5G室内网络信息覆盖研究

代海刚

摘要：随着我国国民经济的快速发展，移动运营商网络的规模与日俱增，5G移动通信室内覆盖技术也出现在网络通信领域。5G时代的室内覆盖系统在人们的生活中非常重要，因此，进一步加强5G室内覆盖系统的建设十分重要。基于此，文章的工作重点是研究5G室内覆盖系统建设，旨在为相关人员提供一些支持和参考。

关键词：5G；室内覆盖；系统；建设

中图分类号：TN929文献标志码：A

0 引言

由于经济的快速发展，5G移动通信室内覆盖技术的应用和传播逐渐扩大，随着5G网络时代的到来，公共通信方式得到了一定程度的优化。但是，我国在建设5G室内覆盖系统方面还存在很多不足。在此基础上，本文详细分析了5G室内覆盖系统的建设，供相关人员交流和学习。

1 5G室内覆盖性能存在的关键问题分析

1.1 室内外同频干扰问题

5G网络室内外组网采用2.6 GHz，会存在同频干扰问题，尤其是室外宏站加载数据时，会严重影响室内网络覆盖性能。为了避免出现这种情况，需要在建设室内覆盖网络的初期就很好地考虑这个问题，并提出相应的解决方案。目前，主要对策是采用4T4R分布式部署方式，减少同频组网时对室内网络性能的影响。经测试该方案，在外部宏站不加载时，室内下行速度可以达到600Mbit/s，而在外部宏站负载速度为50%时，室内网络下行速度下降到450Mbit/s左右。从降低幅度上看，每降低10%，室内网络下行速度降低30Mbit/s。由于室内和室外存在层次差异，这也会影响室内网络的性能。电平差小于0 dB时，外宏站加载率为50%，严重影响室内性能，可见比损超过40%；电平差0 dB～5 dB时，外宏站负载比为50%时，比损约30%；电平差为5 dB～10 dB时，损耗进一步降低约20%；电平差为10 dB～15 dB时，速度损失约为10%。因此可以看出，室内/室外阶跃越大，室内比损失越小。为提高室内覆盖性能，施工初期应注意室内外电平差的问题，室内电平应至少比室外电平高6 dB，室内速率损失率应控制在20%以下［1］。

1.2 传统室内系统的升级问题

现有室内配电系统主要使用2.3 GHz工作频段，升级后室内网络使用2.6 GHz工作频段，但是这两个频段的部分设备功能基本相同，没有区别功率分配器、耦合器和天线插入损耗等特性。从理论上讲，这些设备的使用对室内网络性能的影响可以忽略不计，但本文测量了这些设备在不同频段的增益。测量结果表明，不同之处在于，当这些设备在2.6 GHz工作频段与2.3 GHz频段相比时，耦合器损耗增加了1.4 dB，1/2 馈线损耗增加了1.38 dB、7/8 馈线损耗增加0.9 dB，体积和空间损耗增加4.2 dB。从以上结果可以看出，在现有室内配电系统的升级过程中，部分组件可能会降低室内覆盖网络的性能。因此，为保证升级后的室内配电系统能够达到之前的4G网络覆盖水平，升级过程中RSRP必须至少达到105 dBm。

1.3 双通道的平衡性问题

一旦部署了双路室分系统，就可以直接升级5G系统。本文主要讨论双通道不平衡对分室系统升级的影响。当两个通道的电平差达到5 dB时，室内网络的速度性能下降约20%。随着这个差值的不断增大，室内速率性能的损失变得严重，比如达到10 dB时，下降到30%左右，远距离的比损失变大，达到84.43%。因此，为保证室内网络覆盖性能，两个通道的电平差不能高于5 dB。此外，室外干扰对双通道的性能也有显著影响，进一步加大了两通道之间的电平差。因此，在房间分配系统升级过程中必须采取一定的措施，保证双通道的平衡，为传统房间分配系统升级奠定基础。

