多隔断型室内场景5G覆盖方案分析

【摘  要】在多隔断的室内场景中墙体的穿透损耗严重，为保证用户的体验，天线密度相对较高，因此导致有源室分系统的设备价格远高于传统无源室分系统。为降低室分系统的建设造价，提出了一种“有源+无源”的室内覆盖解决方案。通过理论分析及现场测试验证，可以在保证多隔断的室内用户的一定体验效果下，有效降低室分系统造价约70%，在性能与价格中取得平衡。

【关键词】多隔断;5G;室内分布系统;有源室分系统;无源室分系统;工程造价

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.12.011      中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）12-0056-05

引用格式：闵锐，黄云飞. 多隔断型室内场景5G覆盖方案分析[J]. 移动通信， 2019，43（12）： 56-60.

Analysis of 5G Coverage Solution in Indoor Scenarios with Multi Partitions

MIN Rui， HUANG Yunfei

（Guangdong Branch of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510180， China）

[Abstract] Since the penetration loss is serious in the indoor scenarios with multi partitions， the antenna density is relatively high to ensure the user experience. Hence the price of the active indoor coverage system is much higher than that of the traditional passive one. In order to reduce the cost of building indoor coverage systems， this paper proposes an "active + passive" indoor coverage solution. Through theoretical analysis and field test， the proposed solution effectively reduces the cost by about 70% while ensuring a certain experience of indoor users with multiple partitions， and thus achieves a balance between performance and price.

[Key words]multi partitions; 5G; indoor distribution system; active distribution system; passive distribution system; construction cost

1   室内覆盖技术简介

5G通信技术为应对三大通信场景（eMBB、mMTC、uRLLC）提出了切实有效的实现方案，离达到通信终极愿景（任何人（whoever）在任何时间（whenever）任何地点（wherever）与任何人（whomever）进行任何类型（whatever）的信息交换）又近了一步。4G时代，大约有80%的业务发生在室内场景;5G时代，室内场景将依然是业务发生的主要场景。物联网业务的崛起，室内的无线业务终端带来海量的连接数需求。因此5G网络的室内深度覆盖是提升5G用户体验的必要条件。但同时，5G信号使用的是厘米波段（3 GHz以上），和4G相比，其传播损耗和墙体穿透损耗更大，而且绕射能力变低。因此，通过室外信号覆盖室内场景所能达到的覆盖效果是很有限的。为满足5G业务对超大带宽的要求，在5G宏基站进行面覆盖的基础上，配合建设专门的无线信号室内分布网络是必须的，这样能保证移动用户的室内和室外体验的一致性。

1.1  传统室内分布系统的局限性

早在3G网络时代，运营商已经针对信号较差，容量较高的区域建设室分系统进行补盲与扩容。在4G时代更是建设了大量的室分系统。而传统的室分系统的建设模式是信号源（RRU）連接由馈线、功分器、合路器、耦合器、无源天线等无源器件构成的信号传输系统，把无线信号均匀地发射到室内各个角落。

但在4G向5G演进的过程中，无源室分系统的弊端也逐渐暴露出来：

（1）现有的无源器件不支持3 GHz以上的频段，需要更换无源器件。

（2）通道数增加困难。现有室分每增加1条通道，相当于新建一套室分系统。现有的传统室分一般支持1～2通道，改造的难度很大。

（3）传统的馈线损耗增大。传统的馈线在3 GHz以上频段的损耗较大，若要利旧原有传统室分进行演进，需要加密天线，使用大功率信源才能满足使用需求。

因此，一种新型的室分系统应运而生。

1.2  新型数字化有源室内分布系统

有源室分系统由三部分组成：基带处理单元（BBU）、扩展单元（Hub）、远端单元（pRRU）。之所以称之为有源系统，是因为所有组成部分都是需要供电的。其中远端单元就是射频单元和天线合而为一的设备。

有源系统克服了传统室分系统的弊端，避免了无线信号在大量的无源器件中传播的功率损耗，直接在远端单元发射出高功率的多路信号，能给用户带来超高的业务体验。

1.3  有源室分系统的多隔断室内场景的局限性

如图1所示，在开阔的室内场景，如体育馆、机场、会展中心、大型交通枢纽等，一个远端单元就可以覆盖非常大的区域，在提高用户体验的同时，也节约了系统建设的投资。在多隔断的室内场景，如宾馆酒店、隔间密集的写字楼等，单个远端单元覆盖的区域就比较小，需要更多的远端单元才可实现完整的室内覆盖。有源设备的功率被白白耗费在了墙体损耗当中。

