［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(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署和移動(dòng)通信業(yè)務(wù)5G化推廣，移動(dòng)通信5G 用戶占比不斷提升，對5G 網(wǎng)絡(luò)容量、系統(tǒng)可靠性有了更高的要求[1]。5G 網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年建設(shè)，運(yùn)營商5G 通信網(wǎng)絡(luò)已實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及以上區(qū)域的室外基本連續(xù)覆蓋和重點(diǎn)室內(nèi)場景深度覆蓋。但如何低成本、快速實(shí)現(xiàn)中、小面積室內(nèi)場景的5G 深度覆蓋，仍舊是各運(yùn)營商目前的一大難點(diǎn)[2]。本文旨在通過對小基站射頻分布系統(tǒng)產(chǎn)品性能和建設(shè)成本優(yōu)勢的研究，幫助運(yùn)營商快速建設(shè)低成本、高質(zhì)量的室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)。

2 小基站射頻分布系統(tǒng)組網(wǎng)方式及應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 小基站射頻分布系統(tǒng)組網(wǎng)方式

小基站射頻分布系統(tǒng)通常由小基站、射頻近端機(jī)、射頻遠(yuǎn)端機(jī)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(shè)備功耗小于20 W，4/5G 雙模設(shè)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(shù)96 個(gè)。

射頻近端機(jī)：可提供4*200 W 遠(yuǎn)程供電，將射頻信號放大后通過1 對5D 射頻同軸線纜實(shí)現(xiàn)對射頻遠(yuǎn)端機(jī)的信號傳輸和遠(yuǎn)程供電，射頻近端機(jī)支持4 路輸出，單路最多可支持下掛8 個(gè)射頻遠(yuǎn)端機(jī)；射頻近端機(jī)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(kuò)展。

射頻遠(yuǎn)端機(jī)：與射頻近端機(jī)實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)，將接收到的射頻信號放大發(fā)射。射頻遠(yuǎn)端機(jī)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(shè)備功耗小于12 W，4/5G 雙模設(shè)備功耗小于20 W。內(nèi)置天線型和外接天線型兩種射頻遠(yuǎn)端機(jī)能夠適用不同建筑結(jié)構(gòu)的場景。

2.2 小基站射頻分布系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢

室內(nèi)深度覆蓋常用的覆蓋方案為傳統(tǒng)無源室分系統(tǒng)和數(shù)字化有源室分系統(tǒng)。根據(jù)運(yùn)營商多年的建設(shè)、維護(hù)、優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，分別存在的一定的缺點(diǎn)。

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(yuǎn)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(diǎn)是分布系統(tǒng)部分無需供電、相比有源室分點(diǎn)位故障率低，主要缺點(diǎn)是：室分器件、饋線和天線涉及工程量多，施工難度大，建設(shè)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(shí)發(fā)現(xiàn)，故障點(diǎn)的排查維護(hù)難度大，容易影響用戶感知；天線口功率在設(shè)計(jì)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(kuò)大覆蓋面積比較困難[3]。

5G數(shù)字化有源室分由基帶處理單元（常規(guī)功耗200 W）、中繼擴(kuò)展單元（常規(guī)功耗50 W）、射頻遠(yuǎn)端單元（常規(guī)功耗50 W）組成，中繼擴(kuò)展單元與射頻遠(yuǎn)端單元之間采用六類線或光電復(fù)合纜連接，施工便捷，設(shè)備可管可控。數(shù)字化有源室分主要優(yōu)點(diǎn)是可按需合并/分裂小區(qū)，實(shí)現(xiàn)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(diǎn)是遠(yuǎn)端單元設(shè)備能耗高、并且整體造價(jià)高[4]。

相較于傳統(tǒng)無源室分和數(shù)字化有源室分的以上痛點(diǎn)，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(shù)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(guān)，覆蓋面積越小，射頻遠(yuǎn)端機(jī)配置數(shù)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(shè)備即插即開，可以快速建設(shè)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(shí)發(fā)現(xiàn)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(diào)整射頻遠(yuǎn)端數(shù)量，易改造，后期由于增加覆蓋面積進(jìn)行擴(kuò)容也比較方便。

3 小基站射頻分布系統(tǒng)覆蓋效果的預(yù)測和驗(yàn)證

3.1 小基站射頻分布系統(tǒng)的鏈路預(yù)算

為了驗(yàn)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(diǎn)。該樓層為室內(nèi)多隔斷場景，現(xiàn)場無吊頂，覆蓋面積約為2 000 m2。根據(jù)小基站射頻分布系統(tǒng)的相關(guān)性能參數(shù)和現(xiàn)場建筑格局進(jìn)行鏈路預(yù)算，并結(jié)合以往室分工程經(jīng)驗(yàn)制定天線布放方案。

