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(biāo)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(jìn)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(yàn)頻率使用許可，以推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)進(jìn)程。

中國頒布的5G試驗(yàn)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(diǎn)補(bǔ)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(shí)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(bǔ)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(diǎn)，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(yīng)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(yù)算和覆蓋范圍。

5G的鏈路預(yù)算流程包括業(yè)務(wù)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(fù)荷、發(fā)送端功率增益和損耗計(jì)算、接收端功率增益/損耗計(jì)算，最后得到鏈路總預(yù)算。

根據(jù)協(xié)議規(guī)定，5G采用3D UMA傳播模型進(jìn)行鏈路預(yù)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(yuǎn)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(yùn)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(dān)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(yùn)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(diǎn)，現(xiàn)網(wǎng)已大量部署，其網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定，可以滿足運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)質(zhì)量和容量的需求。

同時，運(yùn)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(bǔ)盲的室內(nèi)覆蓋手段存在。

因此，在5G商用進(jìn)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(bǔ)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(yīng)用

如圖所示，5G網(wǎng)絡(luò)室外覆蓋主要依靠小基站來彌補(bǔ)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(hù)的優(yōu)點(diǎn)，其不需要建設(shè)機(jī)房，增加了網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性，降低了站點(diǎn)租賃費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)快速補(bǔ)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(diǎn)，并不適合成片組網(wǎng)，過多或不當(dāng)?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(yuǎn)點(diǎn)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(bǔ)盲。選址可通過路測來確定目標(biāo)覆蓋區(qū)域，也可通過測量報(bào)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(biāo)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(diǎn)考慮天線高度的合理性。

二是話務(wù)吸熱。選址時需要特別注意小區(qū)覆蓋信號強(qiáng)度、邊界信號控制、話務(wù)熱點(diǎn)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(jìn)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(qiáng)度進(jìn)行評估，避免宏基站信號與小基站信號強(qiáng)度差太小，導(dǎo)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(yīng)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(wù)區(qū)域，樓內(nèi)低業(yè)務(wù)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(biāo)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(wù)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(jìn)行規(guī)避和解決。

·設(shè)備大?。盒⌒突?、隱蔽性，安裝靈活；功率可選（高/中/低等），適應(yīng)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(fù)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(wù)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(wù)，在高校、交通樞紐、醫(yī)院、大型商場、商務(wù)辦公樓公共區(qū)、會議區(qū)等4G高流量場景進(jìn)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(yuǎn)期，eMTC和uRLLC業(yè)務(wù)成熟后，保證各類商務(wù)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(wù)區(qū)等業(yè)務(wù)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(jìn)一步加強(qiáng)。無源室分系統(tǒng)依靠“多天線、小功率”覆蓋策略，在復(fù)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(yuǎn)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(yuǎn)端單元具有容量型和覆蓋型兩種設(shè)備形態(tài)。

覆蓋型遠(yuǎn)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(yuǎn)端單元（設(shè)想）：容量型遠(yuǎn)端單元做母RRU，向下級連多個覆蓋型遠(yuǎn)端單元，大大增加組網(wǎng)靈活性。

擴(kuò)展單元前移：由弱電井前移至平層，且支持光電復(fù)合纜供電，并可對下連遠(yuǎn)端單元通過POE方式供電。

5G商用化進(jìn)程加快，國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)或?qū)⒃?019年底商用，屆時合理進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋將成為運(yùn)營商關(guān)注的重點(diǎn)。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(bǔ)盲/補(bǔ)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。