等因素,中國聯(lián)通5G試驗網(wǎng)SA/NSA組網(wǎng)方案,主要圍繞 Option 2(SA組網(wǎng)方案)和Option 3系列(3/3a/3x,NSA組網(wǎng)方案)進行分析。

2.2.2無線設備形態(tài)

5G RAN架構(gòu)從4G的BBU,RRU兩級結(jié)構(gòu)直接演進為CU(Centralized Unit,集中單元)、DU(Distribute Unit,分布式單元)和AAU(有源天線及RRU集成)三級結(jié)構(gòu)。天線采用MIMO技術(shù),將射頻模塊RRU與天線進行了一體化集成。

5G部署初期,設備形態(tài)優(yōu)先選擇CU/DU合并方式(簡稱為5G BBU設備),隨著5G垂直行業(yè)等新業(yè)務需求的發(fā)展可采用CU-DU分離方式。需要同時結(jié)合上聯(lián)機房條件、光纖資源,優(yōu)先采用BBU集中放置方式，見圖2。

2.2.35G基站覆蓋能力

5G基站鏈路預算與3G/4G系統(tǒng)相似，關(guān)鍵性差異如表1所示。

表1 5G基站鏈路預算與3G/4G的關(guān)鍵性差異表

鏈路影響因素LTE鏈路預算5G NR鏈路預算饋線損耗RRU形態(tài),天線外接存在饋線損耗AAU形態(tài)無外接天線饋線損耗RRU形態(tài),天線外接存在饋線損耗基站天線增益單個物理天線僅關(guān)聯(lián)單個TRX,單個TRX天線增益即為物理天線增益MM天線陣列,陣列關(guān)聯(lián)多個TRX,單個TRX對應多個物理天線,總的天線增益=單TRX天線增益+BF Gain,其中,鏈路預算里面的天線增益僅為單個TRX代表的天線增益。BF Gain體現(xiàn)在解調(diào)門限中。天線增益由主設備AAU確定傳播模型Cost231-Hata36.873 Uma/Rma 38.901Umi穿透損耗相對較小更高頻段,更高穿損干擾余量相對較大MM波束天然帶有干擾避讓效果,干擾較小人體遮擋損耗N/A終端位置較低、人流量較大的場景,需要考慮。尤其是mmWave雨衰N/A對于mmWave,在降雨豐富、頻繁的區(qū)域,需要考慮雨衰樹衰N/A植被茂密的區(qū)域,LOS場景,需要考慮樹衰

2.3 室內(nèi)分布系統(tǒng)的設計原理

室內(nèi)分布系統(tǒng)作為改善宏站覆蓋范圍，增強閉環(huán)境內(nèi)移動通信網(wǎng)絡質(zhì)量的一種方法，通過室內(nèi)分布系統(tǒng)的部署，可有效補充宏站對封閉環(huán)境建筑物覆蓋范圍，全面提升封閉建筑物內(nèi)的通話及數(shù)據(jù)業(yè)務質(zhì)量，提升移動電話接通率，為室內(nèi)提供優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡服務。

2.3.1邊緣場強預測

自由空間附加損耗模式是室分場強預測的一般方法，即：Lt=L(自由空間損耗)+C(附加損耗)。

L=20lgf+20lgd+32.45。

其中，f為使用頻率，MHz；d為天線點距評測點距離，km；C為附加損耗，dB,主要包括遮擋損耗(即各種穿透損耗)和多路徑損耗(一般取值為10 dB)之和。

上式L(自由空間損耗)中，f一般取值為2 100 MHz(UL2100系統(tǒng))/ 3 500 MHz (聯(lián)通/電信NR3.5G系統(tǒng))，C值中遮擋損耗是根據(jù)建筑物特性取定的各種不同損耗值，而d則為實際測算距離。根據(jù)這樣的取值可得出如下結(jié)果(見表2)。

