5G 时代4G/5G 共天馈面解决方案

2021-05-17余勇昌张典丁明玲

电信科学 2021年4期

余勇昌，张典，丁明玲

（1. 中国电信股份有限公司研究院，广东广州 510630；2. 中国电信集团有限公司广州艾特实验室，广东广州 510630）

1 引言

随着网络建设的不断推进，多系统、多制式的技术特征导致天面数量不断增加，中国电信现有CDMA800、FDD1800、FDD2100 等制式的网络覆盖，未来4G/5G 协同组网将成为5G 发展的必然趋势。在未来的较长一段时间内，多系统将同时共存，多套系统的天线将会同时占用天面资源。多运营商共用、多系统共存等因素的存在将会进一步导致天面空间受限、站点承重受限以及安装环境受限三大挑战。随着2020 年5G 的大规模部署，天面资源的紧张程度将会进一步加剧。

2 5G 时代天馈面资源现状

本文对中国电信的省公司进行了调研，以中国电信股份有限公司苏州分公司（简称苏州电信）为例，分析天馈面资源的现状。苏州电信进行5G试点前，其天馈面资源调查统计分析如下：共统计了50 个站点，其中41.5%站点为楼面抱杆站，4.4%站点为普通楼面塔，36.0%站点为普通地面塔，15.3%站点为景观塔，如图1 所示。其中城区塔站占比58.52%，塔站中单天面（一个方向单天面）占比34.01%，如图2 所示。

图1 苏州电信天面资源分类调查情况

图2 苏州电信城区塔站天面情况

从以上站点分析结果可知，苏州电信城区站点34.01%站点为单天面部署站点，且天馈抱杆长度有限，一般只能装配长度在2.0 m 以下的天线。如图3、图4 所示。

图3 苏州电信的单管站

图4 苏州电信的楼顶塔站

图3、图4 站点均为铁塔公司的站点，中国电信站点均布局在第二层，单天面情况多数集中安装在这类单管塔及楼顶塔站。

图5 站点为电信单独部署站点，为单天面站点，由于抱杆高度受限，一个抱杆上还需要安装RRU（remote ra2io unit，RRU），只能放置2.0 m长的天线，无法在现有抱杆上再增加天面。

图5 苏州电信的楼顶站

另外，苏州新增站点23 个，其中2 个站点（占比9%）因居民投诉被迫拆除。后期通过对广州、成都、无锡等地实地勘察，各地勘察情况均与苏州勘察情况类似，其中广州某试点区域规划部署42 个站点，其中13 个站点（占31%）因物业反对而无法新增抱杆，如图6 所示。

图6 广州试点区域42 个站天面勘察情况

从以上天面资源情况调查统计分析可知，多数站点为单天面情况，无法新增天面资源。另外，部分站点存在物业协调难、新增站点难的问题，未来5G 天线部署将面临较大挑战。

3 5G 时代单天面部署解决方案

对于双天面场景，可通过一副多端口天线收编现有频段，为5G 天线腾挪一个天面抱杆，部署难度不大。针对铁塔单管、楼顶站等单抱杆场景，在增加部署3.5 GHz MM（massive MIMO，MM）天线时，有下面几种可能的方案。

腾挪方案：将现有的天面腾挪给5G MM 天线，原有天线整合为一副集束天线，如图7 所示。

图7 铁塔楼顶站-腾挪方案（集束替换原有天线）

加长抱杆：加长原有抱杆使其可进行双天面部署（垂直切分），如图8 所示。

新增抱杆：直接将单抱杆站点改造成双抱杆站点（水平切分），如图9 所示。

天面1:1 替换：用一副4G/5G 融合的天线替换原有的4G 天线，如图10 所示。

图8 电信楼顶站-加长抱杆方案（垂直切分）

图9 电信的楼顶站-新增抱杆方向（水平切分）

图10 电信的楼顶站-天面1:1 替换

由上面的分析可知，单天面情况下在增加3.5 GHz MM 天线部署时，共有4 种可能的方案，每种方案各有优缺点，现对每种方案根据不同的场景进行分析对比见表1。

表1 各方案单抱杆场景适用性对比

天面1:1 替换方案实现了4G/5G 共天馈面，简称此方案为“All in One”方案，即将4G、5G全部集合到一个天线内部。

从表1 可以看出，天面1:1 替换的方案适用于单天面的各场景，其他方案无法完全适用每种单抱杆场景。下面对各应用场景适用方案、主要投资成本、时间成本进行对比分析，详见表2、表3。

