随着城市化进程的逐步加快,城市环境不断发生变化,城区面积不断增大、高层建筑不断增加等对无线信号在室内环境中的传播都会形成较大的衰耗,不仅新出现的建筑物成为移动通信信号覆盖的弱区或盲区,甚至导致周边原本覆盖达标的区域变成信号的弱区,出现用户通话断续甚至掉话的情况,严重影响用户的体验感知。
伴随城市无线环境的日益复杂、人口密度越来越大,以及人口流动性的增加,用户对各类移动业务的需求也越来越高,导致移动通信网络建设的质量要求也越来越高,通信网络建设面临新的挑战。根据以往的规划设计经验,对于现代城市室内场景的移动通信网络部署,主要存在的深度覆盖问题与区域特征可以归纳为以下3类。
① 覆盖问题:新建的中高档建筑物、地下停车场、电梯、高层写字楼、CBD区域、大型会展中心等各类覆盖需要解决的场景。
② 容量问题:用户对各类移动业务的需求越来越高,导致容量需求增加,特别是人口密度大的区域,例如,校园、地铁、机场、火车站等,需要配置多个小区以满足容量需求。
③ 质量问题:在建筑物高层或建设室内分布系统的窗户边缘由于可以接收到多个基站信号,所以出现接收信号频繁切换的问题。
与以往的室内网络规划设计相比,5G时代的室内覆盖建设要求更为精细化,设计指标需综合关注场强、容量、覆盖质量、切换、频率、干扰等多维因素,在设计中,还需要考虑网络建设和维护成本等因素。各家电信运营商的多网并存及共建共享,导致在工程实施阶段,多系统融合工程的调测量通常要大于以往的室内分布系统建设,增加了5G室内覆盖建设的复杂度。在解决方案方面,5G室内覆盖解决方案对场景划分的要求更细致,网络覆盖精度由面演化到点,用户体验感知质量成为检验深度覆盖效果的最佳衡量标准。如何做好室内深度覆盖是5G时代电信运营商在网络建设方面遇到的一项重大挑战。
就覆盖方式而言,使用室外基站直接覆盖室内是前期大部分移动网络覆盖采取的方式,但是在万物互联的5G时代,这种由外而内的方式早已不适合现实情况。一方面是由于5G使用的高频段信号穿透能力差,损耗严重,如果继续采用传统由外而内的覆盖方式,现实所需的宏基站数量将大大增加,会使网络建设成本剧增,同时,需求站址数量的增加会导致站址获得更困难。另一方面,5G时代数据业务对信号强度和信噪比的要求更高,单纯依靠宏基站很难保障用户体验。因此,相对于以往的网络室内深度覆盖而言,5G室内网络所要求的深度覆盖主要面临的挑战有两个方面:一是5G频段高导致覆盖能力差、穿透损耗增加、带宽不匹配、通道数不足、器件天线不支持、有源设备改造难等;二是5G室内分布设计复杂、5G室内分布建设施工难度大、多系统干扰控制、网络协同以及节能减排等难以实施。
与前几代移动网络的业务不同,5G业务的种类繁多,由于服务对象不同,5G业务主要可分为移动互联网类业务和移动物联网类业务两类。根据业务特点与对时延的敏感程度的不同,移动互联网业务进一步划分为流类、会话类、交互类、传输类及消息类业务;移动物联网业务可进一步划分为控制类业务与采集类业务两类。
根据5G网络业务发生的区域,移动数据业务会有80%以上发生在室内,移动语音业务会有70%以上在室内进行,室内深度覆盖成为网络建设的最重要的组成部分。不同数据速率的解调门限不同,因此,在覆盖设计中,首先需要确定小区边缘用户的速率要求,只有合理确定小区边缘用户的数据速率,才能确定室内的有效覆盖范围。复杂的无线环境要求5G系统在确定室内边缘场强时格外精细,同时不仅要确定满足小区边缘目标速率的小区覆盖范围,还需确定不同速率业务的信噪比和无线资源块数量。
由此可见,5G网络丰富多彩的业务、行业应用中的各类切片服务、5G网络设备的多样化,导致了5G室内分布系统的设计难度增大。
住宅小区、密集写字楼、CBD、商业区和城中村是各大电信运营商关注的室内覆盖重点,近年来,居民的环保和维权观念越来越强,传统的建设方式难以开展,同时用户对5G网络容量的需求增加导致投诉事件急剧上升。因此,需要美化安装的通信设备,同时对安装通信设备的隐蔽性及美观度要求越来越高,这些要求给工程建设带来了极大的挑战。
