5G时代电梯室内分布系统解决方案探讨

陈宜漂 安 刚

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

随着5G时代的商用，室内分布系统的部署越来越迫切，而5G丰富的业务特性，使得5G时期室内容量需求进一步增长，业界预测未来超过85%的业务发生在室内。室内一些空旷，隔间少，阻挡小的区域，5G信号覆盖可以通过5G宏站部署解决；对于5G容量需求高的区域，诸如学生公寓、医院、高级酒店等场景，可以通过部署光纤数字化的5G室内分布系统解决。但是对于室内分布系统中的电梯场景，由于其对宏站信号屏蔽严重，而建设数字化5G室内分布系统覆盖电梯投资大，投资回报率低，因此如何经济有效地解决电梯5G信号覆盖，具有重要意义。本文提出无线电梯直放站解决电梯5G信号覆盖，解决当前电梯覆盖遇到的建设难点和投资痛点的问题。

1 传统电梯覆盖方案

1.1 传统电梯覆盖方案简介

传统的电梯覆盖方式以RRU或光纤直放站作为信源，沿电梯井道每3-4层安装1副天线进行覆盖，或电梯厅部署天线。还有基于这两种覆盖方案的变形，比如采用近端机远端机的光纤直放站方案，电梯井道采用网线部署，或者使用漏缆等。但无论如何，这些方案都需要新增信源以及电梯井道布放线缆，需要相应的传输配套。

1.2 传统电梯覆盖方案缺点分析

传统电梯覆盖方案主要存在以下几方面问题：

（1）协调任务重。涉及信源设备安装、天线安装、光缆路由、馈线部署等，需要和电梯公司或者物业公司协调的施工点多。

（2）施工困难，建设周期长。需要安装信源设备，敷设光缆以及建设相应的传输配套，且电梯井道敷设馈线和安装天线施工难度大。

（3）馈线连接，5G信号损耗大。这是传统DAS向5G演进所面临的最大挑战。5G频段高，传统DAS方案不适合用于5G覆盖。

（4）投资高，投资回报率低。一方面信源成本高；另一方面需要相应的传输配套，配套建设成本高，如果采用光纤数字分布系统，造价更高。实际上电梯场景人员滞留时间短，容量需求小，产生的经济效益低，造成投资回报率低。

2 新型无线电梯直放站覆盖方案

2.1 新型无线电梯直放站构造

对比现有方案的缺点，新型无线电梯直放站要具备以下特性：

（1）施工节点少，施工简单；

（2）无馈线设计，电梯井无线缆敷设；

（3）不新增信源；

（4）无传输配套；

本文提出二级放大新型无线电梯直放站，室外到电梯井内设计一级直放站，电梯井到电梯轿厢设计二级直放站。无线直放站全部采用有源设备，接收天线和发射天线用光电复合缆作为传输介质，不再使用无源器件和同轴电缆。新型无线电梯直放站设计成二级放大的优点在于：

（1）通过分级放大，减少每级放大器的增益，更容易满足直放站增益与隔离度的要求；

（2）符合电梯覆盖场景，高层电梯井使得一级放大信号无法有效覆盖电梯轿厢，通过将电梯井的无线信号接收并放大馈送到电梯轿厢，覆盖效果更好。

（3）方便引电，电梯井上方是电梯机房，一级直放站安装在电梯机房，二级直放站安装在电梯轿厢，电梯机房和电梯轿厢接电方便。

根据不同层高的电梯，新型无线电梯直放站的组成结构不一样，具体分为以下三类：

对于低层电梯，新型无线电梯直放站采用一级放大无线直放站覆盖，由无线接收模块、信号放大器、无线发射模块组合起来，如图1所示。

图1 低层无线电梯直放站结构图

（2）对于中高层电梯，采用二级无线直放站覆盖，由电梯机房的一级无线接收模块、有源信号放大器模块、无线发射模块和电梯轿厢上的二级无线接收模块、二级有源信号放大器、二级无线发射模块组成，如图2所示。

图2 中高层无线电梯直放站结构图

2.2 新型无线电梯直放站原理

新型无线电梯直放站采用有源天线作为接收和发射天线，信号放大器使用220V交流电，采用光电复合缆作为传输介质。总体来说分为3个模块：信号接收模块、信号放大模块、信号发射模块。5G无线信号经过信号接收模块，将无线射频信号转换为光电信号，光电信号经过光电复合缆传输到信号放大器，放大后的光电信号经过光电复合缆到达信号发射模块，发射模块将光电信号转换为射频信号发射出去。图3是无线电梯直放站工作原理图。

图3 无线电梯直放站工作原理

2.3 新型无线电梯直放站覆盖方案

一级直放站接收天线安装在楼顶信号接收良好的位置，要求四周无遮挡，如电梯机房顶部。发射天线安装在电梯井顶部，有源信号放大器安装在电梯机房，接220V交流电。二级直放站的接收天线和有源信号放大器安装在轿厢顶上。二级直放站的发射天线安装在轿厢内，二级直放站接收天线将电梯井内一级直放站馈入的宏站或微站信号放大，通过轿厢内的发射天线将信号发射到电梯内，实现电梯内信号良好覆盖，如图4所示。对于低层电梯，没有二级放大，轿厢单元上不需要装二级直放站，通过一级直放站的发射天线覆盖电梯即可使轿厢内信号达到覆盖要求，如图5所示。

