5G低成本有源室分解决方案探讨

邱太勇 江西省邮电规划设计院有限公司 南昌市 330002

0 引言

5G的eMBB高速率、uRLLC低时延、mMTC大连接三大业务应用场景将更多地发生在室内。根据相关研究报告和4G现网流量分析，2C数据业务的70%将发生在室内，而对于2B应用（如工业互联网、远程医疗、智能家居、智慧城市等）众多业务也大都以室内为主，由此可见5G室内覆盖的重要性。然而，5G将采用3.5GHz及更高的频率，其传播损耗和穿透损耗更大，单站覆盖范围更小，出现室外站难以覆盖室内，传统DAS室分馈线损耗大、器件不支持等新覆盖难题。同时5G将采用MIMO来增强网络容量和速率，采用多路DAS室分或pRRU有源室分存在建设成本高难题。可以预见，楼宇室内深度覆盖将成为5G网络建设的最大挑战，本文将探讨兼顾覆盖与容量的有源室分+外接天线的低成本5G室分解决方案，以解决上述的两大难题。

1 5G现有室分解决方案分析

1.1 5G无源室分解决方案

受无源D A S室分器件、馈线的技术限制，低于2.6GHz频段的5G设备仍可以采用“室分信源+DAS分布系统”的建设方式。目前我国已经批复5G商用中频频段，中国电信与联通获得2.1GHz共55×2 MHz频段，中国移动获得2.6GHz共160MHz频段，可以采用5G无源室分解决方案。采用2.1/2.6GHz RRU作为5G信源，将5G信号合路到馈线分布系统中，再通过将信号功分或耦合到不同楼层的吸顶天线，实现对信号的覆盖。

本方案适应于对现有4G室分系统改造，以引入5G信号。利旧改造可再细分为2种不同的解决方案，一是利旧原单路馈线分布系统，实现1T1R（1发1收）；二是利旧一路原馈线分布系统，并再新建一路新的馈线分布系统，实现2T2R（2发2收），这种双路的方案成本更高，但网络容量和速率能提升60%以上。但为了提升5G速率及容量性能，通常需要新建2路或4路无源DAS室内分布系统，将带来建设成本进一步增加，所以本方案主要适用于低容量的覆盖需求场景。

图1 5G无源室分系统（DAS）组网架构示意图

1.2 5G有源室分解决方案

3GPP技术标准中采用有更大可用带宽的高频通信、多天线MIMO等技术，来提升5G速率及容量，同样，针对高流量、高价值等容量需求场景，可以基于3.5/4.9GHz的设备，采用有源室分解决方案。但此方案的设备及工程造价高，对于容量和覆盖兼有的场景性价比低。

5G有源室分系统也称为毫瓦级分布式小基站，一般由基带单元（BBU）、汇聚单元（RHUB）和远端单元（pRRU）组成，基带单元与汇聚单元通过光纤连接，汇聚单元与远端单元通过网线或光电复合缆连接，远端单元通过POE供电。

图2 5G有源室分系统组网架构示意图

2 5G低成本室分解决方案探讨

2.1 5G有源室分+外接天线解决方案

对于内部隔断较多、覆盖和容量兼有的楼宇，若采用现有5G室分解决方案存在效果差或投资大的问题。为此，可采用5G有源室分+外接天线解决方案，通过3.5/4.9GHz大带宽有源室分满足速率及容量需求；采用外接无源天线，降低对pRRU设备需求，并可延伸到房间内以抵消墙体穿透损耗，以满足覆盖要求，从而降低建设成本。

图3 5G有源室分+外接天线组网架构示意图

针对不同的容量及速率需求和建筑物内房间隔断情况，可将pRRU设备的外接射频端口进行不同组合，对于有一定容量需求、中等价值的场景可采用1个pRRU拖2个无源天线点位方案，实现5G双通道信号覆盖，提升用户峰值速率和容量；对于房间隔断多、以覆盖为主的低价值场景可采用1个pRRU拖4个无源天线点位方案，实现5G单通道信号低成本覆盖。

2.2 覆盖规划

适合室内覆盖链路预算的传播模型一般有自由空间传播模型、衰减因子模型、Keenan-Motley和ITU-R P.1238等，业界推荐使用ITU-R P.1238室内传播模型进行单天线覆盖半径估算。传播模型的公式如下：

