5G时代室内覆盖解决方案研究

1 引言

国内通信行业经历过2G、3G、4G三个高速发展期，目前正在迈向万物互联的5G时代，依靠广大通信从业者长期艰苦卓绝的奋斗，我国已由2G时代的行业“跟随者”一跃成为5G时代的行业“引领者”。随着5G技术的应用，移动通信服务的对象包罗万象、广泛分布于地上地下各个角落，无线信号的穿透损耗随应用频段的日益提高而越发严重，传统宏蜂窝为主的无线网络架构难以满足覆盖需求，移动通信网络已逐渐演变为宏微结合、室内外协同的异构网，室内覆盖的重要性日益凸显，其解决方案也愈发多样化。

2 室内外综合覆盖研究

据统计，4G时代移动通信70%的新型业务发生在室内，室内无线信号覆盖的好坏直接关乎用户体验和运营商网络口碑，室内覆盖的建设对于移动网络来说至关重要。通过对现有移动网络进行分析可知，室内无线覆盖主要通过以下两种方式实现：

（1）外部穿透：利用无线信号的穿透和绕射能力，使得室外站信号经过一定衰减后传播至室内，当室外站足够密、信号足够强时可实现一定程度的室内覆盖；

（2）内部覆盖：信号直接引入室内，并利用分布式天馈覆盖室内，避免了穿透损耗，从而以比较低的功率均匀达到室内各处覆盖。

受限于基站发射功率以及建筑物或构筑物阻挡产生的穿透损耗，部分体量较大的建筑物、地下空间、隧道等场景存在信号覆盖盲区；另外部分建筑内部通信需求业务密度较大，仅靠室外宏基站的容量难以满足室内覆盖需求。室内分布系统可以有效解决这些室外基站无法解决的室内信号差、信号紊乱、容量不足等问题。

形象地说，移动通信网络架构与原始热带森林的植被生态颇为神似：宏基站就像高大的乔木支撑起森林的立体空间，吸纳着最广阔的阳光；室内分布系统则是充斥林间的藤蔓，收集着乔木无法触及的光线；微基站就像底部低矮的灌木和蕨类，采撷着森林底层斑驳的余光。因为室内分布系统单位面积覆盖成本较高，在投资有限的情况下，如何平衡移动网络宏基站、微基站和室内分布系统的覆盖场景、建设规模、建设时序，对于移动网络建设来说非常重要。

3 室内覆盖基本理论

在进行室内覆盖方案设计之前，需要了解一些基本的理论和工程常见问题，如室内无线信号传播模型、链路预算、业务预测及频率规划、室内覆盖优化调整等，本节将对室内覆盖基本理论进行简要介绍。

3.1 室内无线信号传播模型

进行室内覆盖方案设计前，首先需对室内环境无线信号传播特性进行分析。常用的室内无线信号传播模型——Keenan-Motley（式 1）

式中

k : 电波传输穿透的楼层数；

F : 楼层损耗因子，单位dB；

p : 电波传输穿透的墙壁数；

W : 墙壁损耗因子，单位dB；

D : 长度衰减因子，单位dB/m；

dь : 室内断点距离，单位m；

工程中，该模型一般简化为（式2）

式中

α：其它物体、楼层、障碍物的损耗

如表1所示，为常见建筑物材质在Sub 6 GHz穿透损耗统计表：

表1 不同材质的穿透损耗（dB）

在可视通的无线环境下,自由空间损耗可简化为（式3）：

衰落余量，室内一般取：10～15 dB

3.2 链路预算

通过室内信号传播模型的分析，可计算出在室内任何位置相对于信号发射点的空间损耗。但仅通过此损耗量仍无法判断该点的信号强度是否能满足无线通信的正常进行。为此，需引入链路预算的概念：即信号从信源发出，经过信号传输系统的传播后由天线发射，再经过自由空间传播，最后到信号接收终端的信号测算方法（式4）。

通过式4便可以计算出满足通信流程所需的最低信号输入功率，为室内分布系统的设计提供必要理论依据。

3.3 室内业务预测及频率规划

在具体室分系统设计时，需要根据覆盖区域的面积、人口分布密度、潜在用户占比、用户业务模型等信息，核算出目标区域的业务区量密度，进而在信源设计时加以考虑，按需匹配各室分小区的覆盖规划。

