【摘 ?要】為解決5G室內(nèi)覆蓋遇到的難點問題，分析了幾種主流的5G室內(nèi)分布系統(tǒng)方案，對其中的新型室分關(guān)鍵技術(shù)進行了深度分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合幾種壓縮算法給出了BBU-PB、PB-PB、PB-pRRU各段鏈路的IQ位寬及相應(yīng)性能，最后詳細(xì)對比了各種方案的優(yōu)缺點，包括5G DAS、新型室分、白盒小站等，對5G室內(nèi)分布系統(tǒng)演進進行了展望。

【關(guān)鍵詞】5G;室內(nèi)覆蓋;新型室分;DAS

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.12.013 ? ? ?中圖分類號：TN929.5

文獻標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號：1006-1010（2019）12-0067-07

引用格式：梁力維，魏廣寧. 5G室內(nèi)分布系統(tǒng)解決方案[J]. 移動通信， 2019，43（12）： 67-73.

5G Indoor Distribution System Solution

LIANG Liwei， WEI Guangning

（Guangdong Branch of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510180， China）

[Abstract]?To tackle the difficult issues encountered in 5G indoor coverage， this paper analyzes several mainstream 5G indoor distribution system solutions， and investigates the corresponding novel key technologies in depth. Furthermore， several compression algorithms provide the IQ bit width and the corresponding performance for BBU-PB， PB-PB， and PB-pRRU links. Finally， a comprehensive comparison is given in terms of the advantages and disadvantages of various solutions， including 5G DAS， new room division， white-box small stations， etc.， and the evolution of 5G indoor distribution systems is prospectively discussed.

[Key words]5G; indoor distribution; new indoor distribution; DAS

0 ? 引言

隨著5G牌照的發(fā)放，未來幾年將會是5G建設(shè)的高峰期，而室內(nèi)覆蓋是5G建設(shè)的重點。4G時代的室內(nèi)覆蓋主流方案有室外照射室內(nèi)、DAS和新型室分。中國電信5G的頻段是3 400 MHz—3 500 MHz共100 MHz帶寬，這個頻段穿透損耗較大，室外照射室內(nèi)的效果會差一些，所以5G的室內(nèi)覆蓋以5G室分系統(tǒng)為主。在選擇一種5G室分系統(tǒng)時，運營商主要考慮以下幾個方面：

（1）性能。最高支持3.5 GHz頻段4T4R 100 MHz 256QAM，部分低端場景可以考慮2T2R。

（2）成本。由于5G采用了大帶寬，需要采用較高規(guī)格的器件，設(shè)備的硬件成本同步增加。同時3.5 GHz覆蓋半徑比4G的1.8 GHz/2.1 GHz小，需要的5G站點數(shù)也比4G多，室外站建設(shè)資金也會比4G時代多。室內(nèi)場景在滿足需求的前提下，成本要盡可能地降低，對于不同檔次的室內(nèi)場景，需要有降成本的5G室內(nèi)覆蓋方案。

（3）節(jié)能。4G時代電費在運營商網(wǎng)絡(luò)OPEX中占較大比例。5G設(shè)備帶寬性能提升了，設(shè)備的功耗對應(yīng)增加了，電費也是一筆不小的支出，需要考慮有效的節(jié)能手段。

（4）電聯(lián)共享。中國電信和中國聯(lián)通已經(jīng)正式發(fā)文采用共建共享的方式進行5G建設(shè)，5G室內(nèi)分布系統(tǒng)也需要支持共建共享。

（5）支持NSA/SA。國內(nèi)運營商的5G建設(shè)會有NSA和SA兩個階段。5G室內(nèi)設(shè)備需要同時支持NSA/SA，在向SA演進時不需要更換設(shè)備。

目前可供選擇的5G室內(nèi)分布系統(tǒng)方案有5G DAS、新型室分（也叫有源室分）和5G白盒小站。

1 ? 5G DAS

從2G時代開始，DAS室分就是室內(nèi)覆蓋建設(shè)的主流方案。DAS室分具有產(chǎn)業(yè)鏈成熟，性能穩(wěn)定，價格適中的特點。在2G/3G時代深受運營商的青睞。

2G/3G時代用戶的業(yè)務(wù)以語音為主，同時有少量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)話務(wù)量不高，單路DAS可以滿足用戶的需求。