但是有源室分系统平均单pRRU的综合造价（设备价格与安装工程费用之和）比无源系统的单天线高很多，因此在多隔断场景中有源室分系统造价会大幅度提升，性价比下降。

本文针对有源室分系统在多隔断场景中低性价比的局限性，创造性地结合了有源与无源室分系统的特点，提出了“有源+无源”的高性价比解决方案，即在有源系统的远端单元外接无源室分天线进行信号扩展，在性能和造价中取得折中。通过理论分析与现场测试比较了两种方案在性能上的差异，虽然新方案的速率略微低于纯有源室分系统，但大大降低了单pRRU的覆盖范围。

2   方案性能分析比较

首先在宾馆酒店这种多隔断的室内场景，对纯有源室分系统和“有源+无源”的室分系统进行描述，然后对信号强度在理论上进行分析，最后经过现场安装测试，验证方案的可行性。

2.1  两种方案架构描述：纯有源室分系统、“有

源+无源”室分系统

（1）纯有源室分系统

在预备安装测试的宾馆酒店场景中，远端单元按照传统4G无源室分系统的天线密度进行布放，平均每pRRU覆盖4个房间，共计约12个pRRU。每个pRRU内置4×4个MIMO天线，单通道功率为250 mW。图2为数字化有源室内分布系统架构图。

（2）“有源+无源”室分系统

该系统架构是在纯有源室分系统的基础上，使用馈线连接无源天线和pRRU。每通道连接一面单极化天线，故每pRRU可连接4面无源天线。无源天线与纯有源方案中的pRRU共点位，因此共12面无源天线，3个pRRU。图3为“有源+无源”室内分布系统架构图：

图3    “有源+无源”室内分布系统架构图

2.2  单个pRRU与单个无源天线性能对比测试

首先对单个pRRU的性能以及pRRU外接的单个无源天线的性能进行测试。无源天线使用单通道1T1R以及双通道2T2R各进行对比测试。

测试方式：在单天线周围选取远、中、近三点进行速率对比测试。其中各点的定义如表1所示：

表1    测试位置远、中、近点定义

测试位置 RSRP/dBm SINR/dB

远点 -115

-110 5

11

中点 -95 27

近点 -65 32

测试结果如表2所示。

从测试结果可以得出在单天线场景下的一些结论：

（1）无源单通道天线速率远低于双通道以及单pRRU，约为双通道的50%，这说明双通道复用效果明显;单pRRU虽然为4通道，但下行速率未能达到单通道的4倍。

（2）无源双通道天线的下行覆盖性能仅略低于4通道的pRRU。

（3）上行覆盖方面的结果与下行覆盖方面结果类似。

综上所述，四通道的超高速率效果在实际应用环境中较难实现，其实际效果仅略高于双通道效果，因此采用“有源+双通道无源天线”的室分方案对于覆盖效果来看影响不大。虽然单通道效果为双通道的一半，但覆盖范围是双通道的一倍。在容量需求不大的多隔断场景也存在实际的使用价值。

2.3  覆盖性能的理论分析

（1）终端接收功率RSRP比较

pRRU为4通道，无源天线为单通道，功率相差3 dB;连接天线使用的1/2馈线的百米损耗约为14.5 dB，馈线平均长度约为15 m～20 m，因此增加损耗约为2.2 dB～2.9 dB;单极化天线与纯有源pRRU的天线增益相差约为2 dB，故接收信号强度RSRP相差约8 dB。

（2）下行速率比较

现阶段5G室外基站尚未完全铺开建设，所以室外信号对室内的干扰基本可以忽略不记，因此SINR值应仅略差于纯有源系统，故MCS等级不会相差太远。理论上，pRRU为4通道，无源天线为单通道，速率应为4倍的关系。考虑到实际环境中要达到4流比较困难，估计平均为2.5流左右，而在两个单极化天线重叠覆盖区域有可能实现2流，故“有源+无源”系统的流数约为1.2左右。因此，总体上平均速率应为2倍左右的关系。

