4G/5G室分系统协同互补共建模式分析

谢 涵

（福建省邮电规划设计院有限公司，福建 福州 350000）

关键字：5G覆盖；室内分布系统；天馈

0 引 言

5G网络作为移动通信领域的新技术，具有大带宽、低时延、广连接的特点。5G通信技术的发展，推动了诸多产业数字化研发、智能化制造、网络化协同、个性化定制、服务化延伸、精益化管理等融合模式的发展。5G网络从2019年开始大规模建设至今，已经实现户外的信号广覆盖。根据工业和信息化部数据统计，截至2022年7月底，我国已经累计建成并开通的5G基站约有197万个，5G移动电话用户达到4.75亿户。我国已建成全球规模最大的5G网络系统，已经开通的5G基站约占全球5G基站总数的60%以上，登录5G网络的用户占全球5G登网用户的70%以上。目前，已建设的5G基站可满足户外用户的基本使用需求，但是对于建筑内部的信号覆盖质量，单纯靠室外基站很难解决，运营商需要加快推进室内5G网络建设。如超高清直播、高清视频监控、远程医疗以及VR/AR等业务主要发生在室内场景，像医院、体育馆、交通枢纽、商业楼宇（商超、写字楼）等室内热点场景逐渐成为运营商和行业客户部署5G网络、发展5G业务的优选场景。解决5G网络室内信号覆盖问题，是推动5G室内场景应用发展的关键。通过5G室内建设，消除室内信号盲区，改善室内信号质量，提升室内、室外网络覆盖，有助于产业应用普及与发展。

1 5G室分系统建设面临的问题

5G网络目前经历了4年建设，5G商用在基础设施建设、应用场景、创新生态等方面取得突出发展成绩，5G基站建设总数、5G终端用户都有明显增长。5G网络建设成本较高，运营商5G用户数量和流量增长目前还并未完全匹配。面对潜在巨大市场增长空间和高昂的5G投资建设成本压力，如何实现低成本、高性能、高效率的5G深度覆盖建设，成为运营商需要解决的问题。目前，5G建设的重点是室外基站部分，但是5G带宽增加导致谱功率密度下降，使得室外站的深度覆盖能力减弱，而4G室分系统站点的5G室分系统升级工作还未全面展开，如果新建5G室分系统，工期较长且施工建设成本较高，难以达到5G室内通信的快速部署。在现有的4G室分系统的基础上，如何实现高效的5G室分系统建设，是本文探讨的重点。

2 4G/5G室分系统协同互补共建模式

2.1 有源数字室分

2.1.1 有源数字室分的组网模式

有源室分系统的主要器件有基带控制单元、无线接口汇聚单元以及微型射频拉远单元。组网结构如图1所示。基带控制单元的主要功能有：集中管理整个基站系统，完成上、下行数据基带处理功能，并提供与射频模块通信的接口[1]。无线接口汇聚单元的主要功能有：接收基带控制单元发送的下行基带数据，经过分路处理后传给微型射频拉远单元，并将微型射频拉远单元的上行基带数据合路处理后向基带控制单元发送，实现与基带控制单元的通信。微型射频拉远单元的主要功能有：发射通道从无线接口汇聚单元接收基带信号，对基带信号进行数模转换，通过内置天线发射信号。接收通道从天线接收射频信号，经滤波放大后，通过模数转换为基带信号后发送给无线接口汇聚单元进行处理[2]。

图1 有源室分系统组网结构简图

2.1.2 有源数字室分的优劣势

有源数字室分的网络结构简单，因此在工程建设上部署快速且方便。同时，微型射频拉远单元本身具备2T2R或者4T4R的特性，可以在后台进行小区合并、分裂或者多设备合并组建Massive MIMO来灵活应对室内容量变化[3]。

基于上述优势，有源数字室分系统非常适合在高流高密类型场景中建设，类似的场景有高校、医院及商场等。此类场景中，原有4G网络室分建设通常是单路由天馈分布系统或4G有源数字室分系统。如果原有4G网络室分系统是单路由天馈分布系统，5G室分系统建设可以直接利用，这种建设模式有工程速度快、建设便捷等优点，但是单路由模式无法让高质量、高需求用户真正体验到5G速度。在此情况下，针对高流高密类型场景，采用网络结构简单的5G有源数字室分系统，能够保证工程速度，减少工程建设对原有环境的影响，还能让用户体验多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）模式下的5G速度。如果原有4G网络室分系统是4G有源数字室分系统，可以直接替换4G无线接口汇聚单元和微型射频拉远单元或新建一套5G有源数字室分[4]。有源数字室分系统性能极好，但是设备、软件价格较高。在5G室分的建设中期，需要充分考虑建设成本与预期收益。

2.2 双路无源室分

2.2.1 双路无源室分的组网模式

双路无源室分的主要器件有射频拉远单元、馈线、无源器件以及室内天线等，组网结构如图2所示。射频拉远单元的主要功能有：基带信号下行经变频、滤波，经过射频滤波、经线性功率放大器后通过发送滤波传至天馈。将收到的移动终端上行信号进滤波、低噪声放大、射频小信号放大滤波和下变频，完成模数转换和数字中频处理。馈线以及无源器件主要有1/2馈线、7/8馈线、功分器、耦合器及电桥等。室内天线有吸顶天线和吸顶定向天线等。