例如，某高铁隧道，全长 3 120米，已知在隧道 3 120米范围内，最多同时有 2列客车对开，在上述条件下来进行业务量的预测：

（1）最高客流量分析

结合国内在轨运行客运列车的情况可知，复兴号CR400BF动车组一般每列编组8辆，定员576人，重联时最多1152人；和谐号 CRH1、CRH2一般为8辆编组，而和谐号CRH1B型1列16厢，额定载客量为1 299人，和谐号CRH2B/E/C/型1列16厢，额定载客量为1 230人，由此可知隧道最大流量约为1299＊2=2598人。

（2）某运营商话务需求（以2G为例）：

① 2G网用户规模(某运营商市场占有率取30%，2G占有率35%)：2598×30%×35%=273人；

② 2G网话务需求容量(单机用户忙时话务取0.02 Erl)：273×0.02=5.45 Erl；

③ 2G网载频需求(呼损按0.02，负荷按70%考虑)，话务需求约5.45÷70%=7.79 Erl 查爱尔兰表得，所需信道数为9个，共需2载频。

（3）频率规划

对于GSM网，优先使用室内覆盖专用频率，若无专用频率，则需对目前网络频率计划仔细分析后，按以下方式进行规划：

① 不选择邻近小区的频率，尽量不选择这些频率的邻频；

② 借助专用设备扫描来确定系统可用频率后采用。

对于频带较宽的3/4/5G网络，可直接采用适用于室内覆盖的载波进行覆盖，容量不足时可采取多载波、载波聚合方式解决；当某网络因频点受限导致容量无法满足时，可采取拆分小区覆盖范围的方式进行调整。

3.4 室内覆盖的优化调整

室内覆盖的优化调整类似于宏站，需特别注意以下几个方面：

（1）话务调整

① 如果小区覆盖区域正常但不能有效吸收话务；则应该增加基站发射功率；若功率已无法加大，则考虑增加天线数量。

② 反之，如果小区覆盖区域过宽，吸收话务过大；则应该降低基站发射功率；若功率已无法减小，则考虑使用衰减器。

（2）覆盖区域调整

① 如果小区覆盖区域不正常，则应改变天线配置或使用衰减器。如果天线数量过少，将很难得出合适的室内覆盖。

② 如果小区覆盖过大或过小导致手机附着的小区不合理，则应调整手机接入网络的最低下行接收电平等参数。

（3）干扰调整

如果出现室内小区间相互干扰，则可以通过功率调整解决。如果调整后导致覆盖区域过小，则应考虑使用更多天线来覆盖该区域。

4 常用室内覆盖解决方案

在5G大规模应用之前，国内2/3/4G网络的频段主要集中在800～2 700 MHz，相关室内覆盖解决方案已经非常丰富，其技术产品已形成体系并拥有成熟的产业链，主要有无源室分、泄露电缆、光钎分布和有源室分布等四大类，具体介绍如下。

4.1 无源室内分布系统

无源室分分布系统是目前应用范围最广泛，使用频率最高、技术最为成熟的一种技术手段，几乎可用于解决各种常规的建筑物内部空间信号覆盖问题。

由图1可知，通过合路器/POI，可将需要解决覆盖的各制式移动网信号合路到一起，然后通过各类型的室分器件如馈线、功分器、耦合器等将无线信号均匀地分配到各个室分天线，从而达到均匀覆盖所有室内覆盖目标的预期。

另外，针对一些业务密度不是特别高的高层楼宇，为降低建设成本，传统无源室分只考虑用于覆盖地下停车场和电梯，而平层覆盖则采用定制的水平和垂直波瓣天线从室外覆盖解决，称为室分天线对打方式，如图2所示。

图1 无源室内分布系统示意图

图2 室分对打覆盖方案示意图

4.2 泄漏电缆分布系统

泄露电缆集信号传输功能和天线信号辐射功能于一身，通过在外导体上开合适的槽孔，可将电磁波能量沿漏缆均匀地收发，实现无线信号的覆盖。根据泄漏电缆的径向辐射角度可将其划分为两类：