通过对比可知，天面1:1 替换适用各类场景，同时能减少铁塔租金等运营成本。同时，天面1:1替换，减少了物业协调时间及物业协调的费用，可快速建网抢占市场。因此，本文建议根据表4的不同场景选择相应的方案。

由于5G 天线产品形态存在差异，因此All in One 方案存在多种可能的类型及架构，不同的方案的架构存在各自优缺点，以下将详细介绍不同All in One 方案的架构设计、阵列设计、端口设计及不同设计方案优缺点。

表2 各方案主要成本对比

表3 各方案租金、施工周期成本对比

4 All in One 共天面解决方案

4G 时代天线为无源天线，5G 时代天线的形态主要有天线与RRU 合为一体的AAU（active antenna unit）方案和天线与RRU 分离的无源天线两种方案。因此，2G/3G/4G/5G All in One 共天面解决方案存在两种情况：2G/3G/4G/5G 全无源All in One 方案和2G/3G/4G 无源+5G 有源 All in One 方案。

表4 不同场景下方案选择原则

4.1 2G/3G/4G/5G 全无源All in One 方案

4.1.1 架构设计

在郊区和农村中低容量场景及城区高容量广覆盖场景，可采用8TR/16TR MIMO 5G 天线与4G天线整合为一副全无源All in One 的天线，其整体架构设计如下。

天线外形一体化设计，内部可采用2G、3G或4G（主要为4G）和5G 天线堆叠设计的方式，也可采用4G 和5G 天线融合设计方式，最后分别与2G、3G、4G、5G RRU 通过跳线连接。这种方式只需要更换一副无源All in One 的天线、新增5G RRU 即可实现4G/5G 信号全覆盖。全无源All in One 天线架构堆叠与融合设计如图11 所示，相比4G 天馈面来说，需要增加一个RRU 器件，从铁塔的租金计算来看，需要增加约10%的年租金。

4.1.2 阵列设计

由于全无源 All in One 天线内部可采用2G/3G/4G 和 5G 天线堆叠设计方式或采用2G/3G/4G 和5G 天线融合设计方式。因此，天线阵列的设计存在下面两种形式，鉴于目前铁塔天线迎风面积及尺寸要求，天线长度应小于或等于2.0 m，两种架构设计的天线内部阵列设计如图12 所示。

图11 全无源All in One 天线架构堆叠与融合设计

堆叠架构阵列设计沿用传统天线阵列设计，相当于将无源天线端口上移，在下方堆叠5G 的3.5 GHz 频段8/16 端口天线阵列。传统多频8/16端口已成熟，仅在下方堆叠3.5 GHz 频段阵列，实现难度不大。但因天线总长度限制为2 m，下方堆叠3.5 GHz频段后，800 MHz、1 800 MHz、2 100 MHz等无源频段的天线长度仅约1.2 m，如图12 左边的堆叠架构-阵列设计所示。由于长度受限，相应阵列数量会减少；且由于低频段阵子布局在上方，主馈线加长，导致线路损耗增大，这两个因素会导致800 MHz、1 800 MHz、2 100 MHz等无源频段的增益下降，从而导致网络覆盖质量下降。

融合架构阵列是将5G 8/16 端口天线阵列和无源天线端口阵列进行融合设计，如图12 右边的融合架构-阵列设计所示，是将传统无源天线的长度保持不变（2 m），在下方采用和5G 阵列融合的设计方式。由于阵列间距缩短，同时低频段阵子会遮挡3.5 GHz 频段阵子，阵列间耦合会加强，导致端口间隔离度变差，需要对阵列进行去耦设计。对于4G 频段，由于800 MHz 天线长度可以达到2.0 m，1 800～2 100 MHz 阵列长度约为1.5 m，全无源All in One 融合方案将保持增益基本不变，不影响网络覆盖。

