廉凱

（天津宏建工程設計咨詢有限公司）

1 國家及相關部門關于5G的政策

2016年12 月，國務院印發(fā)《“十三五”國家信息化規(guī)劃》，提出“到2020年，5G技術研發(fā)和標準制定取得突破性進展并啟動商用”的發(fā)展目標[1]。

2016年12 月，工信部發(fā)布《信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃2016-2020》，提出支持5G標準研究和技術試驗，推進5G頻譜規(guī)劃，啟動5G商用[2]。

2019年5 G應用從移動互聯(lián)網(wǎng)走向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，國家政策對5G的重視度不斷上升。2020年中央政治局會議、國務院常務會議等會議和相關文件多次強調“加快5G商用步伐”。

為深入貫徹落實習近平總書記關于推動5G網(wǎng)絡加快發(fā)展的重要講話精神，全力推進5G網(wǎng)絡建設、應用推廣、技術發(fā)展和安全保障，充分發(fā)揮5G新型基礎設施的規(guī)模效應和帶動作用。工信部發(fā)出通知，包括加快5G網(wǎng)絡建設部署、豐富5G技術應用場景、持續(xù)加大5G技術研發(fā)力度、著力構建5G安全保障體系和加強組織實施[3]。

根據(jù)工信部“2020年通信業(yè)統(tǒng)計公報”統(tǒng)計，2020年5G網(wǎng)絡建設穩(wěn)步推進，新建5G基站超60萬個，全部已開通5G基站超過71.8萬個，其中中國電信和中國聯(lián)通共建共享5G基站超33萬個，5G網(wǎng)絡已覆蓋全國地級以上城市及重點縣市[4]。

2 建設5G室內分布系統(tǒng)的意義

隨著我國移動互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，連接到移動網(wǎng)絡中的設備數(shù)量也有所增加，這就導致移動數(shù)據(jù)的流量需求呈逐年上升的趨勢。

5G技術是為應對三大通信場景（eMBB、mMTC、URLLCD）提出的實現(xiàn)方案。其三大技術特點是高速率、大容量和低時延。5G的高速率目標是10Gb/s，相當于4G網(wǎng)絡理論峰值速率150Mb/s的68倍；國產5G技術可達到每km2連接至少100萬個物體；1ms往返行程時延，相當于4G往返時間（10ms）的十分之一。

由于5G網(wǎng)絡工作在C頻段和毫米波頻段，鏈路損耗更高，致使5G室外基站覆蓋室內弱場區(qū)域相當困難[5]。5G信號僅能穿透最多一堵墻[6]。另外，4G時代，大部分的業(yè)務發(fā)生在室內場景；5G時代，室內場景將依然是業(yè)務發(fā)生的主要場景。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的崛起，室內的無線業(yè)務終端帶來海量的連接數(shù)需求[7]。因此5G網(wǎng)絡的室內覆蓋深度是提升5G用戶體驗的必要條件。

3 國內外5G應用進展

行業(yè)應用是5G產業(yè)發(fā)展的重點，各國發(fā)布多項政策以加速5G融合應用的創(chuàng)新發(fā)展。韓國在積極探索智能工廠、智能城市、5G醫(yī)療、自動駕駛、智慧交通、文化產業(yè)、機器人、城市公共安全和應急等領域的創(chuàng)新。歐洲的運營商在積極開展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療健康、智慧交通、娛樂媒體等多領域的5G行業(yè)應用試驗。美國的運營商在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等領域開展應用試驗，包括基于AR/VR的員工培訓及定位、遠程診斷和緊急救助。日本的應用包括面部識別、遠程醫(yī)療、智慧農業(yè)、災難響應、智慧安防等[8]。

