分布式皮基站在5G室内覆盖中的应用与挑战

作者:中国移动通信集团设计院有限公司 马颖 责任编辑:甄清岚 2018.07.25 10:11 来源:通信世界全媒体

随着移动互联网的快速发展,数据流量近年来保持快速增长的态势,给网络带来较大的压力。根据分析,4G网络约60%~70%以上的业务发生在室内,预计未来5G网络时代室内业务量的占比还将进一步提升。并且,5G网络采用中低频(3.5GHz、4.9GHz)、高频毫米波段(28GHz)的信号,其空间衰减和介质损耗较大,5G NR室外覆盖室内的深度覆盖能力将变差。因此,5G网络室内覆盖效果对于客户的良好体验将凸显其重要性。

5G网络室内覆盖使用频率

5G网络室内覆盖可能使用的频率包括3.3~3.4GHz、3.4~3.6GHz、4.8~5.0GHz、毫米波段、2G/3G/4G系统的存量频段等。

3.3~3.4GHz已规定仅用于室内覆盖。3.4~3.6GHz、4.8~5.0GHz将是室外覆盖的主力频段,如果应用于室内,还需要研究和验证室内外同频干扰问题。现有2G/3G/4G系统的存量频段后续可以演进支持5G系统,但带宽资源有限。毫米波段5G NR目前尚未有明确设备产品路标,并且其信号传播损耗相对中低频更大。

从目前来看,现阶段5G网络室内覆盖主要应用的频率将是3.3~3.4GHz,而3.4~3.6GHz、4.8~5.0GHz在室内使用的效果需要通过网络测试来验证分析。

5G网络室内覆盖建设方案分类

5G网络室内信号覆盖可能采取的建设方案包括室外覆盖室内方式、传统DAS系统、室内光纤分布系统以及分布式皮基站的建设方式。

具体分类如下。一是室外覆盖室内方案,指辐射点天线的位置基本位于室外,采用宏蜂窝、微基站、室外光纤分布系统等方式,实现多点位、多角度的分布式立体覆盖方案,满足室内覆盖需求。二是室内分布覆盖系统,采用室内分布系统(包括传统的单路同轴电缆方式、双路同轴电缆方式、室内光纤分布系统),利用分布式天线点位,将信号均匀分布到建筑物各区域,实现室内覆盖。三是室内蜂窝系统,主要采用分布式皮飞基站系统进行室内信号覆盖。

在室外覆盖室内方案方面,3.5GHz信号空间传播损耗及介质穿透损耗相比Sub-3GHz频段增大约7~8dB,因此5G网络的3.5GHz信号室外覆盖室内的效果将非常有限,在深度覆盖不足的室内场景仍需要通过室内覆盖系统弥补信号覆盖。

在现网存量DAS系统方面,一般支持的频段为800MHz~2700MHz,因此包括功分器、耦合器、合路器、天线等器件都需更换,工程改造和物业协调较为复杂,并且不方便实施多路建设,从而无法发挥NR多流技术优势;此外,由于传统DAS系统馈线对于3.5GHz频段的信号传输衰减相比2.3GHz有所增大,如果保持与2.3GHz同点位覆盖,需要将信源功率提升或者增加信源。因此,传统DAS系统需要推动大功率RRU设备的产业进程,可应用于容量不高的5G室内覆盖场景。

在光纤分布系统方面,现网光纤分布系统主要应用在室外覆盖室内的场景,如果支持3.5GHz频段,需要新增5G NR信源、新增接入单元AU、更换扩展单元EU、新增射频单元RU,工程改造难度相对于传统DAS方案小。如果用于室内覆盖场景,需实现小功率室内天线一体化光纤分布系统,可支持4˟4MIMO。

在分布式皮基站方面,现网4G分布式皮飞基站可以通过改造方式支持5G NR,采用CAT6A网线或带电光缆,工程实施难度相对不高,并且可实现4˟4MIMO,容量性能较为优异。针对5G室内覆盖系统高容量高价值场景,选择分布式皮基站建设方案较为合适。

