小基站射频分布系统应用研究

［宋伟坪 马海军 丁海斌 周亮 李益锋 朱文聪］

1 引言

随着5G 通信网络的大规模部署和移动通信业务5G化推广，移动通信5G 用户占比不断提升，对5G 网络容量、系统可靠性有了更高的要求[1]。5G 网络经过多年建设，运营商5G 通信网络已实现乡镇及以上区域的室外基本连续覆盖和重点室内场景深度覆盖。但如何低成本、快速实现中、小面积室内场景的5G 深度覆盖，仍旧是各运营商目前的一大难点[2]。本文旨在通过对小基站射频分布系统产品性能和建设成本优势的研究，帮助运营商快速建设低成本、高质量的室内覆盖网络。

2 小基站射频分布系统组网方式及应用优势

2.1 小基站射频分布系统组网方式

小基站射频分布系统通常由小基站、射频近端机、射频远端机组成，如图1 所示。

小基站：集合了基带处理单元和射频单元的功能，支持IPRAN、STN、PON 等多种回传方式。小基站可支持4/5G 双模，输出功率250 mW(输出功率有多种配置，本文选择2*250 mW)。5G 单模设备功耗小于20 W，4/5G 双模设备功耗小于35 W，是一种小型化、低功率、低功耗的微蜂窝基站。小基站5G 频段支持在线用户数96 个。

射频近端机：可提供4*200 W 远程供电，将射频信号放大后通过1 对5D 射频同轴线缆实现对射频远端机的信号传输和远程供电，射频近端机支持4 路输出，单路最多可支持下挂8 个射频远端机；射频近端机5G 单模功耗小于15 W，4/5G 双模功耗小于20 W，可支持级联扩展。

射频远端机：与射频近端机实时交互数据，将接收到的射频信号放大发射。射频远端机输出功率250 mW(输出功率有多种配置，本文选择2*250 mW)，5G 单模设备功耗小于12 W，4/5G 双模设备功耗小于20 W。内置天线型和外接天线型两种射频远端机能够适用不同建筑结构的场景。

2.2 小基站射频分布系统应用优势

室内深度覆盖常用的覆盖方案为传统无源室分系统和数字化有源室分系统。根据运营商多年的建设、维护、优化经验，分别存在的一定的缺点。

5G传统无源室分一般由基带处理单元（常规功耗200 W）和射频拉远单元（常规功耗600 W）、室分器件、馈线、以及室分天线组成，其优点是分布系统部分无需供电、相比有源室分点位故障率低，主要缺点是：室分器件、馈线和天线涉及工程量多，施工难度大，建设工期长；由于室分天线无法监控，一旦发生故障很难及时发现，故障点的排查维护难度大，容易影响用户感知；天线口功率在设计阶段已通过链路损耗确定，分布系统建成后再增加天线以满足扩大覆盖面积比较困难[3]。

5G数字化有源室分由基带处理单元（常规功耗200 W）、中继扩展单元（常规功耗50 W）、射频远端单元（常规功耗50 W）组成，中继扩展单元与射频远端单元之间采用六类线或光电复合缆连接，施工便捷，设备可管可控。数字化有源室分主要优点是可按需合并/分裂小区，实现超大容量，适合大型的商超、医院、体育场馆、交通枢纽等高流量场景，但其缺点是远端单元设备能耗高、并且整体造价高[4]。

相较于传统无源室分和数字化有源室分的以上痛点，小基站射频分布系统具有以下优势[5]。

优势一，能耗低：小基站射频分布系统采用极简低功耗信源,能耗比数字化有源室分低50%以上；小基站射频分布系统与传统无源室分的能耗对比与覆盖面积有关，覆盖面积越小，射频远端机配置数量越少，越具备低功耗优势。

优势二，部署快：小基站射频分布系统采用5D 射频同轴线缆，施工便捷，比传统无源室分工程量少，作为信源的小基站支持多种回传方式，设备即插即开，可以快速建设开通。

优势三,可管控：相比传统无源室分，小基站射频分布系统可管可控，便于及时发现故障、高效排障。

优势四,改造难度低：相比传统无源室分，小基站射频分布系统可按需灵活调整射频远端数量，易改造，后期由于增加覆盖面积进行扩容也比较方便。

3 小基站射频分布系统覆盖效果的预测和验证

3.1 小基站射频分布系统的链路预算

为了验证小基站分布系统的性能，本次选择某物流集散中心一幢楼宇的4 楼作为试点。该楼层为室内多隔断场景，现场无吊顶，覆盖面积约为2 000 m2。根据小基站射频分布系统的相关性能参数和现场建筑格局进行链路预算，并结合以往室分工程经验制定天线布放方案。

链路预算典型的室内传播模型是Keenan-Motley 模型[6]，计算公式如下：

其中PL (d0)=32.4+20 log (d0×0.001)+20 logf，d0为参考的近距离(通常d0=1m)，PL (d0)表示近地参考距离自由空间衰减值，f 为信号频率，单位是MHz，PL(d)表示路径为d(m)总传播损耗，β 表示路径损耗因子（本次取0.5 dB/m），FAF 表示穿透损耗，根据3GPP TS 38.901 协议，5G 信号的穿透损耗与无线信号频段f（单位为GHz）有关，3.5G 频段小基站对应各类常见材料的建筑物隔断穿透损耗如表1 所示。