2 5G室内覆盖需求分析及现状

5G技术将越来越多地渗透到人类的生产、生活、娱乐和生活环境中，特别是在城市的主要交通道路、大学、车站、市场和住宅区。部分人口较多地区的主要网络需求是室内网络，我国相关单位对这些地区的网络需求进行了系统预测，从中不难看出5G室内网络覆盖系统的重要性。我国相关研究人员迫切需要室内容量和5G室内覆盖。DAS建设方式是我国传统的室内网络覆盖建设方式，DAS也称为分布式天线系统，如果将DAS建设方式应用到现有的室内網络覆盖过程中，可以提供比较好的KPI和覆盖范围。随着人类对当前互联网技术需求的增加，DAS方法已经不能适应人类对现代互联网技术的需求，DAS方法的弊端也逐渐显露出来。在改进室内分布布局方式的过程中，需要在提高部署可靠性的同时尽可能减少部署投资。

3 5G网络室内覆盖设计建设的原则

在设计5G网络室内覆盖方式的过程中，需要注意设计结构方式的敏感性，但同时开发定制功能强、功能强大的移动接入网结构也很重要。设计和建设5G网络室内覆盖，只有开发出具有强大定制能力和强大可扩展性的移动接入网络，才能实现更灵活的部署和协调。由于在架构设计的全过程中要减少设备功能资源的消耗，所以在5G网络室内覆盖架构设计的全过程中也应该贯彻以下3个主要原则。

3.1 坚持弹性原则

在开展5G网络覆盖建设过程中，要大胆寻求现有网络方式的突破，引入先进的信息技术，提高建设的可靠性，让5G网络的建设适应不同环境的要求。

3.2 遵循智能原则

5G室内覆盖技术秉承智能化的原则，可以实现承载设备与管理的分离。同时，业务侧和管理侧都可以实现独立的发言和扩展，促进其在网络部署环境中进行更有效的管理。

3.3 符合高效原则

在实施5G网络室内全覆盖设计的过程中，除了充分考虑网络运维成本外，还需要关注网络建设成本，尽量降低建设成本，所以在设计5G网络室内覆盖过程中必须注意效率［2］。

4 5G网络室内覆盖建设方案

4.1 以MDAS进行室内覆盖

使用RRU实现室内覆盖的产品以华为和中兴为代表，其中华为品牌LampSitehe和中兴QCeLL是最具代表性的产品。然而，这些电子设备中集成天线系统的功耗通常相对较低。一般来说，RRU的基础设施可以分为3类：扩展、连接单元和集成天线。但在RRU的情况下，产品的基站稳定性明显不足，需要借助其他设备，而借助其他设备提升产品的基站完整性。此外，通过RRU的室内覆盖服务可以实现各种增值业务，增值业务的内容包括多种形式。最常见的3种增值服务是利用智能挖掘和边缘计算能力进行网络优化状态，使室内导航设备能够成功落地。

4.2 以MDAS进行室内覆盖

MDAS系统主要利用射频和数字光信息，将射频和数字光信息相互转换，然后利用光纤的功能，以覆盖为单位传输光信息。光信息进入覆盖单元后，逐渐变成射频信号，最后将射频信号传输到室内子系统。在融合演进过程中，首先要以MEU，MAU，MRU代替5G相关设备，在进行运输作业时可以选择光电复合电缆。对于LTE和MDAS系统，可以采用双通道制式，而在5GNR技术的应用中，也可以采用双通道制式，既能发挥原有优势，又能实现高性价比。

4.3 室外宏站覆盖室内

在正常情况下，频率增加会增加信号衰减率，从而降低穿透性能。基于5GNR频率，频率为2.6G时信号衰减率相对平缓。但是，当频段频率达到4.9G和3.5 G时，信道衰减率变化明显，穿透强度急剧下降，穿透只能穿透建筑物。如果建筑结构比较简单，可以实现室内外覆盖。然而，房子的结构越复杂，越难以覆盖室内和室外。因此，必须制定一套完整的规划，尤其是室内覆盖。对于一些特殊的应用或者结构比较简单的建筑，宏站覆盖可以提供相应的便利，比如，原来的普通站址仍然可以使用，方便建设发展，不需要额外的物业等。同时，对于5G宏站，通常是64T64R。宏站覆盖可以极大地体现中国移动5G的优势，为终端用户提供更多的增值服务。

