绵阳市科技城的5G室内覆盖方案分析

廉凯

（天津宏建工程设计咨询有限公司）

1 国家及相关部门关于5G的政策

2016年12 月，国务院印发《“十三五”国家信息化规划》，提出“到2020年，5G技术研发和标准制定取得突破性进展并启动商用”的发展目标[1]。

2016年12 月，工信部发布《信息通信行业发展规划2016-2020》，提出支持5G标准研究和技术试验，推进5G频谱规划，启动5G商用[2]。

2019年5 G应用从移动互联网走向工业互联网，国家政策对5G的重视度不断上升。2020年中央政治局会议、国务院常务会议等会议和相关文件多次强调“加快5G商用步伐”。

为深入贯彻落实习近平总书记关于推动5G网络加快发展的重要讲话精神，全力推进5G网络建设、应用推广、技术发展和安全保障，充分发挥5G新型基础设施的规模效应和带动作用。工信部发出通知，包括加快5G网络建设部署、丰富5G技术应用场景、持续加大5G技术研发力度、着力构建5G安全保障体系和加强组织实施[3]。

根据工信部“2020年通信业统计公报”统计，2020年5G网络建设稳步推进，新建5G基站超60万个，全部已开通5G基站超过71.8万个，其中中国电信和中国联通共建共享5G基站超33万个，5G网络已覆盖全国地级以上城市及重点县市[4]。

2 建设5G室内分布系统的意义

随着我国移动互联网的不断发展，连接到移动网络中的设备数量也有所增加，这就导致移动数据的流量需求呈逐年上升的趋势。

5G技术是为应对三大通信场景（eMBB、mMTC、URLLCD）提出的实现方案。其三大技术特点是高速率、大容量和低时延。5G的高速率目标是10Gb/s，相当于4G网络理论峰值速率150Mb/s的68倍；国产5G技术可达到每km2连接至少100万个物体；1ms往返行程时延，相当于4G往返时间（10ms）的十分之一。

由于5G网络工作在C频段和毫米波频段，链路损耗更高，致使5G室外基站覆盖室内弱场区域相当困难[5]。5G信号仅能穿透最多一堵墙[6]。另外，4G时代，大部分的业务发生在室内场景；5G时代，室内场景将依然是业务发生的主要场景。物联网业务的崛起，室内的无线业务终端带来海量的连接数需求[7]。因此5G网络的室内覆盖深度是提升5G用户体验的必要条件。

3 国内外5G应用进展

行业应用是5G产业发展的重点，各国发布多项政策以加速5G融合应用的创新发展。韩国在积极探索智能工厂、智能城市、5G医疗、自动驾驶、智慧交通、文化产业、机器人、城市公共安全和应急等领域的创新。欧洲的运营商在积极开展工业互联网、医疗健康、智慧交通、娱乐媒体等多领域的5G行业应用试验。美国的运营商在工业互联网、医疗、车联网、智慧城市等领域开展应用试验，包括基于AR/VR的员工培训及定位、远程诊断和紧急救助。日本的应用包括面部识别、远程医疗、智慧农业、灾难响应、智慧安防等[8]。

中国在政府和产业的共同推动下，5G融合应用正在从试点示范逐渐向商业化发展，运营商和行业企业主导的5G应用方案已超过1000个，高清视频、医疗健康、智能制造、智慧交通等领域5G应用已进入初步落地阶段。日前产业界正在积极探索5G+金融应用场景，包括新型5G金融终端、5G服务机器人等产品。新兴的智慧能源也通过深度融合云计算、大数据、物联网、移动互联网等先进技术，构建安全、可靠的能源管控系统，促进资源集约利用，满足用户对市电、光伏、储能、风电、燃气和水等多种能源需求。智慧能源在引发能源革命、促进能源产业变革、促进建筑节能等方面有促进作用。

