传统室分系统向5G演进探讨

国王长了驴耳朵

摘要

首先对现网室分器件5G频段的支撑情况进行了分析，然后对器件基于新的设计方案性能指标进行测试分析，接着对传统无源分布系统向5G演进的挑战和方案进行了探讨，最后对传统无源分布系统向5G演进给出了初步建议。


关键词
无源器件；馈线；室分天线；高频段；高阶MIMO


1    概述
从全球运营商角度看，5G潜在部署频段主要分为6GHz以下频段和6GHz以上频段2个大的范围。工信部发布的无线电频率划分草案，6GHz以下频段将3300-3600MHz和4800-5000MHz频段划分为5G频段，并限定3300-3400MHz频段原则上限于5G室内使用。
目前室内分布建设仍以无源分布系统为主，无源室内分布系统主要由信号源和信号分布系统两部分组成，是纯模拟系统。其中信号分布系统是由无源器件、天线、缆线等组成。目前现网无源器件和室分天线支撑的频段为800-2700MHz，不支撑5G系统的频段，传统室分系统演进支撑5G系统需要进行评估。本文将从无源器件、馈线、天线和建设方案等方面对传统室分演进5G的可行性进行分析。


2   传统室分器件对5G频段支撑情况
2.1  无源器件对5G频段支撑情况
目前现网无源器件的频段为800-2700MHz，不支撑5G系统的频段，下表是现网无源器件在3.4-3.6GHz和4.4-5GHz频段的测试结果。

通过上表的测试数据可知，现网无源器件指标在3.4-3.6GHz、4.4-5GHz不满足指标要求，严重时甚至出现器件失效的情况。现网无源器件无法支撑5G频段的部署，现有室分系统无法直接合路升级支撑5G。
基于可实现的新技术，功分器采用多级阻抗变换级联推进技术，在长度增加的情况下实现频段拓展。耦合器和电桥采用三节导带复用技术，内部传输介质体积增加，实现频段拓宽，合路器可延用传统的腔体滤波技术。
根据仿真结果，3.4-3.6GHz、4.4-5GHz频段的无源器件仿真结果可满足现网器件的指标要求；800-3600MHz器件样品的实测结果性能指标可达到现网器件的指标要求；无源器件可以满足5G低频段的应用需求，相比现网器件，体积和成本都有所提升。

2.2  馈线对5G系统频段支撑情况
现网1/2和7/8馈线可支撑3.5GHz和5GHz部署，但是在3.5GHz和5GHz频段损耗相比4G频段增加明显；
1/2馈线在3.5GHz百米损耗比2.1GHz增加33%，5GHz百米损耗比2.1GHz增加63.3% ；
7/8馈线在3.5GHz百米损耗比2.1GHz增加30%，5GHz百米损耗比2.1GHz增加62.6%；
13/8漏缆不支撑3.5GHz和5GHz频段；
现网馈线基本可满足5G频段的部署要求，但对工程方案设计提出了功率更高的余量要求。

2.3  室分天线对5G系统频段支撑情况
现网室分天线频段不支撑5G系统频段，实测结果驻波比均高于指标要求，不能部署在5G系统频段；天线通过新设计方案能支撑5G频段。通过忽略不圆度指标实现高度降低，体积与现网室分天线相当，5G室分天线S参数与现网器件基本一致，方向图指标待优化；目前已有单极化和双极化吸顶天线和壁挂天线。

3  5G传统室分系统的挑战

传统室分系统向5G系统演进，将面临频段、通道数、覆盖和信源等问题。现网室分系统无法直接合路升级支撑5G，新建无源分布系统理论上可以满足5G频段的需求，但成本和代价较大。从以下几方面对5G传统室分的挑战进行详述。

3.1  高频段
现网无源器件频段较低，无法兼容3.4~3.6GHz, 4.4~5GHz频段使用，现网无法直接合路升级支撑5G；如上文所述通过新的器件设计和定制，室内无源器件可以满足5G高频的应用需求，成本会有所提升。
馈线在3.4~3.6GHz和4.4~5GHz频段损耗相比4G频段增加明显，尤其是1/2馈线在高频段内百米损耗恶化程度严重，对工程方案设计提出了功率更高的余量要求。
3.2   通道数
现网无源室内分布系统以1T1R的单发系统为主，在LTE升级中的2x2 MIMO演进升级需要新增一套射频系统，成本和施工难度巨大，只在高业务需求场景应用；
面对5G系统大容量需求：大部分场景需要4x4 MIMO，4x4 MIMO需要4路馈线，施工难度和建设成本均会大幅增加，4路馈线支撑MIMO的能力较差，会造成性能损失。
3.3  覆盖
3.5G频段在室分覆盖中传输损耗比现有2.1G频段和1.8G频段大得多；
单从自由空间损耗考虑，天线覆盖半径就只有LTE的一半，再考虑穿透损耗等方面覆盖半径还要更小；
如要保证同覆盖（边缘场强接近），按同现有室分天线点位考虑，5G总体损耗比4G高7-9dB；
增加5G信源设备数量或在已有天线点的基础上增补天线点，可满足5G覆盖要求。