4.4 SmallCell的演进

作为SmallCell演进的代表，FemtoCell在产品性能上与RRU非常相似，但在功能上还是有显著差异的。在做RRU研究的时候，可以看到RRU和BBU之间有很多相关性。对于SmallCell产品来说，基站的完整性是相当高的，同时使用固网宽带能力可以让SmallCell产品实时连接到核心网，这个架构是AP和AC架构，SmallCell也是两层模型。FemtoCell产品的发射功率相对较低，更利于家庭场景和较小的业务覆盖。FemtoCell产品可以实现几十米距离内的全覆盖，而服务人员限制在15人以内。PicoCell1产品更方便全面覆盖大型企业的使用场景，覆盖范围数百米，服务人员可超过65人，PicoCell1产品也有相应的结构形式，2V～5V是发射功率范围［3］。

5 室内覆盖系统

室内覆盖的特点：首先，高容量。在办公区、机场大堂、高铁候车厅等人口密集区域，移动终端的高密度和对数据流量的高需求，需要针对这些场景单独设计网络容量。其次，室内区域弱场。由于建筑结构和自身材料的性质，穿透建筑墙体导致信号电平模糊，形成信号弱区或盲区。最后，信号质量差。高层建筑和高铁隧道的空间信号不稳定，容易出现乒乓效应和多普勒效应，语音质量和网络质量较差。此外，频繁的小区切换容易造成掉话现象。室内分配系统由信号源和分配系統两部分组成。分配系统将来自室外的信号合理分配到室内覆盖区域，一个好的室内分配系统应该覆盖该区域并且不干扰其他区域。从运营商的角度来看，室内分布系统在选择室内覆盖方案时也会综合考虑覆盖指标、经济性、运维难度等维度。

6 5G室内分布系统规划与设计

6.1 5G圆锥形双极化室内全向吸顶天线

在5G锥形双极化室内全向吸顶天线设计中，垂直极化采用非对称有限长度双锥形天线。水平极化采用半对称振子作为阵元，形成圆环阵列。匹配高频和中频两个圆环阵列的设计方案，串联后再并联。足够的带宽，驻波和圆度都很好。由于难以实现同时满足超宽带、小型化和低成本要求的水平极化天线，水平极化仅支持1 880MHz～3 700MHz频段，天线尺寸小于200mm×140mm。在5G锥形双极化室内全向吸顶天线的仿真结果中，垂直极化低频段、中频段和高频段增益分别为≥2dBi，≥3dBi，≥3.5dBi（功率增益单位），圆度分别为≤2dB（90°辐射角），≤2.5dB（60°辐射角），≤3dB（60°辐射角）；水平极化中频段、高频段增益分别为≥3dBi，≥3dBi，圆度分别为≤2.5dB（60°辐射角），≤3dB（60°辐射角）。

6.2 以满足高性能的图形渲染及处理技术应用

室内设计是一个需要大量图形和图像处理的行业，尤其是图形渲染和效果处理，需要大量的内存，但是随着5G信息技术时代计算机软硬件的不断发展，渲染图的时间越来越长也很容易制作。多种图形处理软件功能，例如，多维模型、滤镜、颜色渲染、元素匹配、场景工具和其他功能，可用于执行各种任务。在图形渲染和处理上，照片的分辨率和精度会大大提高，信息技术在5G时代的作用会更大，尤其是4K视频成为主流。对于室内设计而言，细节的把握和精准度的掌控是成功的关键。