传统泄漏电缆，径向辐射角度一般不超过120°，通过在外导体上开合适的槽孔实现，如八字槽、矩形槽、U型槽、V型槽等，常用于覆盖面较窄的狭长区域，如地铁、隧道、采矿巷道、溶洞等狭长空间。

广角泄漏电缆，径向辐射角度达170°，此泄漏方式主要由裂变的缝隙阵列组构成，其辐射效果与典型室分系统一致，对于金属封闭吊顶、全钢筋混凝土隔断或多层隔断的办公室、纵深超过漏缆覆盖范围等情形不建议使用广角泄漏电缆。

4.3 光纤分布系统

光纤分布系统主要由接入单元、扩展单元、覆盖单元组成，利用光纤和双绞线取代同轴电缆，并用数字域传输取代射频传输。如图3所示。

针对不同场景，采用光纤分布系统覆盖的方案建议如下：

① 隔断较少的空旷大卖场、地下室等场景，通过布放天线一体化远端射频单元直接覆盖；

② 针对住宅小区优选光纤分布系统，通过布放天线一体化设备形成楼间对打的方式对室内进行覆盖，同时采用传统方式或随缆方式对电梯进行覆盖；

③ 针对写字楼、酒店、商住楼宇等隔断较多的公建楼场景，有选择地进行光纤分布系统建设。

图3 光纤分布系统示意图

4.4 有源室内分布系统

有源室内分布系统由基带单元（BBU）、扩展单元（RHUB、Pbirdge、IRU）和远端单元（pRRU、DOT）组成，利用光纤、网线或光电复合缆实现基带单元、扩展单元和远端单元的连接，远端单元通过POE供电，其系统架构如图4所示。

有源室分设备具备安装灵活、容量可调、兼容性强、监控方便、可实现4＊4MIMO等特点，可广泛布设于各类室分场景，尤其是传统室分系统扩容困难的地铁站、候机楼、会展中心、高档写字楼、高校图书馆、宿舍楼等超高密度流量热点区域，有源室分的优势更加明显。

图4 有源数字室分构成示意图

4.5 常用室内覆盖解决方案对比

根据上述介绍，结合实际工程中的应用情况从覆盖方式、网管监控、扩容、共享、建设成本及应用场景等方面进行对比，可对这四大类室内覆盖技术有更整体的认知,如表2所示。

5 5G对室内覆盖的影响

近几年全球刮起一阵又一阵5G热潮，“5G改变社会”已逐渐成为人们共识，5G网络将深入到社会各行各业，承载起增强现实（AR）、虚拟现实（VR）、智慧家庭、自动驾驶、远程医疗、工业制造等应用。另据预测，5G时代室内业务占比将达85%以上，保持室内信号的良好覆盖愈加重要。

表2 常用室内覆盖解决方案对比

随着2018年底国内5G试验频率的发布，我国移动通信网络将迎来3.5 GHz和4.9 GHz频段，宏基站对于室内的有效覆盖将大幅弱化，室内覆盖建设的将大大增加。

另一方面，现网中大量传统无源室分系统的器件只支持到2.7 GHz，馈线在3.5 GHz以上频段因传输损耗过大也将无法使用，因此5G网络无法融入传统无源室分系统，同时随着5G远期毫米波的应用，传统无源室分系统将更加边缘化；光纤分布系统虽可实现运维可视化，但仍需连接RRU作为信源，不利于网络长期扩容和系统平滑演进；有源室分作为最新的室分解决方案，可有效解决这些痛点。

由此可知5G时代有源室分将成为主流解决手段，新建站可采用多模有源室分系统实现4/5G的同步覆盖；考虑到2/3/4G时代留存的庞大传统无源室分系统资产在一定时期内仍具有巨大的应用价值，改造站可在存量室分的基础上叠加5G高频有源室分，实现多网的共同覆盖。

6 总结

随着5G时代的到来，移动业务日益向室内富集，大带宽、高容量、低时延的刚性业务需求日益突出，高频段带来的穿透损耗激增使室外基站对室内的有效覆盖大大降低，这些都促使室内覆盖建设的重要性日益突出。本文从室内外综合覆盖、室内覆盖基础理论、室内覆盖解决方案及5G对室内覆盖的影响等方面进行研究，为后续研究者在5G室内覆盖方面提供参考。