表1 3.5GHz 小基站射频分布系统链路预算

本多隔断场景按一堵混凝土墙+一扇木门的双重遮挡作为穿透损耗上限。

250 mW 小基站射频分布系统3.5 GHz 信源输出功率为：10log(250 mW÷(273×12))=10log(250 mW)-10 log(273×12)=-11.17 dBm。

综上所述，3.5 GHz 小基站射频射频分布系统的链路预算如表2 所示。

表2 3.5GHz 小基站射频分布系统链路预算

根据链路预算，当室分天线点位布放在楼道内房间门口时，房间内距天线10 m 以内的区域信号强度符合运营商指标要求[7]。根据小基站射频分布系统的相关性能参数，结合以往数字化有源室分建设经验，设计采用1 台小基站+1台射频近端机+7 台2TR 射频远端机，小基站和射频近端机安装在本楼层弱电间内，射频远端机布放在楼道内，外接的室分天线布放在相邻房间门口的过道中间[8]，如图2 所示。

图2 小基站射频分布系统室分点位图

3.2 小基站射频分布系统覆盖效果仿真

在链路预算设定的相关参数基础上，通过对该站点方案进行建模仿真[9]，仿真结果如图3 所示。

图3 RSRP 仿真效果图

通过仿真效果理论统计，该站点RSRP 值≥ -110 dBm的区域占比为99.18%，RSRP 值≤ -110 dBm 的区域占比仅为0.82%,满足运营商网络覆盖指标要求。

3.3 小基站射频分布系统覆盖效果测试

该室分点位现场安装开通后进行了现场测试，测试统计结果如图4 所示。

图4 现场测试RSRP 值和SINR 值统计图

由测试统计结果可见该站点RSRP 值≥ -110 dBm 的区域占比为99.61%；RSRP 值≤ -110 dBm 的区域占比仅为0.39%，试点现场实际测试结果RSRP 值略优于仿真结果，满足运营商网络覆盖指标要求。同时该站点SINR 值≥ -3 dB 的区域占比为100%，也满足运营商网络覆盖指标要求。

4 小基站射频分布系统适用场景分析

4.1 小基站射频分布系统容量分析

室分网络的建设离不开容量规划，容量规划主要基于用户渗透率、RRC 连接比例等参数进行预测，计算方法为：在线用户数=总人数×运营商用户渗透率×5GNR 用户渗透率×RRC 连接比例[10]。由此计算方法反推，可知支持96 个在线用户数的小基站容量（小基站覆盖区域内可容纳的总人数），如表3 所示。

表3 小基站容量计算表

根据表3 推算结果，小基站射频分布系统适用于活动人数在480 人以内的室内场景，受其容量所限，一般适用的场景面积不会太大。

4.2 造价对比分析

常见室分场景根据其内部建筑格局，主要分为空旷型场景和多隔断型场景，根据链路预算传播模型可知，由于建筑隔断会对信号传播产生较大的穿透损耗，不同的建筑格局对天线布放密度有较大影响。本次以某运营商近期设备、材料采购价格为基础数据，针对不同建筑格局和面积分别做传统无源室分、数字化有源室分、小基站射频分布系统的造价估算。对比结果如图5 所示。

图5 造价对比

根据图5 对比可以发现，数字化有源室分由于信源设备单价非常高，在建设成本上毫无优势[11]。传统无源室分在中、小面积场景中信源配置数量与面积不成正比，比如覆盖2 000 m2和5 000 m2场景通常都只需要1 个信源，导致单个信源所覆盖的面积越小，分摊到单位面积上的信源成本越高，在中、小面积场景中也不具备成本优势[12]。小基站射频分布系统射频远端机配置数量与覆盖面积成正比，设备低单价的优点使其在中、小面积覆盖场景中具备成本优势[13]。

4.3 适用场景

基于以上小基站射频分布系统的容量分析和造价对比分析，小基站射频分布系统在覆盖人数不超过480 人、覆盖面积不超过10 000 m2的中、小面积场景中具备室分建设成本优势。结合室分建设过程中遇到的常见场景类型，小基站射频分布系统主要适用于表4 所示场景[14]。

表4 小基站射频分布系统适用场景

以上覆盖场景中，中、小面积的空旷场景一般可采用内置天线的射频远端机为主的小基站射频分布系统，中、小面积的多隔断场景一般采用可外接室分天线的射频远端机为主的小基站射频分布系统[15]。

5 结束语

本文通过对试点方案进行链路预算、系统仿真和现场测试，预测和验证了小基站射频分布系统的覆盖效果，在此基础上进一步对小基站射频分布系统进行容量分析，并将其与传统无源室分和数字化有源室分进行造价对比分析，证明小基站射频分布系统在中、小面积室内场景的室分建设中具备成本优势，为中、小面积室内场景的低成本深度覆盖提供了非常好的解决思路。