6.3 有源室内系统

有源室内系统是一种新型的室内子系统，通过光纤和五类电缆传输和分配基带信号，具有部署简单、配置灵活、维护方便等特点。有源室内系统通常也称为毫瓦级分布式微微基站，分布式微微基站采用分布式架构，通常由3个部分组成：基带单元（BBU）、扩展单元（RHUB）和远端单元（PRRU）。基带单元和扩展单元通过光纤连接，扩展单元和远端单元通过网线或光电复查连接。BBU是基带处理单元，负责整个基站系统的控制和管理，通常放置在楼宇通信机房内，应配备空调、环境监测等设备；RHUB是一种射频远程CPRI数据聚合器，可实现基带设备和远程设备之间的通信，扩展通常分布在楼层的每一层，并安装在机房或弱电井中；PRRU是实现射频信号处理功能的远程射频设备，根据现场实际情况安装在楼层的各个区域。与传统的室内配电相比，分布式微微基站具有布局灵活、用户识别度好、维护方便等优点，具体如下：第一，覆盖力强，用户体验好。有源分布系统远端设备集成内置天线，实现多频多模同时部署，单台设备支持MIMO，速度大幅提升，用户体验好。第二，灵活的产能调度。根据有源分布系统的性质，一个小区可能包含单个或多个远程天线单元。在实际应用中，可以根据楼宇的容量需求以及厂商设备支持的小区拆分和合并能力，灵活地进行小区规划。第三，结构简单，施工方便。光纤/网络布线，设备美化，比功分器、耦合器等无源器件配置更简单，单设备PRRU比天线覆盖半径更大，设备点数更少。第四，可视化运维、网络管控。网络运行过程中不断出现各种问题或错误，需要精细的网络维护，以确保良好的用户意识和高效的网络运行，全方位的系统监控可以快速发现系统和设备故障，从而进行运维。第五，可以平滑升级。新系统可受益于现有系统，通过更换设备可将网络无缝升级至5G，部署简单快捷。

6.4 5GPIFA型双极化室内全向吸顶天线圆度影响测试

由于辐射元件的不对称性，5GPIFA双极化室内全向吸顶天线的圆度很差，在技术指标上一般没有要求。5GPIFA双极化室内全向吸顶天线的覆盖性能与5G锥形双极化室内全向吸顶天线相同，说明在多分区办公楼环境中障碍物较多，传播路径复杂。由于偏振偏转、散射和衍射的影响，圆形指数对覆盖率影响不大。为验证5GPIFA双极化室内全向吸顶天线水平方位对覆盖性能的影响，在测试地板上选择一个测试区域进行穿越测试，并在测试天线点与测试天线之间放置一定距离观点。测试过程中，关闭另一层的信号源或分支电路，只留下测试层房间内的分支信号开路，断开测试层另一根天线与负载的连接，只保持测试天线开路。

7 结语

随着技术的进步，5G网络将支持更多的业务和应用场景，例如，高带宽低时延的eMBB业务以及超可靠、超低时延的URLLC业务。未来将是5G时代，但考虑到投资、运维、投资回报等问题，需要逐步推进5G网络覆盖，因地制宜选择室内覆盖方案发展5G室内业务。5G时代网络建设者面临的网络安全形势更加复杂，必须按照科学合理的技术手段和方法进行工程建设。通过以上分析可以看出，分布式RRU存在一定的局限性，LTE和MDAS的网络层采用双通道方式，5GNR领域仍然采用双通道方式。中国移动5G网络的优势可以通过利用宏站覆盖来体现。以SmallCell网络为例，由于SmallCell的系统架构比较简单，建设所需的投资较小，期望本文对相关研究人员有一定的参考价值。

参考文献

［1］杨科，方力诏.地铁5G公网覆盖建设方案的研究［J］.长江信息通信，2021（4）：226-229.

［2］巩倩倩，段宗维，杨青青，等.5G背景下室内信号覆盖解决方案的研究［J］.无线互联科技，2021（6）：3-4，7.

［3］叶健涛，陈广林，梁盛铭.基于5G室内覆盖低成本建设方案研究［J］.广西通信技术，2021（1）：46-49.

（编辑 傅金睿）