（3）上行速率比较

手机终端的限制，5G的上行通道数为2，因此纯有源系统的上行平均速率应为新方案的2倍左右。

2.4  覆盖性能的测试比较

纯有源和“有源+无源”室分系统DT测试结果如表3所示：

表3    纯有源和“有源+无源”室分系统DT测试结果

测试项 纯有源室分

系统 有源+无源室分系统

RSRP平均值/dBm -75 -86

RSRP区间/dBm -60～-110 -65～-115

SINR区间/dB 7～10 4～10

下行PDCP层峰值速率/Mb·s-1 932.38 742.40

下行PDCP層平均速率/Mb·s-1 774.55 418.22

上行PDCP层峰值速率/Mb·s-1 245.36 235.30

上行PDCP层平均速率/Mb·s-1 181.13 104.93

从以上测试结果中可以看出，这两种系统，RSRP平均值相差11 dB，下行速率平均为1.8倍的关系，上行平均速率为1.72倍的关系，与理论分析接近。同时，可以看到上下行的峰值速率相差不远，由此可以看出，在“有源+无源”系统中部分天线交叠的区域产生了多流的效果。

ITU定义的5G边缘速率为100 Mb/s，本测试结果表明，在多隔断的室内场景中，使用“有源+无源”的新型室分架构是可以满足用户需求的。

3   造价分析比较

根据无线通信工程概预算定额计算两种方案的工程造价，两种系统的造价对比如表4所示。

单pRRU的综合造价主要包含pRRU设备价格以及设备对应的安装工程费和必要的其他各项辅助费用。

“有源+无源”室分系统的工程造价为每个pRRU的造价基础上增加4面无源单通道天线或2个无源双通道天线的工程造价，每面单通道无源天线的工程综合造价约为500元，双通道约为600元。

采用外接单通道无源天线的室分工程总造价与纯有源室分系统相比，可以节约成本70%左右，大大节省了室内分布建设投资。若考虑室内用户的峰值速率以及容量需求，可以采用外接双通道无源天线方案，工程造价节约40%左右。

4   结束语

本文指出了5G时代数字化有源室内分布系统在多隔断的室内场景中存在的局限性。这种局限性主要是由于多隔断场景中大量墙体带来的穿透损耗，使得远端单元的信号被局限在一个很小的区域内，无法做到信号的最大利用。因此结合无源系统的优势，在远端单元上外接无源天线，使信号均匀地分布在室内空间。从而减少了远端单元的数量，大大节约了室分投资。同时，从理论上分析了两种方案在覆盖性能上的差异，并从测试结果中验证了理论分析的结论。测试结果显示：在满足边缘速率100 Mb/s的下行速率条件下，“有源+无源”室分方案是一个高性价比的可行方案，非常适合在多隔断的室内场景中推广。

最后考虑到后续容量上的需求，還可以结合有源设备的优势特性，把每个pRRU分裂成一个独立的小区，能极大限度快速提升室分系统的容量。

参考文献：

[1] 毛彬. LTE无线网络的室内覆盖建设方案研究[J]. 数字通信世界， 2018（3）.

[2] 谢玉铭，顾安，石倩. TD-LTE有源室内分布系统的研究及应用[C]//2013年度全国无线及移动通信学术大会（WMC'13）. 北京： 人民邮电出版社， 2014.

[3] 崔文标. 有源室内分布系统在4G网络的使用[J]. 电信技术， 2018（7）： 60-64.

[4] 盛滨. 新型有源室分在特定场景下覆盖方案的探讨[J]. 江苏通信， 2018，34（6）： 22-28.

[5] 查昊. 有源室分系统在不同场景下的解决方案[J]. 通信与信息技术， 2018（4）： 51-55.

[6] 唐云. 浅谈4G有源室分向5G演进[J]. 电信快报， 2019（3）： 38-41.

[7] 施云涛，王玮，蔡伟明. 基于有源天线的TD-LTE室分改造策略[J]. 电信工程技术与标准化， 2012（7）： 49-52.

[8] 娄志强. LTE室内创新解决方案[J]. 移动通信， 2014（17）： 22.★