采用室外信号覆盖室内的模式主要用于单层面积小、无线信号易穿透的单体建筑,通过优化室外网络实现室内覆盖,但对大型楼宇覆盖的效果较差。这种模式常用的技术手段包括设置宏基站、微基站、射频拉远单元(Remote Radio Unit,RRU)、直放站等。5G网络使用的频段较高,导致覆盖能力不及4G网络。例如,3.3~3.4GHz、3.4~3.6GHz、4.8~5.0GHz这些较高的频段。其中,3.3~3.4GHz已规定仅用于室内覆盖,3.4~3.6GHz、4.8~5.0GHz是室内外同时可以使用的主力频段。
对比1.8GHz LTE、3.5GHz新空口(New Radio,NR)和4.9GHz NR的室内覆盖能力,高频段5G网络和1.8GHz LTE覆盖能力对比一如图1—6所示。
图1—6 高频段5G网络和1.8GHz LTE覆盖能力对比一
1.参考信号接收功率(Reference Signal Receiving Power,RSRP)。
2.同步信号-参考信号接收功率(Synchronization Signal-Reference Signal Receiving Power,SS-RSRP)。
由图1—6可知,天线口输入功率可知1.8GHz LTE RSRP为−15dBm、3.5GHz NR SS-RSRP为−15dBm、4.9GHz NR SS-RSRP为−15dBm。也就是说,3个频段天线口的输入功率在一致的情况下,通过室内20m视距的传播,手机接收的功率1.8GHz LTE RSRP为−75.58dBm、3.5GHz NR SS-RSRP为−81.35dBm、4.9GHz NR SS-RSRP为−84.27dBm,天线增益统一为3dB(本节分析的网络覆盖能力变化,未考虑阴影余量和人体损耗)。接收信号的恶化程度,高频段5G网络和1.8GHz LTE覆盖能力恶化对比一见表1—3。
表1—3 高频段5G网络和1.8GHz LTE覆盖能力恶化对比一
经过分析,在同样的条件和视距的情况下,通过20m的空间传播,3.5GHz覆盖能力比1.8GHz低5.78dB,4.9GHz覆盖能力比1.8GHz低8.70dB。
传统室内分布系统一般由信源、馈线、器件和天线组成,通信信号在设备器件传输时会产生损耗。分布系统损耗分为馈线传输损耗、功分器/耦合器分配损耗、器件插入损耗。由于频段高低产生的损耗差异主要来自馈线传输损耗,对比1.8GHz、3.5GHz、4.9GHz这3个频段的传输损耗,高频段5G信号和1.8GHz LTE信号传输损耗(1/2英寸 馈线)对比一见表1—4。
表1—4 高频段5G信号和1.8GHz LTE信号传输损耗(1/2英寸馈线)对比一
由表1—4可知,在同样的条件采用1/2英寸馈线的情况下,通过100m的传输,3.5GHz信号比1.8GHz低4.8dB,4.9GHz信号比1.8GHz低9.1dB,高频段5G信号和1.8GHz LTE对比一见表1—5。
表1—5 高频段5G信号和1.8GHz LTE对比一
在表1—5中,假设3个频段采用相同的信源,其输出功率统一为15.2dBm,经过100m 1/2英寸的馈线传输,接入3dB增益的室内分布系统天线,视距传播20m后手机接收到的信号,3.5GHz信号比1.8GHz低10.58dB,4.9GHz信号比1.8GHz低17.80dB。
通过上述分析,随着5G网络频段的升高,信号的恶化程度非常明显,因此,5G室内分布系统的建设难度增加了。
无线信号在室内传播过程中会遇到各类阻碍物,例如,各类墙体、玻璃窗户、木门等,无线电波只有穿透各种材质的阻碍物,才能覆盖阻碍物对面的区域,各个频段在穿透阻碍物时的损耗是不同的,因此,这种损耗也可以称为材质损耗。5G网络各频段和1.8GHz LTE频段材质损耗参考见表1—6。
表1—6 5G网络各频段和1.8GHz LTE频段材质损耗参考
在1.6.1节提到的图1—6中,增加一道砖墙,各频段的接收电平值有所不同,高频段5G网络和1.8GHz LTE覆盖能力对比二如图1—7所示。
图1—7 高频段5G网络和1.8GHz LTE覆盖能力对比二
在20m的信号传播路程中,增加一道砖墙,手机接收的功率1.8GHz LTE RSRP为−87.35dBm、3.5GHz NR SS-RSRP为−98.10dBm、4.9GHz NR SS-RSRP为−102.42dBm,高频段5G网络和1.8GHz LTE覆盖能力恶化对比二见表1—7。
表1—7 高频段5G网络和1.8GHz LTE覆盖能力恶化对比二
由表1—7可知,在同样的条件、增加一道砖墙的情况下,通过20m的空间传播,3.5GHz覆盖能力比1.8GHz低10.76dB,4.9GHz覆盖能力比1.8GHz低15.08dB。
假设3个频段采用相同的信源,其输出功率统一为15.2dBm,经过100m的1/2英寸馈线传输,接入3dB增益的室内分布系统天线,传播20m途中增加一道砖墙后手机接收到的信号,高频段5G网络和1.8GHz LTE信号传输损耗(1/2英寸馈线)对比二见表1—8,3.5GHz信号比1.8GHz低15.56dB,4.9GHz信号比1.8GHz低24.18dB。
表1—8 高频段5G网络和1.8GHz LTE信号传输损耗(1/2英寸馈线)对比二
通过上述分析,由于5G网络频段的升高,信号传输损耗也增加了,所以5G室内分布系统的建设难度也增加了。