分布式皮基站室内建设方案分析

分布式皮基站是一种新型的数字化基站主设备,采用三级网络架构,由BBU(基带单元)、RHub(集线设备)和Pico RRU(射频远端单元)组成。BBU与RHub之间采用光纤连接,Rhub与Pico RRU之间通过网线连接。

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图 分布式皮基站架构

4G分布式皮基站发射功率一般为2˟125mw,据了解5G分布式皮基站初步规划的功率为4˟125mw或4˟250mw,目前还处于方案论证阶段中。

表   5G分布式皮基站与4G分布式皮基站的对比

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按照3.5GHz频段100MHz带宽,5G分布式皮基站相比4G分布式皮基站20MHz带宽有5倍的增益,另外频谱效率考虑提升1.1~1.2倍左右,因此5G分布式皮基站相比4G分布式皮基站速率提升约有5倍以上的增益。

对比传统DAS方式,分布式皮基站存在如下优势:

一是分布式皮基站系统在100米以内时无需考虑距离延伸所带来的馈线损耗,传统DAS方式由于无源器件和馈线带来的损耗会影响信号传输;

二是分布式皮基站工程实施相对方便简捷,部署较为灵活,支持通过软件设置小区合并或分裂,可灵活构建较大规模的分布系统,而传统DAS布线较为繁杂,工程实施相对困难,并且扩容也需要一定的工程改造量;

三是分布式皮基站可支持4˟4 MIMO,信号稳定,可适应5G eMBB业务等高容量需求,满足5G室内视频、VR、AR等业务需求,而传统DAS方式一般可实施到2˟2MIMO,且两通道不平衡时会造成吞吐量下降问题;

四是分布式皮基站远端PRRU可独立配置、实时监控,定位及优化运维工作较为便利,而传统DAS无法主动监控,故障定位较难实施,需要进行现场排查。

由此可见,分布式皮基站在网络性能、工程实施、网络容量、监控运维等方面均具有一定的优势,非常适合高容量、高价值场景的室内覆盖部署。

分布式皮基站挑战重重

5G室内覆盖采用分布式皮基站,同样面临一些问题和挑战。

首先,分布式基站相比传统DAS方式,建设造价相对较高。根据现网数据测算,4G网络室内覆盖建设方案中,分布式皮基站整体投资单平米造价约12元,传统单路DAS单平米造价约4~5元,传统双路DAS单平米造价约8元,分布式皮基站造价是传统单路DAS的2~3倍,是传统双路DAS的1.5倍。据粗略估算,5G分布式皮基站相比4G分布式皮基站造价上升约1倍,5G传统双路DAS分布系统器件及RRU造价提升2~3倍,5G分布式皮基站单平米造价约是传统双路DAS的1.5倍,是传统单路DAS的2倍以上。可见,5G分布式皮基站相比传统DAS方式投资成本仍较高,如果现网室内覆盖系统全部实施分布式皮基站建设方案,所需的总体建设成本较大,会给运营商带来较大的投资压力,因此需分场景、分步骤实施。

其次,基于现网分布式皮基站的工程改造相对于DAS系统整体工作量和难度减小,但是仍存在物业协调、需破坏装修等问题,需要新增或更换RHUB及prru,且需更换掉CAT5E网线,工程实施仍不可小觑。

再次,目前规划的5G分布式皮基站仅支持3.5GHz频段,后续支持4.9GHz及更高频的毫米波频段,仍面临再次工程改造、更换设备等问题。

最后,分布式皮基站为有源系统,远端单元需通过网线或独立电源方式进行供电,在供电困难、封闭潮湿的环境下使用会受限。

5G时代典型的室内业务场景包括云VR/AR、智能制造、智慧能源、无线医疗、无线家庭娱乐、个人AI辅助等,对于室内覆盖系统提出了很高的要求。分布式皮基站相比其他建设方式可以更好的满足高容量需求,并且工程实施相对容易、可监控可定位、扩容方便,但是建设成本相对高,无法兼容未来高频信号。因此,分布式皮基站需要与传统DAS、光纤分布系统、直放站等各种建设方案分场景部署,保障运营商实现5G室内覆盖性能与成本的平衡,满足5G室内覆盖需求。

来源:通信世界杂志第20期,7月25日

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