5G通信系统深度覆盖分析与研究

吴俊卿

【摘  要】首先对5G深度覆盖面临的问题进行分析与总结;其次对5G深度覆盖解决方案进行研究;随后针对每一种解决方案给出部署策略和应用指导;最后对本文所述解决方案进行总结和对比。

【关键词】深度覆盖;3D-MIMO;微小基站;数字化室分;传统DAS

中图分类号：TN929.53

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）04-0057-06

[Abstract] Firstly， the problems faced by 5G depth coverage are analyzed and summarized. Secondly， the solution to 5G depth coverage is studied. Then， the deployment strategy and application guidance are given for each solution. Finally， the solutions described in this paper are summarized and compared.

[Key words]depth coverage; 3D-MIMO; micro/femto device; digital indoor distribution system; traditional DAS

1   引言

人们对移动通信的需求随着社会的发展不断提高，以解决三大场景（eMBB、uRLLC、mMTC）为主要目标的5G移动通信系统应运而生。深度覆盖作为5G移动通信网络建设的重要组成部分一直备受业界关注。本文对5G深度覆盖进行研究与分析，旨在对5G网络建设提供帮助和参考。

2   5G深度覆盖面临的典型场景和主要问题

2.1 5G深度覆盖面临的典型场景

5G深度覆盖面临的典型场景包括：密集城市环境、城中村建筑物及其道路、高层住宅楼宇、具有广度与深度的大型楼宇、热点区域、工厂与隧道。影响5G深度覆盖的问题主要包括：频率问题、MIMO问题、大带宽问题和传统DAS问题。不同场景下，5G深度覆盖需要关注的问题有较大差别，二者的关系如表1所示。

（1）频率问题

3GPP R15 TS 38.101明确指出：5G通信系统包含两个频率范围，即Sub 6 GHz（FR1）和毫米波（Millimeter Wave， FR2），如表2所示：

2017年11月，工信部印发文件确定5G通信系统使用的频段：3 300 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz。其中，3 300 MHz—3 400 MHz原则上用作室内分布系统。由此可见，5G通信系统的电磁波传播损耗和4G相比有提高。随着毫米波频段在5G中的使用，對于非视距传输，电磁波的传播损耗会更大。基于3GPP TS 38.901提供的InH office_NLOS_Model模型，对比TD-LTE与5G空口链路损耗预算，发现3.5 GHz（5G）较之于3 GHz（TD-LTE）大约增大8 dB。对比3.5 GHz（5G）与2.6 GHz（TD-LTE band38）的穿透损耗大约增大3 dB，如图1所示。对比3.5 GHz（5G）与2.6 GHz（TD-LTE band38）的室内传播损耗大约增大4 dB，如表3所示：

（2）MIMO问题

Massive MIMO是5G通信系统的关键技术，其对于频谱效率与网络容量的提升有着显著的效果。一方面，Massive MIMO与高频段结合有利于系统获取阵列增益，增强覆盖;另一方面，Massive MIMO需要的天线数量由LTE的8根扩展到128根/192根（通道数量由8通道扩展到64通道）。深度覆盖时如何构建多个天线（通道）以发挥Massive MIMO的性能是需要思考的问题。是否需要在系统性能和网络建设之间谋求折中也成为5G通信系统深度覆盖需要着重考虑的问题。

（3）大带宽问题

5G系统支持灵活的带宽配置，3GPP R15 TS 38.101中明确规定：FR1支持的带宽为5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz、25 MHz、30 MHz、40 MHz、50 MHz、60 MHz、80 MHz、100 MHz;FR2支持的带宽为50 MHz、100 MHz、200 MHz、400 MHz。带宽的增大对于系统速率和容量提升有着显著的效果，但是对于设备和器件也提出了极大的挑战。例如：无源器件和有源设备的带内波动随着带宽的增加，控制难度将直线上升;功放增益的抖动随着带宽的增加也将加剧;大带宽场景下，无源器件的杂散指标将恶化;其他问题。上述问题必然会影响5G系统深度覆盖性能，解决上述问题可能会增加设备和器件的成本。

（4）传统DAS问题

传统2G/3G/4G DAS（Distributed Antenna System，分布式天线系统）支持5G系统困难，具体包括：传统DAS无源器件/天线的工作频段是800 MHz—3 000 MHz;传统DAS多系统合路时，系统间频率差异过大，会导致同点位高低频之间传输损耗的差异过大;传统DAS支持MIMO的能力随着天线数量的增加愈发困难，具体如图2所示：

3   5G通信系统深度覆盖解决方案及其部署

3.1  3D MIMO解决方案及其部署

（1）3D MIMO解决方案

3D MIMO解决方案：室外建站解决室内深度覆盖，利用宏站集中解决不同楼宇内信号深度覆盖问题。3D MIMO技术是Massive MIMO的一个特殊应用，在传统水平面波束覆盖的基础上增加了垂直面的波束覆盖能力，实现立体深度覆盖。基于3D MIMO技术，5G小区可以分裂出指向不同楼层位置的波瓣，波瓣能量更加集中，从而实现在密集城市环境中对不同楼层的室内深度覆盖。

（2）3D MIMO方案部署

4G基站的部署方式（BBU+RRU+天线）不适合3D MIMO技术（基于Massive MIMO实现）使用，其原因为：3D MIMO技术导致天线与RRU设备之间馈线连接较多;3D MIMO技术需要较多的通道数，导致BBU与RRU之间CPRI接口速率高达200 Gb/s（64通道，100 MHz组网）。当前，采用BBU+AAU部署方案实现3D MIMO技术，其重点为：将RRU与天线集成;使用CPRI接口压缩技术应对CPRI接口速率高的弊端;降低傅里叶变换采样频率以降低CPRI接口速率。3D MIMO部署方式如图3所示，该方案特点如下：支持水平与垂直维度赋形，实现立体覆盖，其中上行最大支持8流，下行最大支持16流;最大支持3个20 MHz载波;需要配置4个25Gb/s SFP+光模块;AAU采用128天线阵列，64通道实现;AAU设备支持抱杆、挂墙安装。