鏈路預(yù)算典型的室內(nèi)傳播模型是Keenan-Motley 模型[6]，計(jì)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），F(xiàn)AF 表示穿透損耗，根據(jù)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(guān)，3.5G 頻段小基站對應(yīng)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(yù)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(yù)算如表2 所示。

表2 3.5GHz 小基站射頻分布系統(tǒng)鏈路預(yù)算

根據(jù)鏈路預(yù)算，當(dāng)室分天線點(diǎn)位布放在樓道內(nèi)房間門口時(shí)，房間內(nèi)距天線10 m 以內(nèi)的區(qū)域信號強(qiáng)度符合運(yùn)營商指標(biāo)要求[7]。根據(jù)小基站射頻分布系統(tǒng)的相關(guān)性能參數(shù)，結(jié)合以往數(shù)字化有源室分建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)采用1 臺小基站+1臺射頻近端機(jī)+7 臺2TR 射頻遠(yuǎn)端機(jī)，小基站和射頻近端機(jī)安裝在本樓層弱電間內(nèi)，射頻遠(yuǎn)端機(jī)布放在樓道內(nèi)，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(diǎn)位圖

3.2 小基站射頻分布系統(tǒng)覆蓋效果仿真

在鏈路預(yù)算設(shè)定的相關(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上，通過對該站點(diǎn)方案進(jìn)行建模仿真[9]，仿真結(jié)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(jì)，該站點(diǎn)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(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)要求。

3.3 小基站射頻分布系統(tǒng)覆蓋效果測試

該室分點(diǎn)位現(xiàn)場安裝開通后進(jìn)行了現(xiàn)場測試，測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 現(xiàn)場測試RSRP 值和SINR 值統(tǒng)計(jì)圖

由測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見該站點(diǎn)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(diǎn)現(xiàn)場實(shí)際測試結(jié)果RSRP 值略優(yōu)于仿真結(jié)果，滿足運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)要求。同時(shí)該站點(diǎn)SINR 值≥ -3 dB 的區(qū)域占比為100%，也滿足運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)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(wǎng)絡(luò)的建設(shè)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(shù)進(jìn)行預(yù)測，計(jì)算方法為：在線用戶數(shù)=總?cè)藬?shù)×運(yùn)營商用戶滲透率×5GNR 用戶滲透率×RRC 連接比例[10]。由此計(jì)算方法反推，可知支持96 個(gè)在線用戶數(shù)的小基站容量（小基站覆蓋區(qū)域內(nèi)可容納的總?cè)藬?shù)），如表3 所示。

表3 小基站容量計(jì)算表

根據(jù)表3 推算結(jié)果，小基站射頻分布系統(tǒng)適用于活動(dòng)人數(shù)在480 人以內(nèi)的室內(nèi)場景，受其容量所限，一般適用的場景面積不會(huì)太大。

4.2 造價(jià)對比分析

常見室分場景根據(jù)其內(nèi)部建筑格局，主要分為空曠型場景和多隔斷型場景，根據(jù)鏈路預(yù)算傳播模型可知，由于建筑隔斷會(huì)對信號傳播產(chǎn)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(yùn)營商近期設(shè)備、材料采購價(jià)格為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，針對不同建筑格局和面積分別做傳統(tǒng)無源室分、數(shù)字化有源室分、小基站射頻分布系統(tǒng)的造價(jià)估算。對比結(jié)果如圖5 所示。

圖5 造價(jià)對比

根據(jù)圖5 對比可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化有源室分由于信源設(shè)備單價(jià)非常高，在建設(shè)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(shù)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(gè)信源，導(dǎo)致單個(gè)信源所覆蓋的面積越小，分?jǐn)偟絾挝幻娣e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(yuǎn)端機(jī)配置數(shù)量與覆蓋面積成正比，設(shè)備低單價(jià)的優(yōu)點(diǎn)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(jià)對比分析，小基站射頻分布系統(tǒng)在覆蓋人數(shù)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(shè)成本優(yōu)勢。結(jié)合室分建設(shè)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(nèi)置天線的射頻遠(yuǎn)端機(jī)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(yuǎn)端機(jī)為主的小基站射頻分布系統(tǒng)[15]。

5 結(jié)束語

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