在4G時代，用戶業(yè)務(wù)演變?yōu)橐詳?shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主。由于國內(nèi)市場競爭激烈，運營商提前結(jié)束了“流量收入紅利”，推出的不限流量套餐讓網(wǎng)絡(luò)容量頻頻告急，在話務(wù)量偏高的建筑內(nèi)單路DAS顯得很吃力。將單路DAS改造為雙路DAS的工程非常復(fù)雜，鏈路不平衡導(dǎo)致MIMO性能難以保證。所以在話務(wù)量偏高的區(qū)域（機場、火車站、學(xué)校、醫(yī)院等）運營商傾向采用新型室分。

1.1 ?5G DAS的難點

（1）無法利舊存量4G DAS無源設(shè)備。中國電信現(xiàn)有DAS無源器件（功分器、耦合器、合路器、室分天線等）支持的頻段范圍是800 MHz～2.7 GHz。中國電信5G的頻段是3.5 GHz，如果要采用DAS部署5G，需要新建一套DAS系統(tǒng)，采用新的無源器件來支持3.5 GHz頻段。

（2）工程難度大。5G業(yè)務(wù)以高流量為主，預(yù)計超過一半的室內(nèi)場景需要4T4R，其它場景主要采用雙路DAS實現(xiàn)2T2R，極少量的區(qū)域接受單路DAS實現(xiàn)1T1R。4路DAS工程實現(xiàn)非常復(fù)雜，4T4R MIMO也難以保證。實際落地還是以雙路DAS為主。

（3）成本沒有競爭力。5G DAS建設(shè)成本成倍增加，主要原因如下：

◆支持3.5 GHz頻段無源器件的價格是4G DAS無源器件價格的2倍以上。有可能是器件沒有量產(chǎn)的原因，不過設(shè)備量產(chǎn)取決于市場份額。

◆3.5 GHz頻段在饋線上的損耗比較大，需要更多室分天線點位。

◆實際落地的5G DAS以雙路DAS為主，雙路DAS也會帶來成本的提升。

東南某省設(shè)計院提供的DAS報價如表1所示：

表1 ? ?4G DAS與5G DAS造價對比

4G DAS造價（元/m2） 5G DAS造價（元/m2）

單路DAS 雙路DAS 新建單路DAS 新建雙路DAS

7.5 11.2 25.08 29.4

1.2 ?5G DAS試點

作為一種5G室內(nèi)覆蓋解決方案，中國電信也進行了試點。測試環(huán)境是大型餐飲，半開闊空間，DAS布點圖如圖1所示：

圖1 ? ?5G DAS試點局布點圖

新建一套雙路DAS系統(tǒng)同時支持2.1G LTE+3.5G NR，試點結(jié)論如下：

（1）相同輸出功率情況下：3.5 GHz平均接收場強-81.5 dBm，2.1 GHz平均接收場強-76.9 dBm，3.5 GHz信號比2.1 GHz信號差5 dB。

（2）3.5 GHz覆蓋信號大于-105 dBm區(qū)域占比高于90%，滿足覆蓋要求。

（3）雙路DAS 3.5 GHz NR小區(qū)峰值下載速率可達到600 Mb/s以上，但平均下載速率較低（300 Mb/s～

400 Mb/s），下行RI值較低，說明DAS雙路不平衡，下行達到雙流的點位較少。

（4）雙路DAS 3.5 GHz NR小區(qū)上傳平均速率為65 Mb/s～80 Mb/s，指標(biāo)較好。

從試點結(jié)果可以看出：DAS可以作為5G室內(nèi)分部系統(tǒng)的一種解決方案，在網(wǎng)絡(luò)容量和建設(shè)成本都滿足需求的情況下可以作為一種建設(shè)方案。

2 ? 新型室分

在4G時代，中國電信已經(jīng)開始大規(guī)模部署新型室分。主流設(shè)備商都支持新型室分，如中興的QCELL，華為的LampSite和愛立信的Dot等。

新型室分采用三級架構(gòu)，由基帶單元（BBU）、匯聚單元（PB）和遠(yuǎn)端射頻單元（pRRU）組成，示意圖如圖2所示：

圖2 ? ?新型室分架構(gòu)

新型室分具備容量高、部署快、全鏈路可監(jiān)控等特點，4G時代中國電信已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用。5G時代新型室分也是一種主流方案，5G的pRRU與PB之間支持光電復(fù)合纜，拉遠(yuǎn)距離可達300 m，很好地解決了大型場館的部署難題。

2.1 ?新型室分關(guān)鍵技術(shù)