图12 全无源All in One 天线堆叠与融合设计阵列对比

4.1.3 端口设计

All in One 天线的端面接口数急剧增加，将达到16/24 端口，端口数量增多，端面布局空间有限，如果按照现有7/16 连接器，会导致端面布局过于紧凑，工程安装极为不便，可采用4.3-10 连接器进行布局；而对于3.5 GHz 频段16 端口用4.3-10连接器布局过于紧凑，可以考虑采用集束连接头。

由于集束连接器的插针十分细小，无法承受过大的外力，在对接时，如果公接头和母接头产生相对移动，容易导致插针的弯曲甚至断裂，并且插针体积较小，外焊接线缆时不方便，焊接质量无法保证。因此，建议选用业界新推出的可靠性较高的MQ4、MQ5 连接器作为All in One 天线端口连接器，使All in One 中的5G 天线和4G 等无源天线端口满足工程安装的可靠性要求。

MQ4、MQ5 连接器与RRU 连接示意图如图13所示。

图13 MQ4、MQ5 连接器与RRU 连接示意图

4.1.4 全无源All in One 方案选择

通过以上分析，两种架构的天线主要区别在振子设计，融合方案需将不同频段阵子进行嵌套，而堆叠方案类似纯物理堆叠。堆叠方案实现相对容易，而融合方案阵子间距小，阵子间耦合增加，需要进行去耦处理，实现技术难度相对较大，两种方案详细对比见表5。

从表5 可以看出两种架构All in One 方案中，融合方案技术难度大，同时成本会高于堆叠方案，但是可获得一定增益收益。

4.2 2G/3G/4G 无源+5G 有源 All in One 解决方案

4.2.1 架构设计

目前5G 试验网主要是天线与RRU 合为一体的AAU 有源方案。要实现单天面场景下网络部署，需将2G/3G/4G 无源天线（主要为4G）与5G AAU 集合到一起的无源+有源All in One 方案，整体架构设计如图14 所示。

图14 无源+有源All in One 堆叠、融合设计架构

表5 两种架构All in One 方案对比

天线一体化设计，由于5G AAU 体积、重量均大于无源天线，难以封装于无源天线罩内部，所以只能采用物理堆叠的方式。而天线总体长度受限，堆叠后将导致无源天线的长度变短，低频段阵子减少，因此必须采用堆叠+融合的方式将4G无源天线阵子与5G AAU 进行一体化设计，以保证低频段的增益，实现无源+有源All in One 方案。

4.2.2 阵列设计

无源+有源All in One 架构的天线外形为堆叠设计，5G AAU 阵列存在两种设计架构：独立设计及融合设计。鉴于目前铁塔天线迎风面积及尺寸要求，天线长度应小于2.0 m，两种架构设计的天线内部阵列设计如图15 所示。

堆叠架构阵列设计（如图15 左边所示），天线阵列设计难度不高，只需要在4G 天线阵列上方堆叠3.5 GHz MM 阵列。但此种设计方式带来的问题是低频阵列（800 MHz）和中频阵列（1 800 MHz 和2 100 MHz ）的长度不满足（长度约只有1.2 m），从而导致增益下降。

堆叠+融合架构阵列设计（如图15 右边所示），5G MM 天线阵列和4G 天线阵列融合设计，将低频段（800 MHz）阵列延伸到5G MM 阵列中，设计难度较大。该方案阵列间距缩短，同时低频段阵子会遮挡3.5 GHz 频段阵子，阵列间耦合增加，导致端口间隔离度变差，需要进行去耦设计。该设计800 MHz 天线振子的长度可以达到2.0 m，1 800～2 100 MHz 阵列长度约为1.2 m，All in One 融合后低频段（800 MHz）增益将不会降低。

4.2.3 端口及级联设计

无源+有源All in One 的架构是基于堆叠加融合的设计方式，该方案除了将有源AAU 和无源天线阵列组合到一起外，同时需要将融合于AAU 内部的低频阵子与4G 天线阵列相连，4G 移相器和馈电网络集成于4G 天线内部。

有源和无源模块需要做防水处理，需要将射频接头通过外加防水线缆进行5G AAU 和无源天线的上下级联。考虑到防水及接头美观要求，级联接头建议采用MQ4 连接器，该连接器满足防水性能要求，同时施工简单。堆叠+融合方案级联设计如图16 所示。