面向5G的新型室分建设方案研究

2020-06-17 06:45
广东通信技术 2020年5期
关键词:漏缆室分无源

1 概述

传统通信室内分布系统是对无线信号覆盖的有效补充,以满足建筑物内用户对移动通信网络的需求。近些年随着移动通信技术的快速发展,通信业务呈指数级增长,其中室内通信业务已占有很高的比例。随着5G时代的来临,更多的业务种类与智能应用会发生在室内,预计未来将有85%以上的移动通信业务发生在室内。室内分布系统将成为未来移动通信网络中至关重要的内容,是运营商新的核心竞争领域。

在3G/4G时代,通过室外宏站与室内分布式天线系统(DAS)相结合,可以有效解决网络室内覆盖的问题。但是采用高频段的5G网络面临更大的无线链路损耗,室外宏站信号因较高的穿透损耗不能满足室内覆盖,同时传统DAS系统难以支持高频段信号传输。面对室内海量数据的场景,数字化室分系统成为5G时代首选方案。但数字化有源室分系统具有成本高、部署困难、难以共享等劣势,本文就目前5G室分建设面临的问题,根据具体场景研究讨论了一种解决方案,为后期5G网络部署带来一定的参考。

2 室分现状分析

传统DAS室分系统起源于2/3G时代,通过射频馈线、功分器/耦合器和无源室分天线等无源器件将信源RRU的射频信号拉远到室内各个角落,成本低、可靠性高。但随着室内环境流量需求的增长,DAS系统因容量受限已显得力不从心,同时5G网络已开始部署,面对室内数据业务,建设一张优质的室内分布网络尤为重要。

2.1 发展趋势

未来5G网络不仅是通信的网络,更是作为物联社会的底层网络,连接各行各业。5G的三大应用场景为增强型移动宽带、低时延高可靠通信、海量物联网通信,根据ITU要求,支撑三大场景的网络应满足峰值速率10 Gbps、时延1 ms、每平方公里内1百万连接数。5G网络与4G相比业务场景更加丰富,仅通过对4G网络的升级扩容,难以满足未来5G业务的要求。

针对室内场景覆盖,目前运营商仍主要采用传统DAS系统解决。虽然传统DAS系统具有产业链成熟、投资小、故障率低、可多系统扩容等优势,但随着未来移动数据的剧烈增长,传统DAS系统难以演进至5G,面临挑战如下:

(1)因数据量增长而需要新增大量节点和无源器件,但传统DAS系统器件故障隐患较多,且部分区域已无改造空间。难以针对传统DAS进行大规模建设或升级改造。

(2)传统DAS系统采用无源器件,数量多且无法进行监控。当大规模部署网络节点时,将增大系统运维成本,且隐蔽部分更难以检测故障。

(3)我国5G首发频段包括2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz。传统DAS系统中无源器件支持的最高频段为2.7 GHz左右,无法处理3.5 GHz及以上的5G信号。同时,高频信号在电缆中的传输损耗也随着频率的升高而大增加,使其在实际工程中难以实现。

针对上述传统DAS系统的瓶颈,5G室分将采用有源数字化系统(如图1所示)。受高频段的影响,5G数字化室分系统采用简单的三级架构,即基站侧(BBU)、Hub、远端射频发射单元,减少了连接点和故障隐患。同时,面对大量末端部署,室分设备趋于小体积、轻重量。

数字化室分中采用有源器件,传输使用网线/光纤,在容量演进、可视管理、易部署等方面更容易支持5G演进。4×4MIMO是5G室内建网的标准,4个发射通道较2TR将获得3 dB的功率增益。传统DAS系统中由于器件、工艺等原因,难以保证LTE双路平衡,更无法支持大规模MIMO。数字化室分单位面积流量将是传统DAS的4~10倍。传统DAS室分系统将会在容量需求不高的场景或区域作为低成本、快速部署的补充方案。

图1 数字化室分系统示意

2.2 数字化室分面临问题

随着5G网络的部署及移动业务的需求,数字化室分的特点也工程建设带来了难点与挑战。

(1)规模大,部署困难。伴随着大带宽、高速率、4x4MIMO功能,以及室内隔断的影响,数字室分系统的末端天线(pRRU)数量将大幅度提升,为工程施工带来困难,同时大量的有源设备也增加了系统维护的复杂程度。

(2)成本高,投资大。无源室分与有源室分在空旷场景投资相差约2倍,在隔断场景投资相差约5倍。分布式微站单“天线”约1.2万元,无源室分单天线约0.24万元(含信源)。5G频段更宽、通道数更多,5G微站室分造价会更高,导致5G室分投资巨大。

(3)能耗高,运维压力大。5G信号损耗较高,为提升覆盖能力,pRRU需提供更大的功耗。因此,有源化室分的大量建设会大幅增加电费、维护费等运行成本和后期系统运行压力。