原有传统无源分布系统90%以上的是单路分布系统,5G网络的建设需要对其进行多通道改造,以提升网络速率。理论上,建设双通道比单通道速率约提升1倍,也就是说,在同样的条件下,频分双工(Frequency Division Duplex,FDD)新空口(New Radio,NR)20M带宽的单用户在双通道网络中下行的峰值速率可达231Mbit/s,而单通道速率只有123Mbit/s左右。从以上数据可知,多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)对速率的提升非常明显,而且4通道的理论速率提升更加明显。因此,只有对原单路分布系统进行改造,才能体现5G网络的优势。但是由于安装空间的条件限制,一般室内分布系统建设多路分布系统以双路为主。为了保证MIMO 2×2对NR容量的提升,采用双路分布系统方案时,对单极化天线的间距有严格要求,这给施工也带来了一定挑战。为了确保双通道功率平衡,两个单极化天线间距应不低于4 λ (约为0.5m),在有条件的场景尽量采用10 λ 左右的间距(约为1.25m)。因此,NR MIMO 2×2技术的成功落地也是一个挑战。
有源室内分布的改造需要拆装原有的设备,对网络割接等带来了一些问题。如果是增加另外一套5G有源室内分布设备,那么不仅需要增加新的安装空间,而且需要根据干扰控制要求,留有足够的空间,以满足隔离要求。
目前,三大电信运营商各自拥有数套2G、3G、4G、5G移动通信系统网络制式,使现有室内分布系统建设中存在多系统的情况。因此,在部署5G网络时,不可避免地受到各种相关系统的干扰。从多网协同的角度考虑,5G室内分布系统不能影响之前已经部署的系统,同时又必须满足自身设计目标要求,并与已存在的系统协同发展,因此,在规划部署中,多系统室内分布系统性能需要综合考虑。另外,特别值得关注的是,如何更好地利用现有分布系统。
5G室内覆盖的部署在考虑与2G、3G及4G的融合覆盖时,需要考虑不同频段信号在天馈分布和空间传播损耗上有明显的差异,频率越高,损耗越大,在网络建设中应注意减少频率损耗的差异性。由于受站址空间的限制和其他因素的影响,所以每套系统增加设备的方式难以有效开展。
在5G时代,室内分布系统的建设方式越来越多,各种网络的设备类型越来越丰富,科学合理地选择基站、小基站、射频拉远单元(Remote Radio Unit,RRU)、微型射频拉远单元(Pico Remote Radio Unit,PRRU)、皮基站、光纤分布系统、移频MIMO、直放站、干线放大器、微型直放站等设备以适应差异化场景的安装要求,在当前的5G室内分布系统建设中采用多样化技术已成为主流趋势,优质技术的应用使网络性能得到提升,较好地保障了用户业务的体验需求。
考虑到5G室内分布系统较传统室内分布网络有更多的应用设备,会出现因设备较多导致功耗较大的问题,因此,需要更加注重节能减排的要求。针对5G网络能耗大的问题,需要采用设备级、站点级和网络级三级架构开展节能关键技术及相关评价体系研究。
设备级节能关键技术包括硬件节能和软件节能两个部分。例如,中国电信在5G硬件上,引导产业链采用新材料、新架构和提高集成度等方法,进一步降低基站基础功耗;在5G软件功能上,采用符号关断、载波关断、通道关断以及深度休眠等方法,不断提升软件节能的精细化、智能化水平,持续降低基站功耗。
站点级节能关键技术主要针对与主设备一起构成站点的空调、电源等配套设施的节能。目前,主要通过探索新型无线接入网网络架构,实现配套设施能耗降低的目标。例如,中国移动通过联合产业界合作伙伴研发基站高能效材料、新器件、新结构,实现5G单站功耗相比商用初期下降约35%;开展节能动态调压、基带处理单元(Base Band Unit,BBU)休眠和池化的探索与验证,实现通道静默、浅层休眠、深度休眠等节能功能的规模部署和性能优化。基于业务负荷进行5G基站器件休眠,实现低负荷场景节电10%~30%,极低负荷场景节电超过50%。
网络级节能关键技术则是通过结合人工智能算法开展多网协作。网络级节能技术与网络运营紧密相关,通过在网管端进行数据采集和大数据处理,自动识别多频多模网络状态下覆盖小区及容量小区,进行适时小区静默和唤醒,可以有效达到节能的目的。
降低能耗是一个全产业链的问题,需要电信运营商、系统设备厂商、元器件厂商,乃至电源、空调等配套厂商的共同努力,实现能耗降低的同时,还可以扩大新能源的应用范围,更多地采用太阳能、风能等可再生能源为网络设备供电,有助于降低碳排放。