表2 自由空間損耗表

在傳播損耗測算的基礎上，根據(jù)以下邊緣場強測算公式，可以得出場強預測結(jié)果。

邊緣場強：P=Pt+Gt-Lt。

其中，Pt為天線口功率，dBm；Gt為天線增益，dB；Lt為路徑損耗，dB。

根據(jù)以上邊緣場強測算的公式建立，選定天線輸出功率最小的室內(nèi)吸頂全向天線單極化800 MHz～3 500 MHz進行測算，若該天線輸出功率(即Pt值)4G值為10 dBm，5G值為8 dBm，天線增益(即Gt值)4G值為3 dB，5G值為3 dB，其C值取定為38 dB(取定玻璃幕墻1道9 dB，普通磚墻1道13 dB，多徑損耗10 dB)，邊緣場強距離為10 m。則測算結(jié)果LTE FDD為-80.9 dBm，NR3.5G為-87.3 dBm，均能夠滿足要求。根據(jù)以上結(jié)果，可以看出本項目在天線輸出最弱、覆蓋最特殊的點上均能夠滿足邊緣場強覆蓋需求，因此認為所有覆蓋點均能滿足工程覆蓋要求。

2.3.2室內(nèi)分布系統(tǒng)覆蓋方式

建筑物內(nèi)存在人流量大、用戶集中、話務量大、業(yè)務流量突出、部署要求高的特點。既要滿足容量又要保證通話質(zhì)量；既要易安裝、易維護又要美觀性、隱蔽性。一般室內(nèi)覆蓋解決方案采用數(shù)字化室分覆蓋各類CBD、大型購物商場、寫字樓、機場和酒店等(見圖3)。

對于各類安裝受限場景，如：低層居民區(qū)覆蓋老舊小區(qū)、中低層小區(qū)、步行街、景區(qū)和城中村等多采用微站覆蓋，掛墻抱桿靈活安裝，可合并小區(qū)降低干擾。

2.3.3井下室內(nèi)分布系統(tǒng)覆蓋方式

由于主輔運大巷、運輸巷的環(huán)境相對較好，布放防爆基站距離可適當加大。實現(xiàn)主巷道5G信號全覆蓋，5G無線分站模塊在主、副井覆蓋長度按照半徑300 m來覆蓋，能保證主副井信號全覆蓋。

2.4 宏站和室內(nèi)分布結(jié)合設計案例

2.4.1麻家梁煤礦建設情況

國家“十三五”規(guī)劃要求，要擴大信息化投入，促進信息化與工業(yè)化相融合。煤礦能源是國家重要戰(zhàn)略基礎，是保證民生的重要一環(huán)。煤礦安全生產(chǎn)，尤其是井下安全生產(chǎn)是煤礦企業(yè)的立命之基、發(fā)展之根，壯大之魂。只有開展全面的無線通信網(wǎng)絡覆蓋才能實現(xiàn)信息化的基本網(wǎng)絡要求，最終助力煤礦安全生產(chǎn)。

同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責任公司是由大同煤礦集團和浙江省能源集團共同出資組建，麻家梁煤礦礦井預計年生產(chǎn)能力1 200萬t，該礦井是國家、山西省“十一五”規(guī)劃2008年開工項目，是朔南礦區(qū)總體規(guī)劃中5個待開發(fā)大型礦井之一。截至2020年6月底，在冊員工1 538人。其中干部402人，員工1 136人。

2.4.2麻家梁煤礦宏站現(xiàn)網(wǎng)覆蓋情況

麻家梁煤礦礦區(qū)目前現(xiàn)有宏站2個，室分1個，均為3G+4G共址覆蓋，西面的城區(qū)麻家梁主要覆蓋辦公樓，東面的城區(qū)同煤浙能主要覆蓋生產(chǎn)區(qū)。城區(qū)麻家梁日均4G流量397 GB，無線資源利用率53%，下行PRB利用率14.32%，城區(qū)同煤浙能日均4G流量153 GB，無線資源利用率90%，下行PRB利用率24.34%。室分城區(qū)麻家梁UL日均4G流量143 GB，無線資源利用率30.1%，下行PRB利用率10.5%(見表3)。

