5G時代傳統(tǒng)覆蓋方式的困境和小基站的作用分析
目前,5G作為未來科技發(fā)展的標志之一已經(jīng)成為世界各大國家爭奪的重要高地。中國政府和通信企業(yè)也全面推進5G研發(fā)創(chuàng)新,為此中國于2018年12月3日發(fā)布了5G試驗頻率使用許可,以推進5G網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)進程。
中國頒布的5G試驗頻率主要有2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz 3個頻段。其中4.9GHz頻段較高主要作為容量吸收站點補盲,但產(chǎn)業(yè)鏈不夠成熟;2.6GHz頻率分配給中國移動,與移動現(xiàn)有的3G頻率相近,室外可與4G同站覆蓋;由于頻率較高,3.5GHz頻段5G室外覆蓋范圍小于傳統(tǒng)3G/4G網(wǎng)絡(luò),需要通過大規(guī)模部署小基站,采取“宏小結(jié)合”的方式實現(xiàn)室外覆蓋。此外,傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)支持的最高頻段為2.7GHz左右,因此3.5GHz頻段的5G室內(nèi)覆蓋主要依靠有源室分系統(tǒng)(即毫瓦級分布式小基站,下文統(tǒng)稱為有源室分系統(tǒng)),3.5GHz頻段5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋與傳統(tǒng)2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)相比發(fā)生了重大變化。
由此可見,小基站在5G網(wǎng)絡(luò)中將改變以往的“補充”地位,在5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中起到越來越重要的作用。
小基站具有小型化、低發(fā)射功率、可控性好、智能化和組網(wǎng)靈活等特點,其質(zhì)量一般為2~10kg,發(fā)射功率一般為幾十mW~5W,覆蓋范圍一般為10~200m。小基站的組網(wǎng)方式能支持包括DSL/光纖/WLAN及蜂窩技術(shù)在內(nèi)的多種技術(shù)的回傳,還具備自動鄰區(qū)識別、自配置等SON功能。
根據(jù)功率和設(shè)備形態(tài),小基站主要分類見表1。
表1? 小基站分類對比
5G時代傳統(tǒng)室外覆蓋
傳統(tǒng)2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)的室外覆蓋主要依靠宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署,小基站主要在地下室等覆蓋盲區(qū)、商業(yè)街等難以部署區(qū)域少量應用。在5G時代,5G的高頻率限制了宏基站的覆蓋能力,本文通過3GPP專門提供適用于5G室外覆蓋的傳播模型3D Uma模型分析5G在主要部署在密集市區(qū)、市區(qū)等高數(shù)據(jù)流量區(qū)域的鏈路預算和覆蓋范圍。
5G的鏈路預算流程包括業(yè)務速率需求和系統(tǒng)帶寬、天線型號、Massive MIMO配置、DL/UL公共開銷負荷、發(fā)送端功率增益和損耗計算、接收端功率增益/損耗計算,最后得到鏈路總預算。
根據(jù)協(xié)議規(guī)定,5G采用3D UMA傳播模型進行鏈路預算分析,其中,頻率設(shè)置為3.5GHz,設(shè)備參數(shù)暫按目前的設(shè)備情況設(shè)置,陰影衰落余量參考目前4G的要求,基站天線掛高根據(jù)場景不同分別取值,穿透損耗、街道寬度和建筑物高度根據(jù)不同地域給出典型參考值。
其中,在小區(qū)邊緣速率僅為下行10M bit/s /上行1M bit/s的情況下,即使采用64T64R天線,5G的密集城區(qū)站間距不到190m(3G/4G一般為300~500m),一般市區(qū)站間距不到370m(3G/4G一般為500~800m),均遠小于傳統(tǒng)3G/4G網(wǎng)絡(luò)。此外,5G主要部署在密集市區(qū)、市區(qū)等區(qū)域,這些區(qū)域建站困難,能選的站址大多在3G/4G時代已經(jīng)建站,但很難通過大規(guī)模新建5G宏基站滿足覆蓋需求,因此5G室外覆蓋大規(guī)模建設(shè)小基站(主要為瓦級小基站)來覆蓋宏站覆蓋盲區(qū)/忙區(qū),采用“宏小結(jié)合”部署策略非常必要。
5G時代傳統(tǒng)室內(nèi)覆蓋