图2 双路无源室分系统组网结构简图

2.2.2 双路无源室分的优劣势

双路无源室分可以快速实现5G室分覆盖。这种建设模式是在原有单路由4G室分系统上同路由、同天线位置安装一套新室内系统的建设模式，建设速度相比新建两路模式在时间上缩短了一半。新旧两套室分系统共同组建成双路由的室分系统，可以提升5G用户的使用体验。双路无源室分有2T2R的能力，非常适合在隔断多且有一定流量热度的场景建设。比如商务楼、办公楼等，这类场景一般都已经建设4G室分系统，如需建设5G室分系统，可以参考原有4G天线布局、馈线分布等情况增建一套室分系统，再采用5G的射频拉远单元进行合路处理[5]。

在旧有室分系统上新增一套室分系统存在一定难度。因为馈线、无源器件及室内天线等施工会产生较大噪声，施工时间较长。在商务楼、办公楼等场景施工时，施工人员需要与业主进行有效的沟通。

2.3 双路耦合室分

2.3.1 双路耦合室分的组网模式

双路耦合室分的主要器件有无源双路耦合器、射频拉远单元、馈线以及无源器件以及室内天线等，组网结构如图3所示。双路耦合技术通过无源双路耦合器件实现，双路耦合器为5端口器件。各端口连接方式为：两输入口接信源或上一楼层双路耦合器，两输出口接下一楼层双路耦合器或平层单路分布，耦合口接平层单路分布系统。

图3 双路耦合室分系统组网结构简图

2.3.2 双路耦合室分的优劣势

5G室分系统在隔断多且有一定流量热度的场景如商务楼、办公楼等场景建设，一般采用2T2R的模式。如果在已经建设的4G室分系统上增加一套室分系统，存在破坏原有装修的风险，而且工期较长。基于此，可以考虑使用双路耦合器。双路耦合室分通过双路主干传送两路信源信号，每个楼层设置一个双路耦合器，利用该耦合器通过耦合合路方式将两路耦合信号合路到各楼层的单路分布系统中。其中两路信号经过耦合器后耦合度相同，实现两路信号的等比例合路。由于双路耦合器内两输入端口及两输出端口设置了隔离端口，主干各级双路耦合器两路输入信号以及两路输出信号相互隔离，两路主干信号经过双路耦合器后仍相互独立。两路信号耦合到各楼层后，两路信号到各楼层所经过的器件和电缆的性能均不相同，各楼层间的信号相互正交。双路耦合的室分方案只需对主干进行改造，工程量小、施工便捷、成本低。

在室分系统中增加的器件，每个端口都存在功率损耗问题。双路耦合器也是如此。在一套双路耦合室分系统中，每个楼层至少要增加一个双路耦合器。楼层越多，双路耦合器使用越多，功率损耗越大，对末端天线的电平输出存在影响。

2.4 移频MIMO室分

2.4.1 移频MIMO室分的组网模式

5G移频MIMO室分系统是一种在原有无源室分系统基础上进行改造的解决方案。移频MIMO室分的主要器件有信源、移频管理单元、移频覆盖单元以及远端供电单元，组网结构如图4所示。信源主要有微型射频拉远单元和射频拉远单元。移频管理单元的主要功能是将3.5 GHz频段5G射频信号变频后，在现有室分无源信号分布系统内传输。移频覆盖单元的主要功能是将室分无源信号分布系统内的变频信号恢复为3.5 GHz频段5G信号，并与馈线上的原有分布系统上的射频信号进行合路，通过内置天线发射。供电单元的主要功能是为移频管理单元、移频覆盖单元提供-48 V直流供电。

图4 移频MIMO室分系统组网结构简图

2.4.2 移频MIMO室分的优劣势

移频MIMO室分系统通过3.5 GHz频段5G信源移频接入已有无源室分系统，维持原有的多频合路器、功分器、耦合器及无源分布线缆不变。原有室分无源天线替换为远端机，增加近端机以及供电走线，在单缆无源室分系统上实现3.5 GHz频段5G室分系统的MIMO覆盖。移频MIMO室分系统同样适合在隔断多且有一定流量热度的场景建设，建设方式对原有室分系统改造动较少，不用新增一套完整的室分系统，只需新增电源系统和替换原有天线，能让旧有系统具备MIMO能力，具备比双路由室分系统更快的建设速度。

移频MIMO室分系统是有源系统，受到设备电源能力的限制，一个远端供电单元只能供电40个移频覆盖单元。在天线数量较多的场景，需要在多处就近寻找接电位置，这会增加一定的安全风险。

3 方案对比总结表

根据上述有源数字室分、双路无源室分、双路耦合室分、移频MIMO室分的组网模式以及在工程建设方面的优劣势进行方案对比，以便更直观地进行方案选择，对比表将从投资、建设周期方面进行描述，如表1所示。

表1 方案对比总结表

4 结 语

大规模5G网络建设成本较高，本文提出了几种4G/5G室分系统协同互补共建方案，分别从建设成本、建设难易程度以及建设周期等方面进行详细剖析，向垂直行业客户提供建设成本低且运营支出低的5G解决方案，对5G室分系统的高效建设有一定的参考意义。