表3 無線資源利用率

城區(qū)麻家梁基站主要覆蓋辦公樓，用戶眾多，該站點優(yōu)先開通5G，便于市場業(yè)務的發(fā)展；城區(qū)同煤浙能基站主要覆蓋生產(chǎn)區(qū)，由于4G是L900覆蓋，覆蓋面積較大，無限資源利用率高；室分城區(qū)麻家梁UL站點流量在室分站點里處于較高水平，參考測試報告后為了解決室內(nèi)的深度覆蓋不足問題，需要在樓宇內(nèi)部同時新建5G室內(nèi)分布系統(tǒng)，提升深度覆蓋水平，為用戶提供良好體驗。

2.4.3麻家梁煤礦宏站覆蓋方案

本次5G覆蓋計劃分批實施，宏站覆蓋共址疊加城區(qū)麻家梁基站，考慮新增3.5G-32TR的5G設備，由于距離辦公樓300 m位置較遠，掛高選擇30 m，下傾角為4°；共址疊加城區(qū)同煤浙能基站，由于距離辦公區(qū)域較遠，采用2.1G-4TR設備更易擴大覆蓋生產(chǎn)區(qū)的覆蓋半徑和效果。同時向鐵塔公司提出新增共享需求，共享移動的城區(qū)一分廠辦公樓基站，該站距離辦公樓北側(cè)300 m，考慮采用3.5G-32TR的5G設備。

3個現(xiàn)網(wǎng)站址開通5G后，需繼續(xù)跟進5G覆蓋，計劃在辦公主樓樓頂新建5G基站，保證辦公區(qū)域的連續(xù)覆蓋。室內(nèi)分布覆蓋待4個宏站5G站點開通后，根據(jù)測試報告，進行辦公樓內(nèi)深度覆蓋(見表4)。

表4 麻家梁煤礦站址資源

2.4.4麻家梁煤礦規(guī)劃建設室內(nèi)分布系統(tǒng)情況

由于礦區(qū)覆蓋環(huán)境復雜，室外宏站信號未能完全進入礦區(qū)辦公區(qū)，使得礦區(qū)辦公區(qū)域移動通信信號RSRP值基本處于-95 dBm～-110 dBm。這個信號強度無法滿足辦公樓內(nèi)部人員的正常通信需求，需要進行室內(nèi)分布系統(tǒng)的規(guī)劃建設(見圖4)。

通過分析得出，麻家梁礦區(qū)需要對麻家梁煤礦建筑物內(nèi)部進行室內(nèi)分布系統(tǒng)的覆蓋以滿足礦區(qū)用戶正常的通信需求。麻家梁煤礦主辦公樓，覆蓋面積3萬m2。本次采用5G新技術(shù)設備，主要覆蓋麻家梁煤礦主樓各個辦公室、會議室等(見圖5)。

麻家梁煤礦聯(lián)合樓，覆蓋面積2萬m2。本次采用5G新技術(shù)設備，主要覆蓋聯(lián)合辦公樓各個辦公室以及礦井操作監(jiān)控廳等。麻家梁煤礦公寓樓：覆蓋面積2.1萬m2。本次采用5G新技術(shù)設備，主要覆蓋麻家梁煤礦公寓樓各個宿舍(見圖6)。

麻家梁煤礦餐廳，覆蓋面積1萬m2。本次采用5G新技術(shù)設備，主要覆蓋麻家梁煤礦職工餐廳。麻家梁煤礦接待中心，覆蓋面積0.7萬m2。本次采用5G新技術(shù)設備，主要覆蓋麻家梁煤礦接待中心各個會議室、展覽室等。

2.4.5麻家梁煤礦規(guī)劃建設井下室內(nèi)分布系統(tǒng)情況

根據(jù)巷道的特點，采區(qū)防爆微基站加定向天線的模式進行主、副井覆蓋，按照半徑300 m的覆蓋范圍進行布放。本次計劃覆蓋主副豎井、665水平西輔運大巷(西延)、665西輔運巷(南延)、665水平輔運巷、665水平東輔運大巷、665水平膠帶大巷(西延)、665西膠帶大巷(南延)、665水平膠帶運輸巷、665水平東膠帶大巷和14100工作等，滿足信號強度大于-105 dBm。預估需要部署46個井下專用微基站。