中國在政府和產業(yè)的共同推動下，5G融合應用正在從試點示范逐漸向商業(yè)化發(fā)展，運營商和行業(yè)企業(yè)主導的5G應用方案已超過1000個，高清視頻、醫(yī)療健康、智能制造、智慧交通等領域5G應用已進入初步落地階段。日前產業(yè)界正在積極探索5G+金融應用場景，包括新型5G金融終端、5G服務機器人等產品。新興的智慧能源也通過深度融合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等先進技術，構建安全、可靠的能源管控系統(tǒng)，促進資源集約利用，滿足用戶對市電、光伏、儲能、風電、燃氣和水等多種能源需求。智慧能源在引發(fā)能源革命、促進能源產業(yè)變革、促進建筑節(jié)能等方面有促進作用。

4 國內5G頻譜分配

2018年11 月，工信部向三大運營商及中國廣電分配了5G頻譜。分配情況如圖1所示。

圖1 5G頻譜分配圖

5 5G室內覆蓋面臨的挑戰(zhàn)

5.1 頻率選擇

以中國移動為例，中國移動5G頻段包括2.6GHz和4.9GHz[9]。如果室內和室外選擇低頻頻段，那么在建筑邊緣區(qū)域會產生同頻干擾。如果室內采用高頻頻段，那么鏈路損耗會加大，增大了室內覆蓋天線的密度，增加了室內覆蓋的成本。

5.2 穿透性差

相較4G網(wǎng)絡，5G信號的頻段更高，穿透性更差，室內覆蓋需要精細化設計，否則很容易產生弱場，達不到信號覆蓋及服務質量要求。

5.3 兼容性差

傳統(tǒng)無源器件支持800M～2.7GHz工作頻段，無法適配3.5GHz的5G信號。

5.4 建設成本高

相比4G，5G室分設備在工作頻段、載波帶寬、通道數(shù)量和發(fā)射功率方面均有大幅提升，需要部署更多的有源設備（pRRU），成本高昂。

5.5 室內深度覆蓋差異化

大部分垂直行業(yè)應用將會發(fā)生在室內環(huán)境，對于室內專網(wǎng)將提出差異化需求，包括低時延、高上行、高可靠及室內定位等，在該差異化要求下，對于5G的室內覆蓋又提出了全新要求。

5.6 運維管理要求高

目前，國內運營商已形成從2G到5G的四代網(wǎng)絡共存的狀況，網(wǎng)絡結構復雜，維護難度大。同時，5G時代的網(wǎng)絡切片、EMC、邊緣計算等新能力對網(wǎng)絡資源的精細化管理提出更高要求。

6 與傳統(tǒng)室內覆蓋系統(tǒng)的差異

傳統(tǒng)室內分布系統(tǒng)主要由饋線、天線以及器件構成，經過長時間的發(fā)展，技術已經趨于成熟，具有成本低和故障率低的特點。同時，還可以通過前端合路的方式共用天饋系統(tǒng)。隨著5G技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)室分系統(tǒng)的缺點也很明顯，包括工程量相對較大，施工周期長[10]；出現(xiàn)故障點，一般需要人工排查，故障解決時間較長[10]；傳統(tǒng)室分系統(tǒng)器件僅支持800M～2.7GHz工作頻段，不支持3.5GHz等高頻段[11]。

7 5G室內建設方案

目前根據(jù)覆蓋場景不同，5G室內覆蓋可分為四大類：室外覆蓋室內方案；無源室分方案；有源室分方案；有源無源融合覆蓋方案。

1）室外覆蓋室內方案

通過新建室外基站覆蓋室內弱場，該方案僅適用于中低頻段且建筑物面積小，內部開闊，穿透損耗較小的場景。受限于路徑損耗，該方案無法滿足5G深度覆蓋要求。

2）無源室分方案

通過利用既有傳統(tǒng)室分系統(tǒng)，實現(xiàn)5G覆蓋。但在升級改造中存在諸多問題：器件不支持高頻段；需二次施工，更換無源天線、RRU等設備。