该传播模型的参数说明如下：

表1 距离损耗系数N参考取值

表2 穿透损耗系数参考取值

表2 穿透损耗系数参考取值

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ITU-R P.1238室内传播模型可分为视距（LOS）、非视距（LOS）两种传播环境。对于视距（LOS）传播是以自由空间传播损耗为主，距离损耗系数N约为20，穿透损耗系数Lf(n)为0，传播模型可简化为：

由此，进行室内链路预算，其过程和结果如下表所示：

表3 3.5GHz有源室分+外接天线低成本室内覆盖链路预算表

假定运营商对5G室分目标网的覆盖指标为：-RSRP≥-110dBm、SINR≥-3dB。从上表可以看出，当手机离天线间距离在10米时，可以满足覆盖指标要求，因而取定单天线的覆盖半径为不超过10米。

天线点位设置应尽量靠近目标覆盖区域，但距离用户终端较远时，可以通过更换7/8馈线、天线点位入房间等方法解决；应考虑与其它无线通信系统之间隔离要求；并应控制室内信号外泄，如天线安装位置距离窗口2米以内，可改用外接定向天线方法控制室内信号向外泄露。

2.3 容量规划

室分容量规划流程可分为用户容量需求估算、单小区容量能力估算。根据业务的话务模型（业务类型、业务速率、业务渗透率），预测用户数，估算用户容量需求。再根据室分信源设备的频率、带宽、通道等参数，估计单小区容量能力，对上下行信道分别估算支持的连接数能力，最后估算小区数量=用户容量需求/单小区容量。再进行室分小区规划。

图4 室分容量规划流程

5G初期以信号覆盖为主，可以按楼栋或多个楼层为单位来划分有源室分小区，一个小区可包括多个pRRU，以减少小区间的切换和干扰。电梯厅尽量使用与电梯同小区信号覆盖，确保电梯与平层之间的切换在电梯厅内发生。必须在同一楼层设置两个以上小区的，切换区域应尽量避开话务密集区。合理利用隔断阻隔两个相邻的同频异PCI小区，减少小区间干扰。

5G后期，随着5G用户及业务不断发展，可根据建筑物的容量需求及厂商设备支持的小区分裂和合并能力，灵活进行小区规划，可基于每个楼层、每个房间或甚至每个pRRU进行小区划分，以提升室分容量。

2.4 工程应用

2.4.1 低成本案例介绍

某市政府行政服务中心要采用3.5GHz频段进行5G室内信号覆盖，该大楼有1栋15层主楼、2栋裙楼，建筑面积约11万平米。用户为政府工作人员和外来办事人员，主要业务需求是5G eMBB高速率上网及政务查询，考虑对网络速率、容量要求不高，设计了单路、双路5G有源室分+外接天线两种方案，技术经济比较如下表：

表4 3.5GHz有源室分+外接天线低成本室内覆盖方案比较

由上表可以得出，单路（1拖4）比双路（1拖2）可节省30%投资，比常规四路有源室分可节省60%投资，测试的下行峰值速率可达400Mbps；双路（1拖2）比常规四路有源室分可节省40%投资，测试的峰值速率下行可达900Mbps、上行可达170Mbps。

2.4.2 工程应用建议

不同室内场景对于容量需求存在差异性，5G室内场景根据容量需求可以划分为覆盖、体验、容量三类场景。每类场景又对应着不同的具体楼宇，覆盖场景包括办公楼/写字楼、停车场；体验场景包括医院、CBD/商业综合体、娱乐场所、宾馆酒店、咖啡厅/餐馆；容量场景包括交通枢纽、会展中心、体育馆、高校等。

5G低成本有源室分+外接天线的应用建议：覆盖场景对于网络速率、容量的需求低，运营商可接受建维成本低，优选1拖4单路（1T1R）室分组网；体验场景对于网络速率、容量需求适中，可接受建维成本居中，优选1拖2双路（2T2R）室分组网；容量场景对于网络速率、容量需求高，可接受建维成本高，优选四路（4T4R）室分组网。

3 结束语

5G室内深度覆盖应结合用户业务需求，基于不同业务场景来选择高性价比的5G室分解决方案。对于内部隔断少、较为开阔的高价值场景，优先采用有源室分方案，确保网络容量、提升用户体验；对于内部隔断较多的中价值场景，优先采用有源室分+外接天线方案，降低建设成本。对于低价值楼宇，可考虑采用2.1/2.6GHz无源室分合路/新建方案，进一步降低建设成本。从而低成本、高效快速地实现5G室内覆盖，支撑5G应用规模发展。