在2G/3G/4G時代,運營商解決室內(nèi)覆蓋的主要方案為建設(shè)室內(nèi)無源分布式天線系統(tǒng)(DAS),由于DAS的無源器件支持最高頻段為2.7GHz左右,無法支持3.5GHz頻段的5G網(wǎng)絡(luò),此外過高的頻段在饋線中傳輸損耗太大,因此傳統(tǒng)DAS無法承擔5G室分覆蓋的重任。有源室分系統(tǒng)具有施工方便、速率高、用戶感知好、可視可控、與5G兼容的優(yōu)勢,是運營商在5G時代的主要室分覆蓋方案。由于有源室分系統(tǒng)具備多方面優(yōu)點,現(xiàn)網(wǎng)已大量部署,其網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定,可以滿足運營商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)質(zhì)量和容量的需求。
同時,運營商出于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備利用、投資效率等因素的考慮,而且5G主要作為容量吸收層會與4G長期共存,因此原有DAS系統(tǒng)不會很快拆除。此外,DAS室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)在電梯、地下停車場、城中村等低流量場景仍具有重要的地位,未來仍將作為4G室內(nèi)中低流量場景補盲的室內(nèi)覆蓋手段存在。
因此,在5G商用進程推動下,有源室分系統(tǒng)必然發(fā)展到規(guī)模發(fā)展時期,在未來一段時間室內(nèi)數(shù)字化方案將與DAS共存,在新建室內(nèi)覆蓋尤其是5G室內(nèi)覆蓋的規(guī)模上會取代曾經(jīng)DAS在室內(nèi)覆蓋的地位。
小基站在5G網(wǎng)絡(luò)總體的部署策略
5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋部署策略總體上采用“宏小結(jié)合,分層立體覆蓋”。
·宏基站層:25m以下廣域覆蓋,主要依靠宏站覆蓋。
·小基站層:彌補宏基站覆蓋空洞、小區(qū)和樓宇的深度覆蓋,與室分協(xié)同完成室內(nèi)連續(xù)覆蓋,主要依靠瓦級小基站覆蓋。
·高層覆蓋:25m以上小區(qū)和樓宇的深度覆蓋,主要依靠宏站天線、有源室分系統(tǒng)等手段覆蓋。
·室內(nèi)覆蓋:各類室內(nèi)樓宇覆蓋,主要依靠瓦級/毫瓦級一體化小基站+有源室分系統(tǒng)覆蓋。
5G網(wǎng)絡(luò)室外覆蓋應用
如圖所示,5G網(wǎng)絡(luò)室外覆蓋主要依靠小基站來彌補宏基站覆蓋空洞、小區(qū)和樓宇的深度覆蓋。小基站具有體積小、重量輕、即插即用、自配置、易于安裝和維護的優(yōu)點,其不需要建設(shè)機房,增加了網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性,降低了站點租賃費用,實現(xiàn)站點快速補盲、吸熱。5G室外覆蓋的小基站層主要依靠瓦級小基站覆蓋。
圖? 宏小結(jié)合,分層立體覆蓋
小基站的建設(shè)主要原則和策略如下。
(1)小基站室外建設(shè)原則
由于小基站發(fā)射功率小、覆蓋距離短、容量低等特點,并不適合成片組網(wǎng),過多或不當?shù)囊霑W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化造成較大困難,所以建設(shè)時需要遵循以下原則。
一是不能影響宏網(wǎng)覆蓋,避免調(diào)整周邊的宏基站功率、天線傾角等參數(shù)。
二是為降低對宏基站的干擾,提高小基站的覆蓋效果,室外的小基站宜位于宏基站覆蓋區(qū)域的中遠點或宏網(wǎng)弱覆蓋區(qū)域,以降低相互干擾。
(2)小基站的站址選擇
對于新建小基站,從建設(shè)目的出發(fā),可以分為兩類。
一是覆蓋補盲。選址可通過路測來確定目標覆蓋區(qū)域,也可通過測量報告等工具初步判斷弱覆蓋區(qū)的位置,再通過路測來精確定位。確定目標覆蓋區(qū)域后,可選擇路燈桿、建筑物外墻或者建筑物樓頂?shù)茸鳛樾』镜陌惭b位置,在選址的過程中需重點考慮天線高度的合理性。
二是話務吸熱。選址時需要特別注意小區(qū)覆蓋信號強度、邊界信號控制、話務熱點分布等。小區(qū)容量受限的場景多發(fā)生在密集城區(qū)、城區(qū),如高檔居民區(qū)、步行街、車站、商業(yè)廣場等,適合采用小基站進行容量提升。
(3)小基站與宏基站的協(xié)同