5G网络的发展使各家电信运营商的频谱资源也发生了变化,共建共享的建设策略使频谱资源得以整合,导致原4G室内分布系统部分设备器件预留不匹配,需要进行更换。不匹配的设备器件一般包括直放站、干线放大器和合路器3个部分。
到目前为止,各家电信运营商的频谱资源发生变化的情况主要包括以下几个频段。
中国移动的5G网络主要频段由2575~2635MHz的60M带宽增加到2515~2675MHz的160M带宽。
中国电信和中国联通的共建共享高频部分,由中国电信独自使用3400~3500MHz的100M带宽和中国联通独自使用3500~3600MHz的100M带宽转变为双方共享3400~3600MHz的200M连续带宽;中国电信和中国联通的共建共享中频部分,由中国电信独自使用2.1GHz(上行:1920~1940MHz,下行:2110~2130MHz)的2 × 20M带宽和中国联通独自使用2.1GHz(上行:1940~1960MHz,下行:2130~2150MHz)的2 × 20M带宽转变为双方共享的2.1GHz 2× 40M连续带宽。
中国电信和中国联通的2.1GHz频段作为5G网络重耕的频段,在原4G室内分布系统中,直放站是各自采用20M带宽的设备,导致目前带宽不匹配。中国移动原来使用60M带宽的直放站也无法满足2.6GHz 5G网络的带宽要求。中国电信和中国联通的3400~3600MHz频段为新增频段,一般不涉及直放站频段不匹配的问题。
由于原有的分布系统使用的干线放大器是针对其本身网络的,无法满足新增频段,只有改造原有分布系统,才能满足5G网络的覆盖需求。
普通合路器需要改造的原因和直放站基本一样,需要更换原有合路器,使新的合路器的端口频段带宽能够满足5G网络新的带宽。但是在大型覆盖场景,会采用多系统合路平台(Point Of Interface,POI)合路电信运营商各个制式的网络,前期建设的POI一般会预留部分端口用于未来网络的发展,然而,预期的带宽和最后实际获得的频段并不一致,需要更换大量设备,以满足5G网络的需求。
综上所述,5G网络的频谱资源发生变化使5G室内分布系统的改造建设的难度大大提升了。
5G作为新一代的通信网络,具有很多的新技术,大规模多输入多输出(Massive MIMO)技术是其中重要的技术之一。Massive MIMO和波束赋形(Beamforming)相辅相成,Massive MIMO具有以下四大优点。
① 更精确的3D波束赋形,提升终端接收信号强度。
② 同时同频服务更多用户(多用户空分),提高网络容量。
③ 有效减少小区间的干扰。
④ 更好地覆盖远端和近端的小区。
Massive MIMO通过集成更多射频通道和天线,实现三维精准波束赋形和多流多用户复用技术。Massive MIMO负责在发送端和接收端将多天线聚合,波束赋形负责将每个信号引导到接收端的最佳路径上,从而提高信号强度,减少信号干扰,提升信号覆盖率和容量。传统天线和Massive MIMO天线对比示意如图1—8所示。
图1—8 传统天线和Massive MIMO天线对比示意
5G网络中,在同样带宽的条件下,双通道网络的速率要比单通道网络的速率高1倍,4通道网络的速率比双通道网络的速率理论上提升1倍。由于终端的天线数量限制,一般情况下,目前,终端基本支持4路接收,通过计算,TDD NR 3.5GHz的5G网络在100M带宽的情况下,单用户的理论下行速率高达1.54Gbit/s,通过测试,峰值速率可以达到1.2Gbit/s以上。因此,提升网络覆盖的通道数是提升用户体验的重要手段。
在室内分布系统中,传统无源分布系统一般建设单路分布系统或双路分布系统;有源分布系统一般建设双路分布系统或者4路分布系统。
在原有的室内分布系统中,90%以上的传统无源分布系统是单路覆盖,如果要改造为双路或者4路(甚至8路),那么不仅会导致成本增长,而且可能由于管井布线空间有限,改造工程难以实施,即使改造工程可以实施,也难以保证新旧通道的平衡性。另外,需要更多3.5GHz信源,安装空间受限,接电和传输困难。
现网无源器件主要由合路器、功分器、耦合器、室内分布天线及馈线组成。其中,合路器根据需要合路的网络制式的频段进行配置,因此,新增频段需要更换合路器。而现网中的功分器、耦合器和室内分布天线,其频段支持800~2700MHz,要满足3.5GHz频段需求至少要扩展到3.6GHz,需要更换现网器件。另外,由于馈线和漏线电缆的截止频段,13/8英寸(1英寸=2.54cm)馈线和漏线电缆无法支持3.5GHz频段。更换器件及馈线、漏线电缆使5G室内分布系统的改造建设难度又大大提升了。
在现网4G室内分布系统中,属于有源室内分布系统的有PRRU分布系统、分布式皮基站分布系统和光纤分布系统3种。
有源室内分布系统不同于传统室内分布系统,它主要采用光纤或网线传输数字信号,可以将多路多系统信号合并传输,并支持双通道功率独立调出,保障双通道MIMO性能。该类系统在进行网络覆盖时,末端单元的传输线缆可根据网络的带宽需求选用六类线、超六类线、七类线,或者光电复合缆等多种方案。
但是有源设备支持的频段带宽及制式均为4G网络,需要增加5G网络的覆盖及对应的带宽,其难度均不小。
有源室内分布系统传输线缆根据网络的带宽需求选用六类线、超六类线、七类线或者光电复合缆,相对于传统的射频电缆,这些电缆虽然重量减轻,但施工过程中拉力过大更容易损伤网线,影响网线性能,而且对远端的不间断的有源以太网(Power Over Ethernet, POE)供电,导致网线的老化加剧,利旧原有传输线路同样使5G室内分布系统的改造建设的难度增加。