3.4  5G信源
传统室分部署需要4通道或2通道大功率信源，目前主设备厂家并未规划4通道或2通道RRU，未来可能面临没有大功率信源的问题。

4  传统室分向5G演进方案探讨

4.1  已建传统室分向5G演进探讨
4.1.1  传统室分改造方案
现网DAS系统改造升级5G系统，需更换无源器件（功分器、耦合器、合路器、电桥等）和室分天线；器件安装位置分散，更换难度极高，且物业协调困难，整改周期长；
现网绝大部分只支撑1T1R，通道数有限：如全面改造为2或4通道，投资很大，且可能由于管井布线空间有限难以实施，即使实施也难以保证新/旧通道一致性。
现有室分系统直接增加新频点信源，无法满足覆盖要求，需通过增加信源、增加天线密度等方式满足边缘场强要求。
现有室分系统无法直接合路升级支撑5G，不建议更换无源器件和室分天线进行改造。

4.1.2  变频系统演进方案
变频系统由变频合路单元、变频远端单元和远端供电单元三部分组成。变频系统的核心思想是将5G射频信号变频至800M ~2700M，然后与2/3/4G射频信号进行合路输出，最后馈入无源室分系统。变频远端单元降变频后的射频信号转回5G射频信号，然后与馈线上的2/3/4G射频信号进行合路输出，最后通过内置天线发射。采用该方案单根馈线可实现2*2MIMO，2根馈线即可实现4*4MIMO，源室分系统中无源器件和馈线不需更换，需增加变频合路单元、POE供电监控单元，更换原天线为变频室分天线单元，改造只在信源侧和末端进行，可实施性较好。
传统室分采用变频系统向5G演进在技术上可行，但产品需要和光纤分布系统等产品进行综合评估其成本是否存在优势。

4.1.3  数字化室分演进方案
传统DAS系统向5G演进受限，5G的网络需求驱动室内覆盖向数字化转型。因此对于已建传统室内分布系统的场景5G室内覆盖可采用数字化方案，微站、微RRU和光纤分布系统是5G网络可行的室内覆盖方案。采用数字化方案可实现4T4R，支撑更高的容量和带宽，实现数字化运维，为用户带来更好的体验。

4.2  新建传统室分方案分析
5G信号在空间和线缆中传播损耗与3G/4G相差较大，5G信源考虑末端合路（5G信源放置于平层），适当提高信源功率或增加天线点位通过合理的布线可满足5G覆盖要求；对容量要求较高的区域需采用4通道建设，4*4 MIMO需要4路馈线，施工难度和建设成本均会大幅增加，4路馈线支撑MIMO的能力较差，会造成性能损失，新建4通道场景成本和代价较大，不建议5G系统采用传统无源分布系统；对容量要求不高的区域，可考虑采用2通道进行建设，但成本仍需进行评估。

4.3  隧道场景建设方案
泄漏电缆是一类特殊的同轴电缆，与同轴电缆具备一样的同轴结构，所以也受到同轴电缆截止频率的制约只能传播频率在截止频率以下的TEM波。现网应用13/8型号的漏缆不支撑3.5GHz频段，现有漏缆建设方案不适用于5G系统。目前支撑5G频段的漏缆传输损耗较大，需要寻找合适的解决方案。目前的解决方案主要由以下两种：
方案一：
新增支撑更高频段、损耗更小的漏泄电缆；
方案二：
允许进行改造的隧道场景，可采用微站或光纤分布系统进行覆盖。

4.4  频谱重耕传统室分向5G演进探讨
对现网2/3/4G频率的频谱重耕，传统室分可利旧无源器件和室分天线实现向5G快速升级，只需新增5G信源。现网传统室分单通道占比较高，因此频谱重耕方案只适用于业务量低的区域，对容量需求高的场景还需采用其他5G建设方案。

5  结束语
现网无源器件和室分天线无法支撑5G低频段的部署，现有室分系统无法直接合路升级支撑5G系统；通过新的器件设计和定制，室内无源器件和天线可以满足5G高频的应用需求，对于改造场景和新建4通道场景成本和代价较大，不建议5G系统采用传统无源分布系统；对容量要求不高的区域，可考虑采用2通道进行建设，但成本仍需进行评估。

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编辑概况
郭希蕊，工程师，硕士毕业于重庆邮电大学，现任职于中国联通网络技术研究院，主要从事无线通信研究相关的工作；张涛，工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任职于中国联通网络技术研究院，主要从事无线通信技术相关的研究工作。