4 国内5G频谱分配

2018年11 月，工信部向三大运营商及中国广电分配了5G频谱。分配情况如图1所示。

图1 5G频谱分配图

5 5G室内覆盖面临的挑战

5.1 频率选择

以中国移动为例，中国移动5G频段包括2.6GHz和4.9GHz[9]。如果室内和室外选择低频频段，那么在建筑边缘区域会产生同频干扰。如果室内采用高频频段，那么链路损耗会加大，增大了室内覆盖天线的密度，增加了室内覆盖的成本。

5.2 穿透性差

相较4G网络，5G信号的频段更高，穿透性更差，室内覆盖需要精细化设计，否则很容易产生弱场，达不到信号覆盖及服务质量要求。

5.3 兼容性差

传统无源器件支持800M～2.7GHz工作频段，无法适配3.5GHz的5G信号。

5.4 建设成本高

相比4G，5G室分设备在工作频段、载波带宽、通道数量和发射功率方面均有大幅提升，需要部署更多的有源设备（pRRU），成本高昂。

5.5 室内深度覆盖差异化

大部分垂直行业应用将会发生在室内环境，对于室内专网将提出差异化需求，包括低时延、高上行、高可靠及室内定位等，在该差异化要求下，对于5G的室内覆盖又提出了全新要求。

5.6 运维管理要求高

目前，国内运营商已形成从2G到5G的四代网络共存的状况，网络结构复杂，维护难度大。同时，5G时代的网络切片、EMC、边缘计算等新能力对网络资源的精细化管理提出更高要求。

6 与传统室内覆盖系统的差异

传统室内分布系统主要由馈线、天线以及器件构成，经过长时间的发展，技术已经趋于成熟，具有成本低和故障率低的特点。同时，还可以通过前端合路的方式共用天馈系统。随着5G技术的不断发展，传统室分系统的缺点也很明显，包括工程量相对较大，施工周期长[10]；出现故障点，一般需要人工排查，故障解决时间较长[10]；传统室分系统器件仅支持800M～2.7GHz工作频段，不支持3.5GHz等高频段[11]。

7 5G室内建设方案

目前根据覆盖场景不同，5G室内覆盖可分为四大类：室外覆盖室内方案；无源室分方案；有源室分方案；有源无源融合覆盖方案。

1）室外覆盖室内方案

通过新建室外基站覆盖室内弱场，该方案仅适用于中低频段且建筑物面积小，内部开阔，穿透损耗较小的场景。受限于路径损耗，该方案无法满足5G深度覆盖要求。

2）无源室分方案

通过利用既有传统室分系统，实现5G覆盖。但在升级改造中存在诸多问题：器件不支持高频段；需二次施工，更换无源天线、RRU等设备。

3）有源室分方案

5G有源室分覆盖具有高容量、部署快、运维便利等优点。采用BBU、HUB和pRRU三级架构。其中，BBU部署于机房内；HUB部署于弱电井或配线间；pRRU部署于楼道和房间内，内置天线。有源系统克服了传统室分系统的弊端，避免了无线信号在大量无源器件中传播的功率损耗，直接在远端单元发射出高功率的多路信号，能给用户带来超高的业务体验。

有源室分系统在多隔断室内场景的局限性：在开阔的室内场景，如体育馆、机场、会展中心、大型交通枢纽等区域，一个远端单元就可以覆盖很大区域，在提高用户体验的同时，也节约了系统建设的成本。但是，在多隔断的场景，如写字楼、酒店等，单个远端单元覆盖的区域就比较小，需要更多的远端单元才可以完整覆盖室内。有源设备的功率被白白耗费在了墙体损耗中。远端单元的综合造价比无源系统的天线高很多，因此，在多隔断场景中有源室分系统造价会大幅度提升。

4）有源无源融合覆盖方案

融合方案就是在有源室分的基础上，在pRRU末端外接无源室分天线[1]。该方案基于多隔断场景中有源室分方案的局限性提出，是有源系统远端单元外接无源系统末端天线对无线信号进行扩展的融合覆盖方案。该方案结合了无源室分的低成本、低功耗、易于扩展等优势，以及有源室分弹性扩容的优势，同时还可以提供故障定位和可视化运维等功能。