图4 新型无线电梯直放站中高层覆盖示意图

图5 新型无线电梯直放站低层覆盖示意图

3 新型无线电梯直放站分析

3.1 新型无线电梯直放站优点

概括起来，新型无线电梯直放站主要具有以下优点：

（1）全套系统不再使用馈线作为信号传播媒介，适合未来5G部署，解决了传统室内分布系统馈线覆盖方式对5G信号衰减大的问题。

（2）不需要设计传输配套，节约传输资源。5G部署按照C-RAN机房组网，对缓解C-RAN组网的纤芯资源压力具有重大意义。

（3）投资小，施工方便，建设周期短。不新增信源和对应的传输配套，各设备模块安装简单，电梯井内无线缆布放，能够实现快速建网。

（4）全为有源设备，便于监控故障点，方便维护。

3.2 新型无线电梯直放站指标要求

（1）增益要求

直放站的引入会降低宿主基站接收机的灵敏度，进而影响宿主基站的覆盖面。接收机灵敏度跟噪声系数、信号带宽、解调信噪比等有关，一般来说灵敏度越高（数值越低），说明其接收微弱信号的能力越强，但也带来容易被干扰的问题。对于接收机来说，灵敏度能满足使用要求即可。接收机灵敏度S计算公式如下：

其中NF为接收机规定的最大噪声系数，是设备（单级设备，多级设备，或者是整个接收机）输入端的信噪比与这个设备输出端的信噪比的比值。R*BW是接收机的每个信道带宽，SNR是根据所选择的调制和编码方案要正确解调时所需最低的信噪比。IM是实施余量，包括分集损伤，DiversityGain表示分集增益。

假设直放站施主天线接收到的5G信号为Rx，5G基站输出功率为Tx，则链路损耗为Tx-Rx，无线直放站上行增益Gu，无线直放站产生的白噪声为No，噪声系数Nf，则直放站到基站接收机功率为：

上行信号对基站的增量噪声为ΔN：

对于二级级联直放站，用Gu2、Tx2-Rx2表示二级直放站的增益和二级直放站到一级直放站的链路损耗，为简化计算，假设每级直放站具有相同的级联噪声系数，即：

则二级直放站上行信号对基站的增量噪声ΔN级为：

满足（4）式时，无线直放站产生的噪声淹没在接收机噪声下，无线直放站的噪声不会对宿主基站产生影响；进一步可以分析直放站级联对宿主基站接收机灵敏度的影响。

（2）隔离度要求

无线直放站上行增益Gu，下行增益为Gd，上行隔离度和下行隔离度分别为Iu和Id，根据直放站自激条件，以下两者同时满足才会产生自激：

因此直放站隔离度满足Id+Iu>Gd+Gu，即可避免自激。实际使用中施主天线与重发天线的隔离度比直放站增益大于15dB，才能稳定工作。

3.3 新型无线电梯直放站对宿主基站容量的影响

由于电梯内人流较少，一般一部电梯满载不超过15人，每人在电梯内的流量平均20M/S，假设5G市场占有率最高的运营商用户数占比70%，用户并发率50%。有规定，电梯从底层到顶层在空载情况下运行时间不超过1分钟，假设电梯满载运行区间平均30秒，则一部电梯给宿主基站额外增加的流量为3150M，增加的容量远小于5G单载波容量，因此不会导致宿主基站网络拥堵。

3.4 新型无线电梯直放站共建共享展望

电梯空间狭小，电梯信号建设需要电梯公司或者物业配合，因此电梯覆盖要解决共系统共建问题，实现共建共享。新型无线电梯直放站的信号接收模块和信号发射模块按照共建共享要求设计，使信号接收模块和信号发射模块同时支持各家运营商5G信号的调制解调，同时满足不同运营商的5G频段隔离度要求，实现一家承建，多家共享的目标。

4 结束语

本文在5G正式商用的背景下，结合电梯覆盖场景，在考虑电梯人流、话务量特点以及电梯覆盖的必要性情况下，提出5G无线直放站电梯覆盖新型方案。方案给出了新型无线电梯直放站在低层电梯，中高层电梯两种不同电梯场景下的直放站构造。针对无线直放站对宿主基站的影响，分析了新型无线电梯直放站增益和隔离度指标要求。全套直放站不再使用馈线和无源器件，适应未来高频段通信技术发展需求。5G无线直放站构造简单可行，对于低成本快速建设电梯5G网络具有重要指导意义。5G网络建设各运营商处于同一起跑线，快速建设5G网络覆盖对运营商提高市场竞争力，保持网络优势，具有重要意义。