(4)不易共建共享。因器件性能对频率的限制,以及多信号间的互条干扰,目前无法实现全频段5G室分的共建共享,同时也增加了建设成本。

由上述可知,5G室分建设全面有源化、数字化,在实施中会有很大困难,也使运营商在投资、运维等方面存在巨大压力。传统DSA室分与5G数字化室分将在很长一段时间内并存。

3 新型室分建设方案

3.1 5G室分平滑升级

传统DAS室分具有投资少、现有存量与工程建设经验较多的优势。针对上述数字化室分面临的问题和弊端,在5G时代前期采取传统DAS室分与数字化室分扬长避短、优势互补的方式,使5G室分在传统DAS系统上平滑演进,对运营商而言是一个合理可取的方案。

3.1.1 无源器件平滑升级

在中低容量场景中,将传统DAS系统的无源器件进行升级,以使5G信号能与2/3/4G信号进行合路。传统室分无源器件支持的频段范围为800-2 700 MHz,可将其适用频段扩展至3.5 GHz,即包含运营商移动的2.6 GHz、联通和电信的3.5 GHz。

针对上述要求,采用新技术对无源器件的适用频段进行拓展。其中,功分器的适用频段可采用多级阻抗变换级联推进技术进行拓展;耦合器和电桥的适用频段可采用三节导带复用技术进行拓展。无源器件的频段拓展技术可满足5G低频段的要求,但器件的体积与成本也会随之增大。

1/2馈线与7/8馈线在5 GHz频段的损耗会增大,但通过提高信号发射功率,可以满足5G信号的传输要求,同时增加天线点位可以满足5G信号的覆盖要求。针对部分容量要求较高的场景,在成本允许的前提下,可采用4×4MIMO建设。

3.1.2 共建共享

对多系统接入平台(POI)进行升级,将其适用频段拓展至3.5 GHz,并增加合路端口。目前,已研发出支持三家运营商2/3/4/5G,共12套系统共享接入的POI产品。结合传统DAS系统中无源器件的升级,无源室分系统可通过升级POI来加载5G信号,以实现室分的共建共享(如图2所示)。

图2 5G室分平滑升级示意图

3.2 广角漏缆建设方案

3.2.1 广角漏缆

在无线传播环境受限的地铁、隧道等场景中,传统室分方案主要采用泄漏同轴电缆(泄漏电缆),并获得了较多的成功案例。采用泄漏电缆可以得到更均匀的信号辐射强度,同时降低施工难度和维护成本。针对狭长型的场景,泄漏电缆与POI组合可以实现多系统接入,并使信号均匀覆盖。在国外,泄漏电缆也应用在了室内场景的覆盖。

当采用DAS系统加载5G信号时,传统室分覆盖技术中天线、接头和器件使用量大,施工工艺复杂,接入频段较多,如果产品性能或施工工艺达不到规范要求,就会引起系统间互调干扰,影响信号的覆盖效果。传统方案互调干扰难以控制,现有解决手段效果不明显。使用广角漏缆覆盖室内,可大幅减少天线、接头和器件使用量,减少系统连接点,从而有效规避系统间互调干扰影响,同时,还能达到降低建设成本、降低维护成本、优化覆盖效果的目的。

常规泄漏电缆适用于隧道等狭长环境,辐射张角一般不超过120°,广角漏缆应用于室内覆盖,需增大辐射张角。根据一般室内场景测算,漏缆作为辐射源位于顶部正中,挂高2.5 m,辐射宽度20 m,覆盖高度1.6 m,则广角漏缆辐射张角为170度(如图3所示)。

图3 室内广角漏缆张角示意

3.2.2 建设方案

在建筑物内狭长区域引入广角漏缆覆盖。对POI及无源器件进行升级,将其支持频段扩展至3.5GHz。三家运营商5G信号与2/3/4G信号通过POI合路后,采用双路广角漏电缆对楼层进行覆盖。建设方案如图4所示。

广角漏缆方案针对一些特殊场景如走廊、电梯井等,实施效果将更加明显。本方案在使5G室分平滑升级的同时,实现了运营商的共建共享,降低了建设成本。与原有室分天线覆盖方式相比,本方案中信号覆盖更加均匀稳定,工程实施周期短,易于维护。同时,漏缆布放较隐蔽,减少了对原有室内布局的影响。

图4 广角漏缆建设方案示意图

4 结束语

5G时代已经到来,传统DAS室分系统无法满足5G网络的室内覆盖要求,数字化室分是未来的发展方向。但数字室分存在投资高、部署难、维护复杂等问题,致使运营商在近期内无法快速部署,因此5G室分建设只能在传统DSA室分基础上平滑演进。本方案将原覆盖隧道等场景的泄漏电缆引入至室内覆盖,同时升级无源器件,将各运营商的2/3/4/5G信号合路至POI,实现了5G室分的平滑演进,对后期5G室分建设具有一定的参考和启发性。本方案中因无源器件升级限制,未能载入移动4.9 GHz频段的信号,随着技术的发展,有待于进一步研究。

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