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5G数字化室分 解决话务量海量增长难题

移动互联武光宇│文

5G无线网络采用更高的频段使传统室分系统部署受限,数字化室分系统将占据更重要的地位。大唐移动5G数字化室分系统能够提供更大的容量和更优的性能,能够满足与4G室分同点位部署,产品系列化,满足多场景的5G室分网络部署需求。

1、引言

5G网络的目标是为多种业务提供高速、高可靠、低时延、多连接的无线通讯。5G的典型业务更多的是发生在室内:

eMBB---4G时代,70%的流量发生在室内。随着5G业务的多样性和行业边界的扩展,未来超过85%的移动流量将发生在室内,典型的包括高清视频,游戏等业务。

uRLLC---远程医疗、智慧制造等多种低时延、高可靠的业务发生在室内。

mMTC---海量连接的物联网设备大量存在于室内场景。

5G时代的室分网络将占有更加重要的地位的同时,5G业务也对网络的速率、时延等性能的要求大大提升,如:4K的高清视频要求上下行的传输速率达到20Mbps,而高级的VR业务体验要求端到端的业务传输时延小于10ms。

2、5G室分建设的挑战

中国的5G频段已经基本确定,5G网络将在2.6G 、3.5G、4.9G和毫米波频段上部署。2G/3G/4G无线网络中,大量建筑物室内覆盖依靠室外宏站的无线信号穿透到室内来完成,只有在室外信号无法穿透墙壁时才需要建设室分。存量室分网络的频率主要为900MHz/1800MHz/2100MHz/2300MHz,更高的频段会带来更高的穿透损耗。如3.5G穿透混凝土墙壁,每穿透一面墙壁会产生额外的8-13dB链路损耗。而毫米波频段5G信号将丧失穿墙能力(60dB)。5G高频率带来的穿透损耗将使室外宏站覆盖室内更加困难,这样使5G网中更多的室内建筑需要建设室分系统。

不同频段的穿透损耗如下:

不同频段的室内传播损耗对比如下:

传统的室分主要采用大功率信源(BTS或者RRU)连接无源室分系统(馈线/功分器/耦合器/蘑菇头天线等)完成覆盖。但这种传统的室分系统在5G网络中应用也将面临很大挑战:

  • 高频率使馈线损耗加大,如3.5G 在7/8馈线的传播损耗达到8dB/100m,比900M频段高约4dB;3.5G在1/2馈线的传播损耗达到15dB/100m,比900M频段高约8dB。
  • 传统的室分一般只建设一路天线馈线系统,只有少量建筑物内建设了双路室分。而5G网络为了满足更高的速率要求,在高容量需求的场景为了支持4x4MIMO,需要建设4路天线馈线系统。
  • 已经建设完成的室分系统采用的功分器、耦合器和天线等无源器件不支持3G以上的频段。

5G室分网络建设如前所述,为了满足高清视频等业务的需求,需要提供更高的带宽,这对运营商建设室分网络的建设标准提出了更高的要求。对于5G网络的室内建设目标目前业界还没有统一的标准。为了保证用户远高于4G的用户体验,建议5G网络保证室内外同等体验,高流量价值室内网络的目标高于室外,高价值区室内边缘速率建议100Mbps(下行)。我们需要根据这个标准来分析5G 数字化室分系统的输出功率等关键参数,高的数据速率也使5G数字化室分的输出功率大大提升。

3、数字化室分的特点

数字化室分与传统的无源器件组成的室分系统不同,采用BBU + 集线设备(rHUB)+分布式的PicoRRU(天线一体化),通过网线和光纤部署实现对建筑物的覆盖。数字化系统相对于传统的室分系统有明显的优势:

  • 支持MIMO,提供更高的容量
  • 支持灵活分裂小区,可以进一步提升网络容量
  • 采用光纤和网线部署,工程相对容易
  • 系统末端可监控

数字化室分具有部署灵活、容量大、可监控等优点,在4G网络中已经大量采用。经过几年的部署,已经得到了三大运营商的认可。如中国移动在TD-LTE的网络建设中明确要求新建的室分要大量采用包括数字化室分在内的新型室分系统。大唐移动开发的4G及多模数字化室分系统PinSite已经在多个省份应用,主要面向交通枢纽、大型商场、大学宿舍、酒店等话务量高或比较重要的高价值区域。到5G时代,由于5G的频段更高,由于面临上述的挑战,5G的室内覆盖采用数字化室分无疑是合理的解决方案。

4、5G数字化室分的架构和挑战

5G的数字化室分和4G系统一样采用BBU + 集线设备(rHUB)+分布式的PicoRRU(天线一体化)的架构。但是由于5G系统的特点,对系统设计带来了新的挑战:

多天线技术

5G带宽速率大大提升,所以在高容量场景应支持4x4的MIMO功能,PicoRRU应支持4天线。由于天线数的提升使PicoRRU传输到BBU数据带宽大大增加,需要传输的网线和光纤支持更高的传输速率。

大功率和供电

5G的频段普遍比较高,传播损耗和穿透损耗都比较高,为了提升数字化室分系统的覆盖能力,同时减少PicoRRU的部署密度,减少网络建设成本,PicoRRU需要支持更大的功率。大功率对于设备的供电提出了挑战,为部署便捷,4G的PicoRRU采用网线POE(Power On Ethernet)供电,避免每个PicoRRU都要拉单独的电源线,但POE供电最大能力为30W,所以5G PicoRRU需要设计更大的供电能力。

数字化室分系统在面对上述挑战下,要在多种技术方案间进行权衡:

  • 大功率 vs 小功率:大功率(>=4*400mW)覆盖范围大,部署成本低;但功耗高,受限于POE供电能力(<70W);大功率也使Pico体积增大,有辐射的安全隐患。
  • Cat6A网线 vs 光电混合缆:Cat6A网线成本低,支持POE部署灵活;光电混合缆支持Pico的大功率,长拉远距离;更高的带宽。两者对比如下:

  • 不同通道数的选择:更高的通道会带来更高的性能,但成本也会相应增加。2通道和4通道对比如下:

5、大唐数字化室分系统

为满足上述5G网络室内覆盖的要求,大唐移动开发了5G数字化室分系统:

BBU

  • 标准BBU,扩容便利,支持4G/5G双模
  • 支持灵活的小区分裂和合并,便于精确优化;
  • 统一网管,管理无死角

rHUB

  • RHub支持8*10G 以太接口,可连接8个Pico
  • POE供电
  • 支持4级Rhub级联

PicoRRU

  • 支持3300~3600或2515MHz~2615MHz
  • 内置4路天线通道
  • 支持100M NR带宽
  • 输出功率 4*250mW
  • 传输带宽:10Gbps
  • 连接方案:Cat6A网线
  • 供电:POE
  • 体积:2.6L
  • 重量:2.6Kg
  • 防护等级:IP31

大唐移动的数字化室分系统采用了创新的电路设计和结构设计方案,使PicoRRU的体积更小、重量更轻,外观更加美观,适合在商场、酒店、机场等重要的场景部署应用。而且PicoRRU支持 4天线,使单小区的峰值速率可以达到1.5Gbps,支持Pico的灵活分裂小区,每个rHUB连接的8个PicoRRU可以灵活分裂成多个小区,使系统的容量成倍增长,可以解决建筑物内话务量的潜在海量增长。