小基站建站時要通過合理的鄰區(qū)配置、站間距設(shè)置等技術(shù)手段盡量避免或減少與周邊宏基站的相互干擾,做好宏小協(xié)同。對小基站建設(shè)區(qū)域的宏基站的信號強度進行評估,避免宏基站信號與小基站信號強度差太小,導致相互間的干擾,有條件的可選擇異頻組網(wǎng)。
5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋應用
(1)4G/5G室內(nèi)覆蓋手段對比
3G/4G時代室內(nèi)連續(xù)覆蓋依靠宏基站、小基站和無源室分3種手段協(xié)同完成。而有源室分因造價高,主要定位于高容量建設(shè),在樓宇內(nèi)主要部署在高業(yè)務區(qū)域,樓內(nèi)低業(yè)務區(qū)主要依靠微基站和無源室分系統(tǒng)解決。
5G時代,室內(nèi)連續(xù)覆蓋主要依靠瓦級/毫瓦級一體化小基站+有源室分系統(tǒng)解決。4G/5G室內(nèi)覆蓋手段對比詳見表2。
表2? 4G/5G室內(nèi)覆蓋手段對比
(2)小基站(瓦級/毫瓦級一體化小基站)建設(shè)策略
小基站建設(shè)目標場景主要如下。
·宏基站覆蓋不足且沒有室分部署的場景:密集街道、商鋪和小型樓宇等。
·有源室分部署困難且單層面積不大的場景:已裝修的商務辦公樓、酒店賓館、住院樓,居民樓等。
·有源室分投資效益較低的場景:商場物業(yè)辦公區(qū)、校舍等。
小基站站址選擇規(guī)劃主要如下。
·現(xiàn)網(wǎng)資源和自建:燈桿站、各類美化桿塔。
·第三方資源:街道燈桿塔、樓角等任何可用的位置。
小基站小區(qū)規(guī)劃原則如下。
·在室內(nèi)與有源室分系統(tǒng)同小區(qū)設(shè)置。
·無有源室分系統(tǒng)可與宏基站同小區(qū)設(shè)置。
小基站建設(shè)主要存在站址獲取困難,密集部署、傳輸不及時,配套部署困難等問題,可以通過以下手段進行規(guī)避和解決。
·設(shè)備大?。盒⌒突㈦[蔽性,安裝靈活;功率可選(高/中/低等),適應多種場景。
·天線要求:輻射角多樣化,大張角、窄角可選,方向角和下傾角可調(diào),適合多種場景。
·設(shè)備供電方案:支持交流、POE和光電復合纜供電。
·傳輸:RRU之間支持級連,RRU上行支持網(wǎng)線、光纖和無線回傳。
(3)有源室分系統(tǒng)建設(shè)策略
·基于業(yè)務的部署策略
有源室分系統(tǒng)部署策略建議如下。
在初期,針對eMBB業(yè)務,在高校、交通樞紐、醫(yī)院、大型商場、商務辦公樓公共區(qū)、會議區(qū)等4G高流量場景進行5G容量型建設(shè),對場景內(nèi)其他區(qū)域延伸覆蓋。
在中遠期,eMTC和uRLLC業(yè)務成熟后,保證各類商務樓宇、住宅小區(qū)、廠房,商業(yè)樓宇公共區(qū),如車庫、大廳等,交通、政府公共服務區(qū)等業(yè)務區(qū)覆蓋的連續(xù)性和容量需求。
·有源室分系統(tǒng)短板及解決建議
有源室分系統(tǒng)有許多優(yōu)勢,但其作為新技術(shù),仍存在一些短板,主要是連續(xù)覆蓋能力需進一步加強。無源室分系統(tǒng)依靠“多天線、小功率”覆蓋策略,在復雜的密集隔斷場景中,能夠保證信號的連續(xù)覆蓋,甚至“犄角旮旯”處的有效覆蓋。而有源室分系統(tǒng)在覆蓋方案上靈活性不夠高,遠端單元受到價格、體積和重量的限制,部署密度難以保證樓宇內(nèi)外的連續(xù)覆蓋。
因此有源室分系統(tǒng)需要提升設(shè)備靈活性,確保網(wǎng)絡(luò)精確、合理部署。
建議遠端單元具有容量型和覆蓋型兩種設(shè)備形態(tài)。
覆蓋型遠端單元設(shè)備體積小、功率?。客ǖ缼缀镣撸?、功能簡單(主要收發(fā))。
子母遠端單元(設(shè)想):容量型遠端單元做母RRU,向下級連多個覆蓋型遠端單元,大大增加組網(wǎng)靈活性。
擴展單元前移:由弱電井前移至平層,且支持光電復合纜供電,并可對下連遠端單元通過POE方式供電。
5G商用化進程加快,國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)或?qū)⒃?019年底商用,屆時合理進行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋將成為運營商關(guān)注的重點。由于3.5GHZ頻段覆蓋能力較弱,傳統(tǒng)宏蜂窩覆蓋無法滿足要求,需要規(guī)模部署小基站來補盲/補忙,做好宏小協(xié)同。室內(nèi)覆蓋則主要依靠有源室分系統(tǒng)替代傳統(tǒng)DAS,同時要提升設(shè)備靈活性,確保網(wǎng)絡(luò)精確、合理部署。