据中国电信广东分公司的相关测试显示，采用外接单通道无源天线的室分工程总造价与纯有源室分系统相比，可以节约成本70%左右，大大节省了室内分布建设投资。若考虑室内用户的峰值速率以及容量需求，可以采用外接双通道无源天线方案，工程造价节约40%左右。

8 适合绵阳市科技城的5G室内覆盖方案建议

自2018年3月，绵阳市科技城着手开展智慧科创项目的初步设计，明确在进行科园路等基础设施改造的同时，实施部分智慧科创建设内容。绵阳市科创区管委会计划在绵阳科创园创新中心进行以5G为基础的智慧科创试点工程。工程以5G网络为基础，将5G智能设备产品及应用通过统一的智慧应用平台实现智慧园区建设目标。包含5G智慧园区数据中心大脑、指挥中心及演示中心，5G智慧园区配套智能化系统电渠工程，5G智慧园区配套弱电工程，5G智慧园区配套智能化系统施工工程及5G智慧园区其他相关项目内容（即5G智慧园区数据中心大脑、指挥中心及演示中心、智慧道路照明、路灯智能管理控制、微基站安装、电子广告屏、电子监控、人脸识别、充电桩、水位监测、环境监测等）。

方案计划分两期完成，一期进行园区智慧道路照明建设，并围绕园区进行5G基础网络的接入，形成智慧园区基础设施雏形，二期在一期成功建设的基础上，通过5G智能设备进行集成，搭建包含有视频监控系统、人脸识别系统、停车场管理系统、智能门禁系统及IBMS系统的基础设施平台，以此为基础数据来源，实现统一的物联网数据管理。在应用层面，搭建智能化低成本管控系统，实现设备和物业的高效管理，建立大数据应用平台中心，完善智慧园区云平台综合指挥管理系统等，实现运营嵌入，达到智慧园区管理。

5G基础网络的建设方案初步定为室外5G覆盖由铁塔公司和运营商负责，室内5G覆盖由园区负责建设，铁塔公司和运营商租赁的模式进行。

由于园区内的建筑格局多为办公室，属于多隔断型场景，建议采用有源无源融合覆盖方案。在多隔断的室内场景中，采用有源室内分布系统不能满足用户需求。这是因为多隔断室内中有多面墙体，5G信号穿墙损耗大，覆盖效果差。在设计多隔断场景的室内分布系统时，可以采用有源无源融合覆盖方案，方案的系统示意图如图2所示。

图2 有源无源融合覆盖方案系统示意图

由于系统兼容性，建议传输系统设备由运营商提供，其他部分可由园区负责设计、采购、施工。有源无源融合方案采用四级架构，由基带处理单元BBU、汇聚单元HUB、远端射频单元pRRU以及无源天线组成。BBU位于运营商主机房或者园区中心机房，经过光缆可与HUB相连，HUB可设置弱电井；HUB与pRRU相连，pRRU可以覆盖建筑面积较大、用户数多的敞开区域。pRRU的外接无源天线分为单通道天线和双通道天线，在用户数较小、面积较少的区域可外接单通道天线，如值班室、面积较小的办公室、厕所、水房等场景；在用户数相对较多、面积相对较大的区域可外接双通道天线，如常规小办公室、小会议室和有较大容量需求的客户区等场景。另外，根据用户需要，也可把pRRU分裂成一个独立的小区，极大限度地提升室分系统的容量。

9 结语

本文首先介绍建设5G室内覆盖的意义、国内外5G应用的进展、国内5G的频谱分配情况，接着分析了5G室内覆盖面临的诸多挑战、与传统室分的差异，最后阐述了5G室分的诸多方案，指出5G时代数字化有源室内分布系统在多隔断的室内场景中存在的局限性。这种局限性主要是由于多隔断场景中大量墙体带来的穿透损耗，使远端单元pRRU的信号被局限在一个很小的区域内，无法做到信号的最大利用。因此，结合科技城的建筑特点提出针对性的5G室内覆盖的方案建议，即结合无源系统的优势，在远端单元上外接无源天线，使信号均匀分布在室内空间，从而减少远端单元的数量，大大节约了室分投资。