基于错层的5G传统室内分布系统MIMO方案研究

［彭湘衡 吴组辉 杨一帆］

4G自2013年底正式商用，技术已趋于成熟，近年又出现许多更先进的技术，为满足不断增长的新业务和新应用需求，发挥新技术潜能，中国移动已规模开展5G室外宏站部署，目前已完成绝大多数城市城区室外2.6 GHz 5G基础网络搭建，预计接下来将有针对性地逐步推进5G室内分布系统覆盖建设。5G室内分布系统主要有传统DAS分布系统和分布式皮站数字化分布系统，由于现网已部署大量2/3/4G传统DAS室内分布系统，因此5G通过直接合路现网DAS分布系统具备改造成本低、快速引入5G信号的优势，但相比于分布式皮站的2/4流，传统DAS分布系统在用户速率上存在明显的劣势，难以满足高速率场景业务需求。

基于错层的室内分布系统MIMO方案是利用一个或多个RRU的不同通道进行联合接收和发送，通过上下楼层间天线联合传输利旧传统DAS室内分布系统具备多天线收发的能力，实现传统室分支持5G双流或四流覆盖的目的，低成本、快速提升5G用户体验速率。

两种方案的对比如表1所示。

表1 传统合路与错层方案接入与效果对比

通过错层方案可实现接近5G分布式皮站所达到的覆盖效果，同时可充分利旧现网2G/3G/4G建设的已有室内分布系统实现5G性能最大化，最大限度地保护旧有投资，同时减少在新建分布式皮站的投入，缩短5G室内分布系统覆盖项目建设周期。

1 方案原理

MIMO原理是发射端通过多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收，通过发送和接收多个空间流从而成倍提升用户速率。如图1所示，错层覆盖方案是针对原平层覆盖方案进行错层MIMO改造，通过奇偶楼层垂直面错层覆盖方案实现上下楼层间天线联合传输的立体MIMO效果。

图1 错层室分方案原理图

1.1 上下楼层信号差值分析

根据大量实践经验和数据总结，室内无线传播模型如下：

室内传播路径损耗（dB）=32.34+20log（d/km）+20 log（f/MHz）+10＊n＊log（d/d0）+R，式中f为信号频率，n为衰减因子，R为穿透损耗，指由于楼板、隔板、墙壁等引起的附加损耗，不同频率、材质下传播损耗如表2所示。根据上述分析，楼层地板穿透损耗约15～30 dB，终端离上下层天线距离传播损耗差值约8 dB，理论上错层覆盖终端接收场强差值在20～35 dB左右。对于部分商场、办公楼、厂房等场景楼层较为空旷，空旷区域终端接收本楼层及其他楼层的信号场强差异会更小，差异预计在10～15 dB左右，可以获取更高的双流/四流增益。

表2 不同材质下各频段穿透损耗

1.2 双通道不平衡下性能影响验证

为验证双通道功率不平衡情况下MIMO能力进行过测试验证，验证双通道功率差异分别在0～30 dBm下，终端平均接入的通道数（RANK），分别对错层实现双流和错层实现四流方案进行了验证。

如图2，根据测试结果，随着双通道不平衡差异的增加，MIMO下RANK数量逐渐下降，错层双流方案下双通道功率差异在25 dBm以下时基本RANK数保持为2，在30 dBm开始下降明显；错层四流方案下随着双通道功率逐渐差异加大，平均RANK逐渐下降，功率差异大于30 dB时，DAS双流错层实现四流方案已无明显增益，四流MIMO无法实现，因此建议基于错层的室内分布系统MIMO方案双通道功率差异在30 dB以内。

2 基于错层的室内分布系统MIMO实施方案

如图3所示，错层方案通过利旧原有4G单/双流分布系统，简单改造馈线连接方式，将奇偶楼层分布系统分别接入5G RRU信源不同通道，通过奇偶楼层错层覆盖产生双流/四流增益。

图2 双通道不同功率差异下定点RANK测试

图3 错层室内分布系统改造示意图

如图4所示，利旧原有4G单/双流分布系统可以通过两种方式改造馈线连接方式，实现将原来传统平层单/双支路改为垂直面的隔层双/四支路：

方式1：通过改造原有分布系统的垂直主干，将奇偶楼层的分支分别接入不同的通道实现垂直面的隔层双/四支路，本方案改造所需物资极少（馈线、合路器等即可），工序简单，改造成本低，由于需要对每个楼层的分支接入方式全部重新调整，对施工要求高，在馈线隐蔽较好的场景，施工难度较大。

方式2：原有分布系统保持不变，新建5G主干，将5G RRU不同通道分别隔层错开合路到原有分布系统的奇偶楼层，实现垂直面的隔层双/四支路，本方案需要新增5G主干及分支合路器，改造物资相对方式更多，施工难度相对更小。

图4 错层室内分布系统馈线改造实施图

3 实施效果测试

为验证不同指标下错层覆盖的提升效果，本次开展了试点测试，根据测试情况，错层双流相比传统单流平均下载速率好、中、差点均有提升，好点提升58%，中点提升49%，差点提升23%；错层四流相比传统双流平均下载速率好点提升33%，中点提升10%，差点提升8%，如图5所示。

图5 错层室内分布系统定点下行速率测试

如图6，在双通道功率差异在0～25 dBm下，下载速率均有所提升；随着双通道不平衡差异的增加，下载速率逐渐下降，当差异大于30 dBm时，DAS双流错层实现四流已无明显增益，DT下载速率已低于双流速率，建议错层部署下双通道功率差异在30 dBm以内。

图6 错层室内分布系统不同功率差异下下行速率测试

4 实施成本分析

基于错层的室内分布系统MIMO方案，在不改变原有组网结构的情况下，快速实现传统单路DAS双流、双路DAS四流的效果，无需新增硬件，提升传统DAS分布系统性能，保护原有分布系统投资。采用错层方案实现室内覆盖，即5G信源馈入传统DAS室分系统外加实施隔层多通道联合接收方案改造，改造单价约2.1万/平米（含信源）；而新建5G分布式皮站的投资成本约16元/平米左右，错层方案成本仅为新建皮站方案成本的1/8左右。错层方案下好、中点用户体验速率也接近于5G皮基站，达到了较少的投资实现数字化室分系统的性能，实现最佳的投资收益比。

5 结束语

基于错层的室内分布系统MIMO方案是基于传统DAS系统实现5G室内分布系统网络性能的提升，以最小的改造成本达到5G分布式皮基站的用户速率水平，同时具备建设周期短、成本低等优势，主要有以下特点：

（1）错层室内分布系统在现有分布系统基础上直接合路并作主干改造，获取MIMO增益，无须重新布放另一套分布系统，建设周期快，相对于5G分布式基站，改造成本仅为1/8，改造成本低。

（2）本方案要求在同一小区下方可实现多通道联合收发，仅提升用户速率，不可增加小区容量，建议主要在中低流量场景使用，对高价值高流量的室分新建站点，建议仍采用分布式皮站的数字化分布系统建设方式。

（3）双通道接收信号的差异会影响用户上下行速率，建议控制在25 dB以内，因此建议在金属天花、3层及以下楼宇、楼高超5米及楼层隔断多的场景，不采用错层覆盖方式建设。