6、大唐移动5G数字化室分系统的性能

大唐移动的数字化室分系统不但能够与4G数字化室分系统同站点部署满足连续覆盖的要求,而且能够达到很高的网络性能。以2.6G的数字化室分为例,2.6GHz NR 4T4R,4*250mW发射功率配置下的PICO,按DL = 100Mbps为边缘点规划时,覆盖距离好于LTE-95规划电平覆盖距离,与LTE-105规划电平点覆盖距离相当。按DL = 200Mbps为边缘点规划时,覆盖距离基本与LTE -95dB规划电平覆盖距离相当。修正的R.P.1238模型下(参考4G时,对1238模型的修正),传播条件趋于苛刻, 4*250mW时,按DL 100Mbps进行规划,覆盖距离与LTE -105距离相当。这样5G的数字化室分系统可以与4G同点位部署,也使5G/4G双模数字化室分可行。

7、5G数字化室分的应用

数字化室分系统不但外型美观,而且网络性能更是远高于传统的DAS系统,但是成本相对较高,所以更加适合在话务量比较高的交通枢纽、会议中心、大型商场等场合使用。而一些低价值、低话务量的区域可以考虑传统DAS等方案进行覆盖。

但是也应考虑到,即使在话务量相对一般的室内场景,如酒店、公寓等,考虑到用户的业务需求快速增长,视频业务在手机上的普及以及不限流量套餐的推广使用,未来流量的快速增长也是可以预期的。由于室分系统建设工程量大,新的建筑物建设完成后,一旦投入使用改造困难,从长远来看,采用数字化室分来进行5G网络的覆盖,虽然一次性投资较大,但避免了室分系统的二次改造,从长远来看,还是更加合理的建设方案。且从4G数字化室分的部署经验,一旦部署数字化室分也会刺激业务流量的潜在增长:

上图为某高校部署数字化室分后,业务流量的增长情况

数字化室分不但能够应用在传统的室内覆盖区域,而且与方向性天线等配合也可以使用在体育馆的话务量超大场景,对人群流量密集的看台等区域进行精准的覆盖,满足这些区域大话务量的需求:

8、产品系列化

预计2019年5G网络初步建设完成后,从2020年开始进入网络的精细化补盲建设和优化阶段,这时更多的场景会提出更多样化的产品需求,大唐移动数字化室分也已开始系列化的产品开发:

频多模需求:

  • 移动:单模NR 2.6G;双模:2.6G/NR+2.3G/TDL;三模:2.6G/NR+2.3G/TDL+1.8G/900M/FDD
  • 联通:单模NR 3.5G;双模:2.6G/NR+1.8G/FDD;
  • 电信:单模NR 3.5G;双模:3.5G/NR+1.8G/FDD;三模:3.5G/NR+1.8G/FDD+800M/CDMA

室内型和室外型

其中多模的PicoRRU由于需要更大的发射功率和更高的传输带宽,需要用光电混合缆来提供PicoRRU的供电和数据传输。而室外型PicoRRU除了要支持防水防尘等功能外,也要支持更大的发射功率。

9、数字化室分的未来演进

从5G网络的发展角度,不但要让消费者切实的感受到5G技术进步所带来的感知提升,而且要让5G与垂直业务结合的更紧密,这样带来更多新的业务。未来的数字化室分系统除了要提供无线网络的覆盖功能,还可以演进支持更多的增值功能,给运营商带来更大的投资收益。如:数字化室分可以支持室内的定位业务,与MEC结合,可以给室内用户提供定位、导航、广告推送等多种业务,而且定位业务与VR/AR等业务结合,可以使OTT厂商开拓更据创新性的互联网应用。

随着带宽需求的进一步增长,需要在室内使用毫米波产品。毫米波频段也是5G的重要频段,由于低端频段使用殆尽,毫米波室分产品是满足容量需求比较有潜力的解决方案。在各场景中(LOS/NLOS),毫米波(30~40GHz)比低频(3.5GHz)的路损高18-25dB; NLOS比LOS高20dB~25dB左右(距离100m~200m);穿透损耗增加超过11dB(由保温玻璃和混凝土构成的墙面),所以,毫米波室分可以在LOS覆盖场景,如火车站,飞机场,会议室等区域有超大业务量需求时使用。大唐移动的毫米波产品正在开发中。