2.4.65G數(shù)字礦區(qū)應用分析

1)礦區(qū)地面重大設備機房應用分析。我國大中型煤礦大都已經(jīng)建立了煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，不僅有效地提高了采掘面挖煤效率，而且實現(xiàn)了生產(chǎn)、環(huán)境以及人員的安全監(jiān)控，利用5G高可靠性、實時性，實現(xiàn)煤礦井下運輸及輔助運輸系統(tǒng)的定位、通信、管控、調(diào)度、導航、路徑規(guī)劃等。

礦區(qū)地面系統(tǒng)主要有通風機、壓風機等大型設備機房，目前相關(guān)設備機房都配備有自動控制系統(tǒng)。利用宏站室分系統(tǒng)有效結(jié)合，可以將現(xiàn)場數(shù)據(jù)、控制信令、視頻監(jiān)控進行集成，從而實現(xiàn)無人值守；配合智能巡檢機器人的應用，達到增強地面園區(qū)安全生產(chǎn)的目的。

5G使得更多新的聯(lián)網(wǎng)設備的引入成為了可能(如機器人、5G移動手持設備等)，未來礦區(qū)需要更多的機器人來代替人工進行各類作業(yè)，通過煤礦機器人的云端控制，基于靈活、可移動、高帶寬、低時延和高可靠的5G通信網(wǎng)絡以及IPRAN環(huán)網(wǎng)為上述海量的高速率聯(lián)網(wǎng)設備提供強大的業(yè)務接入、交換能力，將計算的結(jié)果即時返回，進而在云端部署行動策略。

2)礦區(qū)井下綜合應用分析。井下運輸系統(tǒng)設備多、運輸距離長、數(shù)據(jù)量大，絕大部分是平直運輸大巷，皮帶無人值守的實現(xiàn)必須有可靠的網(wǎng)絡做支撐。5G為高清視頻監(jiān)控回傳、無人駕駛、智能安防、指揮調(diào)度、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計等應用提供了高速率的帶寬接入。掘進面進行5G無線覆蓋，將光纖通信轉(zhuǎn)換為無線通信，滿足掘進機在運行過程中數(shù)據(jù)通信的可靠性及實時性，實現(xiàn)掘進機的遠程視頻監(jiān)控、遙控。此外，5G為錨桿機、破碎機、皮帶機等機器視覺高清視頻回傳、無人駕駛、智能安防、指揮調(diào)度、AR現(xiàn)場作業(yè)/培訓、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計等應用提供了必要條件。優(yōu)化運輸路徑，提升運輸安全，打造高安全智能化運輸系統(tǒng)。

3 結(jié)論

目前支撐聯(lián)通快速增長的2I2C等業(yè)務，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重，中國聯(lián)通必須尋找新的業(yè)務增長點，5G從個人應用、工業(yè)應用、萬物互聯(lián)等方面均提供了可大又可為的業(yè)務生態(tài)基礎。

由于5G的穿透性差、覆蓋范圍小等問題，深度覆蓋必然不足，通過室外、室內(nèi)結(jié)合覆蓋的方法必將大大改善覆蓋效果。

常規(guī)方案中的室外覆蓋有很多不足，由于主設備傳統(tǒng)能力不足以及空間鏈路損耗等各種影響覆蓋指標的因素，單純靠宏站是無法解決目標區(qū)域的完善覆蓋的，這時就需要宏微結(jié)合覆蓋的整體方案。室內(nèi)覆蓋可以有效解決信號延伸和覆蓋，改善室內(nèi)通信質(zhì)量；在保證室外覆蓋的前提下，通過測試等手段對建筑物內(nèi)部進行補充室內(nèi)覆蓋，通過協(xié)同覆蓋的方法對覆蓋目標進行完善覆蓋，提高網(wǎng)絡質(zhì)量和用戶體驗。

隨著5G基礎建設及應用的迅猛發(fā)展以及5G用戶的不斷增長，需要進行更完善的信號覆蓋，在城區(qū)中會存在大量的宏微結(jié)合覆蓋場景，利用宏微結(jié)合覆蓋進行5G網(wǎng)絡建設勢必將成為解決網(wǎng)絡短板的主要舉措。