3.2  微小基站解决方案及其部署

（1）微小基站解决方案

微小基站解决方案可以有效解决深度覆盖问题。其设备特点表现为：高集成、小体积、低重量、易施工、强隐蔽性以及较好的可维护性。常见的微小基站包括：一体化微站（将BBU&RRU&天线集成为一体）、PAD微站（将RRU&天线集成为一体）、Femto微站（将网关与基站设备融合为一体）和relay中继微站（依托无线完成信号回传）。不同类型的微小基站构成了不同的5G深度覆盖解决方案，具体如下所示：

1）对于城中村建筑物及其道路，采用一体化微站（考虑覆盖和容量）或PAD基站（考虑覆盖）构建解决方案。通过在路灯杆、信号杆、墙体等固定物体上布放一体化微站或PAD微站，解决5G城中村建筑物及其道路的深度覆盖问题。

2）对于室内用户，采用Femto微站构建解决方案。通过在用户家中部署Femto微站，将5G信号引入用户家中，解决室内深度覆盖问题。

3）对于有线传输受限的场景，采用relay中继微站构建解决方案。通过在合适的地点部署relay中继微站，中继覆盖区域与信源基站之间的信号传递，解决相应覆盖区域的深度覆盖问题。

（2）微小基站方案部署

以一体化微站和Femto微站为例，对微小基站方案部署进行举例，具体如下所示：

1）Femto微站部署方案

以NSA方式进行Femto微站方案部署，如图4所示：

方案应用场景：热点小区域、家庭用户，但不适用大型楼宇和密集城区深度覆盖。

2）一体化微站部署方案

在电源与传输具备的条件下，一体化微站可以直接部署，如图5所示。本方案可以基于SA/NSA场景部署，设备挂置于路灯杆上，天线隐藏于设备前面板。

方案应用场景：密集城区覆盖、街道覆盖、热点补盲;不适用于大型楼宇覆盖和高容量、大话务区域覆盖。

3.3  数字化室分解决方案及其部署

（1）数字化室分解决方案

数字化室分解决方案可以有效解决深度覆盖问题，是5G室内深度覆盖的主流方案。数字化室分结合了FTTH技术和移动通信技术的优点，其实现原理如图6所示：

信号从BBU到pRRU使用光纤和网线完成传输;pRRU最大集成4天线;BBU与pRRU之间的信号为基带信号;基带信号在pRRU转换为射频信号，由pRRU集成的天线发出;pRRU可以部署到用户侧，拉近用户与微站设备之间的距离;系统设备具备极强的隐蔽性和部署灵活性。随着5G网络建设的深入，BBU、HUB、pRRU均可灵活独立进行扩容、升级或更换;使用的光纖和网线具备极强的通用性，设备具备较强的可维护性和可管理性，建网和维护成本较低。

（2）数字化室分方案部署

数字化室分方案在4G时期已经得到成熟使用，涉及的设备与配套已经十分成熟。其中，pRRU可以很好地融入覆盖环境，其所需的线缆（光纤、网线）可以提前预埋。具体部署如图7所示。

方案应用场景：大型楼宇、写字楼、CBD、商场等，前期建议部署2T2R pRRU;高密度区域，大型场馆、交通枢纽、大型医院、校园，建议直接部署4T4R pRRU;热点区域扩容可以使用本方案;本方案不适合密集城区覆盖、室外深度覆盖以及普通居民楼宇覆盖。

3.4  传统DAS解决方案及其部署

（1）传统DAS解决方案

传统DAS解决方案最大的特点是成本低廉和原理简单，其由有源设备+无源器件构成。无源器件包括：耦合器、功分器、衰减器、合路器、滤波器、负载等。传统DAS技术在5G中使用需要解决频率升高和带宽增大的问题。传统DAS技术也在发展和演进，其中一个发展方向称之为MDAS技术，其中M表示多系统。MDAS的实现原理如图8所示：

MDAS包括MU（Main Unit，主单元）、EU（Extend Unit，扩展单元）和RU（Radio Unit，射频单元）。系统工作流程为：多系统信号由MU馈入并转换为光信号，通过光纤拉远至EU;EU对光信号进行扩展（分配），通过光纤/网线连接至RU;RU将信号还原并加以区分，射频处理之后，将不同移动通信系统的信号发射出来。

MDAS传统解决方案实现简单，链路预算容易，部署速度快，可以实现多系统联合部署。缺点是不具备容量提升能力，容易抬升信源设备底噪，系统间相互影响明显，扩容会引起用户接收信号强度下降等问题。

（2）传统DAS方案部署

传统DAS方案不建议作为5G深度覆盖的主要解决方案。对于部分低价值区域在综合考虑投入产出比之后，传统DAS方案依旧有其存在的价值。此类部署方案已经十分成熟，这里不再赘述。现将5G部署传统DAS方案时需要注意的问题，总结如下：

3.5  解决方案对比

基于前文，对不同解决方案进行的对比总结如表4所示。

4   结束语

本文对5G深度覆盖场景和相应的问题进行了分析和研究，并给出了对应的解决方案和部署方式，对不同方案的应用场景和关注点进行了总结。当前5G实验网建设正在我国如火如荼地开展，作为5G网络建设的有机组成部分，深度覆盖技术的研究和应用已经逐渐提上日程，本文旨在为我国的5G网络建设贡献力量。

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