4G時代pRRU與PB之間采用網(wǎng)線傳輸，pRRU支持多頻多模，同時支持中國電信850 MHz+1.8 GHz+2.1 GHz全頻段LTE。PB與pRRU之間可選的網(wǎng)線有CAT5E（速率2.5 Gb/s）、CAT6（速率5 Gb/s）和CAT6A（速率10 Gb/s）。同時為了控制成本，QCELL 1.0 PB與pRRU之間網(wǎng)口芯片只支持1 Gb/s，QCELL 2.0 PB與pRRU之間網(wǎng)口芯片支持2.5 Gb/s。支持5G的新型室分PB與pRRU之間接口速率為10 Gb/s。

為了控制成本，提高產(chǎn)品競爭力，BBU-PB-pRRU之間對IQ數(shù)據(jù)進行了壓縮，通常CPRI接口IQ數(shù)據(jù)位寬有16 bit，壓縮后鏈路各部分的IQ位寬如圖3所示：

圖3 ? ?新型室分鏈路各部分的IQ位寬

BBU與PB之間是9 bit位寬，級聯(lián)的兩個PB之間是9 bit位寬，PB與pRRU之間采用7 bit位寬。在這個基礎(chǔ)上第一代新型室分產(chǎn)品PB與pRRU之間采用1 Gb/s速率可以支持2個2T2R LTE載波+6個CDMA載波。

5G時代，需要支持4T4R 100 MHz NR小區(qū)，針對這個需求，仿真鏈路模型如圖4所示：

圖4 ? ?新型室分IQ壓縮仿真模型

比較接收端的調(diào)制符號（記為D）與發(fā)射端調(diào)制之后的符號浮點數(shù)據(jù)的EVM，計算公式為：

EVM= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

不同帶寬下的RB數(shù)為10、133與272，針對各種帶寬的調(diào)制方式有16QAM、64QAM與256QAM。一共有9種組合，9種組合的PAPR如圖5所示。

由上述結(jié)果可見：PAPR的分布與調(diào)度的RB數(shù)有關(guān)，相同的ERS下，調(diào)度的RB數(shù)越多，時域功率越大，平均的PAPR也相應(yīng)增加。此外，調(diào)度的RB數(shù)增加到一定程度后PAPR的增速變慢。另外，在相同的RB數(shù)下，PAPR的分布幾乎與調(diào)制階數(shù)無關(guān)。

上述9種場景時域信號位寬分布如圖6所示，將位寬按照實際整數(shù)量化之后，結(jié)果如圖7所示：

圖7 ? ?位寬按照實際整數(shù)量化后位寬分布

與PAPR的分布結(jié)果類似，時域信號的位寬也與調(diào)制階數(shù)不相關(guān)。

采用上述的仿真方法，假設(shè)初始位寬是16 bit，對比了以下三種壓縮算法：

（1）16 bit ->AGC-> X bit：采用AGC算法將16 bit位寬壓縮至X bit位寬，X分別取值6 bit、7 bit、8 bit、9 bit。

（2）16 bit -> A-law ->X bit：采用A-law算法將16 bit位寬壓縮至X bit位寬，X分別取值6 bit、7 bit、8 bit、9 bit。

（3）16 bit-> AGC->12 bit->A-law->X bit：結(jié)合AGC與A-law，先通過AGC將16 bit壓縮到12 bit，然后再采用A-law將12 bit壓縮至X bit，X分別取值6 bit、7 bit、8 bit、9 bit。

仿真的結(jié)果顯示第3種方法性能最好。采用這種方法對NR 100 MHz單天線進行數(shù)據(jù)壓縮性能仿真，結(jié)果如圖8所示：

圖8 ? ?NR 100 MHz IQ位寬與EVM對應(yīng)關(guān)系仿真圖

根據(jù)圖8的仿真結(jié)果，4T4R 100 MHz NR如果要滿足256QAM的EVM要求，最多只能壓縮到7 bit，壓縮到6 bit沒法滿足3GPP的要求。在這個前提下4T4R 100 MHz NR需要的傳輸帶寬為6.144 Gb/s，導(dǎo)致支持5G NR的新型室分PB與pRRU之間只能采用CAT6A網(wǎng)線與光電復(fù)合纜。

2.2 ?新型室分試點

在中部某省份學(xué)校進行5G新型室分的試點，采用的設(shè)備包括5G單模pRRU和4G/5G多模pRRU。設(shè)備在3.5 GHz發(fā)射功率為4×250 mW，工作頻率是3 400 MHz—3 500 MHz。

