5G室分分布式MIMO建设方案研究

2021-12-20李隆平

通信电源技术 2021年12期

李隆平，鲁星

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

0 引言

截至目前，我国已建5G基站超70万余座。5G时代流量大爆发，运营商5G网络建设策略将由现在的广覆盖向深度覆盖转变，重点城市、重点区域以及重点场景等先行部署5G网络，未来几年5G室分网络将步入大规模部署期[1]。当前行业增量不增收，运营商部署5G室分成本压力增大，为缓解面临的巨大资金投入压力，寻求低成本、高效率的创新性解决方案成为5G室分建设主流。

1 5G室分网络加速垂直业务发展

1.1 大带宽、高速率业务需求

5G时代，视频平台为用户提供更好的视觉体验。通过提升视频分辨率，视频播放画质水平可以达到4K/8K级。超高清内容生产厂商将选择具备超高清视频播放功能的平台进行合作，届时支持超高清视频播放的平台将获得更多的内容资源，以此提升平台整体的载客能力，吸引大量的流量进入，同时转化更多的付费用户[2]。

1.2 广连接业务需求

随着物联网的快速部署和5G网络技术的不断突破，大量新兴市场应运而生，例如车联网、智慧城市以及智慧家居等。此类行业涉及到大量终端互联的场景，5G网络支持海量终端设备的连接，因此5G对于车联网、智慧城市和智能家居场景的发展起到了较大的推动作用。目前这些产业的市场规模整体均呈现上升趋势，尤其在5G商用后，车联网、智慧城市以及智能家居将迎来突破式发展[3]。

1.3 高可靠、低时延业务需求

5G的一个应用场景是无人驾驶、远程医疗、工业自动化等的高可靠、低时延连接。人与人正常进行信息交流的时延大约是140 ms，如果这个时延应用于无人驾驶、远程医疗、工业自动化等领域，就难以保障其持续稳定的运行。5G网络的时延是1 ms以内，这就对网络技术提出了更高的要求[4]。

2 5G室分建设面临挑战

运营商5G部署策略由室外广覆盖向室内深度覆盖转变，优先做好城市、重点区域、重点场景等5G室分网络建设，未来3年内呈现大规模建设5G室分网络态势。目前个人业务仍然占据运营商运营业务的重要部分，快速高效低成本部署5G室分网络尤为迫切。与2G/3G/4G网络相比，建设5G室分网络又面临新的巨大挑战[5]。一是5G室分业务具有频段高、穿透衰耗大以及进入大规模布署期等特点，80%以上业务发生在室内；二是5G室分大规模快速部署带来巨大资金压力，5G有源室分功耗较大导致运营成本增加；三是建设工期长，多家电信企业多次进场等增加物业协调难度；四是短期内5G信源主设备供货及时性难以得到保证。

3 5G室分分布式MIMO技术原理

3.1 建立5G室分分布式链路预算模型

依据5G信号室内空间自由传播的特点建立5G室分分布式链路预算模型，如图1所示[6]。

图1 5G室分分布式链路预算模型

根据协议3GPP 38.901原理阐述，室内空间自由传播损耗可采用如下公式进行计算[7]：

式中，fc代表频率，单位为GHz；d3D代表终端与天线的距离，1 m≤d3D≤150 m。

3.2 测算MIMO天线间距对峰值速率影响

移动5G室分采用2.6 GHz频段，与4G接近，MIMO（2T2R）天线间距可参考4G。电信联通5G室分采用3.5 GHz频段，本次测试重点关注3.5 GHz频段下5G室分MIMO（2T2R）天线间距对峰值速率的影响。

选择3个典型覆盖点位，每个天线点位两副天线的布放间距按信源发射频段3.5 GHz进行计算，分别设置为6入（0.5 m）、10入（0.86 m）、15入（1.3 m），同时分别设置天线间距0.5 m、0.86 m、1.3 m以及1.6 m。在同一试验测算条件下，为了确保不同位置下测试的峰值速率接近理论值，在同一天线间距下极近点取典型值的3个点位的平均吞吐率，近点取典型值的3个点位的平均吞吐率，中点取典型值的3个点位的平均吞吐率，远点取典型值的3个点位的平均吞吐率。取以上4个位置点测试所得的最高吞吐率作为该布放天线间距下的峰值速率，通过对比不同天线间距下的峰值速率，寻找MIMO（2T2R）的最佳天线布放间距。

由测试数据可知，极近点处的吞吐率受天线间距变化的影响较小，近点和远点吞吐率受天线间距变化影响较大。天线间距控制在0.8 m及以上吞吐率较高，天线间距控制在1.3 m吞吐率达到最佳[8]。

3.3 5G室分分布式MIMO技术优势

相比4G，5G拥有大规模天线（Massive MIMO）技术的优势。Massive MIMO技术原理为通过多天线立体化多维度同时建立信号传输通道，实现信号的空间复用和数据传输速率的提升。室内分布式MIMO是该技术在室内的一种应用形式，是指利用一台或多台主设备信源的不同通道将传统无源室内分布系统的多个收发节点联合起来构建更高维度的多天线收发系统，达到多通道联合收发信号和提高目标覆盖区域5G峰值速率的目的。5G室分分布式MIMO（2T2R）组网如图2所示[9]。

图2 5G室分分布式 MIMO（2T2R）组网

4 5G室分分布式MIMO建设方案

当前5G室分分布式MIMO主要有两种技术应用方案，一是同楼层分布式MIMO覆盖技术方案，二是跨楼层分布式MIMO覆盖技术方案[10]。

4.1 同楼层分布式MIMO覆盖技术方案

同楼层分布式MIMO主要指将同一楼层覆盖不同区域且相邻的室内分布系统作为主设备信源的分布式MIMO使用，不同支路的室内分布系统发射的信号覆盖至相同区域后形成分布式MIMO区域，从而达到提升目标覆盖区域峰值速率的目的。在环境较好的条件下，同层双路室内分布系统间分布式MIMO 4T4R组网时5G下载速率预计提升30%～50%。

4.2 跨楼层分布式MIMO覆盖技术方案

跨楼层分布式MIMO主要指将相邻楼层覆盖相同对应区域的分布系统作为主设备信源的分布式MIMO通道使用，不同楼层发射的信号穿透楼板后与相邻楼层形成分布式MIMO区域，从而达提升峰值速率。在环境较好的条件下，跨楼层双路分布系统分布式MIMO 2T2R组网时5G下载速率预计提升10%～20%。

5 5G室分分布式MIMO应用场景

一是单层楼宇面积较大，需要多路室分系统进行覆盖，且相邻两组分布系统间环境相对开阔，存在部分无线信号重叠覆盖区，如地下停车场、超市、生产车间、仓储式购物中心以及低容量地铁站站厅等。二是多层楼宇，单层面积较小，但相邻两层建筑建构相同，分布系统部署方式相近，楼层间无线信号穿透损耗不大（如层间楼板较薄、层间存在开放天井区域等），本层可收到跨层无线覆盖信号，如写字楼、酒店、医院住院部等。三是同时具备一、二类建筑特征，单层面积较大、多层间建筑结构相同、分布系统部署方案相近，同层及跨层间均可能收到多组分布系统覆盖信号，如大型商场、展览馆、医院门诊大楼低楼层区域、酒店低楼大厅以及宴会层等。