一個樓層部署了一個pRRU，圍繞這個pRRU進行覆蓋測試。下行覆蓋速率圖如圖9所示：

圖9 ? ?新型室分試點下行覆蓋速率圖

上圖k點的RSRP為-112 dBm，下行速率為230.98Mb/s，該點距離pRRU直線距離為18.38 m，間隔5堵墻，以該點為邊緣點，單pRRU覆蓋半徑為18.38 m。

對應(yīng)的上行覆蓋如圖10所示：

圖10 ? ?新型室分試點上行覆蓋速率圖

上圖k點的RSRP為-112 dBm，上行速率為32.87 Mb/s，該點距離pRRU直線距離為18.38 m，間隔5堵墻。

同時定點測試了上下行的峰值速率，下行峰值速率達990.73 Mb/s，上行可達264 Mb/s，如圖11所示。

2.3 ?新型室分成本

4G新型室分的成本與4G雙路DAS相當(dāng)。5G時代DAS成本是4G雙路DAS的2.6倍。5G新型室分由于支持4T4R 100 MHz，硬件成本也有一定的提升。目前集團還沒有進行集采，5G新型室分成本暫不明確。

對于中低話務(wù)量的場景，5G pRRU也有外置天線型，適用于多隔斷的場景。試點場景測試了pRRU外置天線型，在覆蓋速率性能相當(dāng)?shù)那疤嵯?，覆蓋同一個樓層pRRU數(shù)目由3個減少為2個。

2.4 ?節(jié)能

與DAS采用無源器件的方式不同，新型室分采用有源設(shè)備，整個室內(nèi)分布系統(tǒng)的功耗會顯著增加，對應(yīng)的節(jié)能手段有：

（1）芯片的升級換代。新型室分功耗的大頭是數(shù)量眾多的射頻單元pRRU，pRRU采用的射頻器件每年都會升級換代，換代的芯片功耗會降低，進而降低pRRU整體功耗。這種節(jié)能方式依賴于硬件芯片廠商。

（2）AI為5G節(jié)能賦能。新型室分的節(jié)能主要有通道關(guān)斷、載波關(guān)斷、定時pRRU下電等方式，由于4G時代無線網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)并沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用，新型室分的節(jié)能功能沒有和SON+無線大數(shù)據(jù)結(jié)合，需要手工配置節(jié)能的相關(guān)參數(shù)，節(jié)能功能的效能沒有得到最大的發(fā)揮。5G pRRU也會繼承這些節(jié)能方式，同時因為切片、虛擬化的引入，5G時代網(wǎng)絡(luò)AI逐漸成為一個大家認(rèn)可的趨勢，AI也包括結(jié)合無線大數(shù)據(jù)的智能節(jié)電功能。結(jié)合AI可以真正做到實時的無線網(wǎng)絡(luò)射頻資源按需使用，以最小的能耗滿足用戶的需求。

2.5 ?電聯(lián)共享

中國電信和中國聯(lián)通已經(jīng)明確在5G建設(shè)上共建共享，具體的建設(shè)方式以及對設(shè)備的要求還未確定。

現(xiàn)有的5G pRRU支持3 300 MHz—3 600 MHz的工作帶寬，IBW為100 MHz，如果要在3 300 MHz—3 400 MHz上做共享，不管是中國電信50 MHz NR+中國聯(lián)通50 MHz NR獨立載波方式共享，還是中國電信+中國聯(lián)通 100 MHz NR共享載波方式共享，現(xiàn)有的5G pRRU都支持，可以不用更換硬件設(shè)備通過升級軟件的方式支持共建共享。

如果共建共享要求中國電信100 MHz NR+中國聯(lián)通100 MHz NR以獨立載波方式進行，現(xiàn)有的5G pRRU硬件能力不支持，需要按照運營商的規(guī)格要求新開發(fā)一款pRRU。

2.6 ?支持NSA/SA

新型室分使用的基帶單元是與室外宏站相同的BBU，主流設(shè)備廠商的BBU都是同時支持NSA/SA兩種模式，連接到BBU上的新型室分也天然支持NSA/SA這兩種模式。

總的來說，新型室分各方面都契合運營商對5G室內(nèi)分布系統(tǒng)的需求，有理由相信這會是5G時代室內(nèi)覆蓋的主流方案。

3 ? 5G白盒小站

在2019年度的上海電信展上，中國電信對外發(fā)布了5G室內(nèi)白盒小站方案。白盒小站采用高通公司的SoC套片，高通公司估計5G時代白盒小站的市場占有率會達到10%。

白盒小站主要的設(shè)備廠商有京信、佰才幫等。小站整體架構(gòu)如圖12所示。

（1）CU池。采用通用的X86硬件實現(xiàn)NR協(xié)議L3+部分L2功能。由于基于Intel X86架構(gòu)，CU支持虛擬化功能，相關(guān)的應(yīng)用如MEC、UPF等也可以駐留在CU池中。

（2）PoE交換機。市面上通用的第三方交換機，由于CU與白盒小站之間采用通用的以太網(wǎng)報文，數(shù)據(jù)可以承載在普通的交換機上，交換機不需要設(shè)備廠商定制。同時交換機需要具備PoE功能，通過網(wǎng)線與白盒小站相連，對小站供電。

（3）白盒小站。基于高通公司的SoC套片，實現(xiàn)DU +射頻功能。

白盒小站基本硬件框圖如圖13所示：

圖13 ? ?白盒小站基本硬件框圖

核心器件是高通的5G基帶芯片。NPU實現(xiàn)DU部分的L2功能，存儲芯片、時鐘芯片、射頻芯片都可采用第三方器件。

白盒小站的初衷是運營商公開小站硬件設(shè)計，軟件上也進行一定的扶持，讓更多的設(shè)備商參與到小站的開發(fā)和生產(chǎn)中，進而打破傳統(tǒng)設(shè)備商的壟斷，降低5G設(shè)備成本。這是一個有益的嘗試，值得跟蹤和試點。

白盒小站的核心優(yōu)勢是成本低，同時兼具新型室分的一些優(yōu)點，如有源，全鏈路可監(jiān)控，支持小區(qū)分裂與合并。同時由于基帶芯片由高通提供，NR單小區(qū)的性能也不會存在大的問題。

白盒小站的劣勢如下：

（1）基帶基于高通SoC，對運營商需求時間匹配度存在問題。這一點在4G小站商已經(jīng)體現(xiàn)的比較充分。傳統(tǒng)設(shè)備商BBU基帶都采用自研芯片，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)上有新的功能或者運營商有新的需求時都能快速響應(yīng)并按時交付。白盒小站廠商的新功能開發(fā)極度依賴高通等芯片廠商，交付周期一般會晚很多，甚至沒法交付。比如4G分布式小站廠商采用SoC套片，eMTC/NB-IoT等功能的交付就明顯慢半拍。

（2）引入了室內(nèi)外異廠商操作的問題。室外5G宏站還是傳統(tǒng)設(shè)備廠商來承建，室內(nèi)采用京信等廠商的白盒小站會有較多異廠商互操作和干擾問題。當(dāng)然中國電信既然對外發(fā)布5G白盒小站，對這個問題也有一定的心里準(zhǔn)備。

（3）無法支持NSA。室內(nèi)4G覆蓋采用的BBU由傳統(tǒng)設(shè)備商提供，因為異廠商的問題，5G白盒小站無法與4G BBU建立X2口，所以也無法支持NSA。

（4）無共建共享規(guī)劃。對于國內(nèi)市場已經(jīng)明確的共建共享策略，高通SoC芯片還沒有給出明確的產(chǎn)品路標(biāo)。高通的研發(fā)資源主要投入在手機終端芯片，對于小站的SoC需求優(yōu)先級會低一些。

4 ? 結(jié)束語

現(xiàn)有4G DAS 升級改造成5G DAS極為困難，性能也難保證。本文重點研究了新型室分以及白盒小站解決方案。

新型有源室分在4G時代已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，原先的高流量場景逐步向覆蓋場景延伸，華為/中興等主設(shè)備廠家、京信/邦訊等傳統(tǒng)的DAS廠商均推出產(chǎn)品，形成多類型多場景的廣泛應(yīng)用態(tài)勢。新型室分具備施工快，容量高，全鏈路可監(jiān)控，多頻多模，性能穩(wěn)定等特點，主要短板是價格相對高且功耗高導(dǎo)致OPEX高，相關(guān)功能需繼續(xù)完善。

5G白盒小站是ORAN組織提出的一個創(chuàng)新項目，旨在擴大產(chǎn)業(yè)圈，降低硬件成本。白盒小站具備新型室分有源化的優(yōu)點，同時成本適中，但是性能和功能演進方面嚴(yán)重依賴SoC芯片廠商，會存在一些問題，需后續(xù)持續(xù)跟進。

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