3）有源室分方案

5G有源室分覆蓋具有高容量、部署快、運維便利等優(yōu)點。采用BBU、HUB和pRRU三級架構。其中，BBU部署于機房內；HUB部署于弱電井或配線間；pRRU部署于樓道和房間內，內置天線。有源系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)室分系統(tǒng)的弊端，避免了無線信號在大量無源器件中傳播的功率損耗，直接在遠端單元發(fā)射出高功率的多路信號，能給用戶帶來超高的業(yè)務體驗。

有源室分系統(tǒng)在多隔斷室內場景的局限性：在開闊的室內場景，如體育館、機場、會展中心、大型交通樞紐等區(qū)域，一個遠端單元就可以覆蓋很大區(qū)域，在提高用戶體驗的同時，也節(jié)約了系統(tǒng)建設的成本。但是，在多隔斷的場景，如寫字樓、酒店等，單個遠端單元覆蓋的區(qū)域就比較小，需要更多的遠端單元才可以完整覆蓋室內。有源設備的功率被白白耗費在了墻體損耗中。遠端單元的綜合造價比無源系統(tǒng)的天線高很多，因此，在多隔斷場景中有源室分系統(tǒng)造價會大幅度提升。

4）有源無源融合覆蓋方案

融合方案就是在有源室分的基礎上，在pRRU末端外接無源室分天線[1]。該方案基于多隔斷場景中有源室分方案的局限性提出，是有源系統(tǒng)遠端單元外接無源系統(tǒng)末端天線對無線信號進行擴展的融合覆蓋方案。該方案結合了無源室分的低成本、低功耗、易于擴展等優(yōu)勢，以及有源室分彈性擴容的優(yōu)勢，同時還可以提供故障定位和可視化運維等功能。

據(jù)中國電信廣東分公司的相關測試顯示，采用外接單通道無源天線的室分工程總造價與純有源室分系統(tǒng)相比，可以節(jié)約成本70%左右，大大節(jié)省了室內分布建設投資。若考慮室內用戶的峰值速率以及容量需求，可以采用外接雙通道無源天線方案，工程造價節(jié)約40%左右。

8 適合綿陽市科技城的5G室內覆蓋方案建議

自2018年3月，綿陽市科技城著手開展智慧科創(chuàng)項目的初步設計，明確在進行科園路等基礎設施改造的同時，實施部分智慧科創(chuàng)建設內容。綿陽市科創(chuàng)區(qū)管委會計劃在綿陽科創(chuàng)園創(chuàng)新中心進行以5G為基礎的智慧科創(chuàng)試點工程。工程以5G網(wǎng)絡為基礎，將5G智能設備產品及應用通過統(tǒng)一的智慧應用平臺實現(xiàn)智慧園區(qū)建設目標。包含5G智慧園區(qū)數(shù)據(jù)中心大腦、指揮中心及演示中心，5G智慧園區(qū)配套智能化系統(tǒng)電渠工程，5G智慧園區(qū)配套弱電工程，5G智慧園區(qū)配套智能化系統(tǒng)施工工程及5G智慧園區(qū)其他相關項目內容（即5G智慧園區(qū)數(shù)據(jù)中心大腦、指揮中心及演示中心、智慧道路照明、路燈智能管理控制、微基站安裝、電子廣告屏、電子監(jiān)控、人臉識別、充電樁、水位監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等）。

方案計劃分兩期完成，一期進行園區(qū)智慧道路照明建設，并圍繞園區(qū)進行5G基礎網(wǎng)絡的接入，形成智慧園區(qū)基礎設施雛形，二期在一期成功建設的基礎上，通過5G智能設備進行集成，搭建包含有視頻監(jiān)控系統(tǒng)、人臉識別系統(tǒng)、停車場管理系統(tǒng)、智能門禁系統(tǒng)及IBMS系統(tǒng)的基礎設施平臺，以此為基礎數(shù)據(jù)來源，實現(xiàn)統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理。在應用層面，搭建智能化低成本管控系統(tǒng)，實現(xiàn)設備和物業(yè)的高效管理，建立大數(shù)據(jù)應用平臺中心，完善智慧園區(qū)云平臺綜合指揮管理系統(tǒng)等，實現(xiàn)運營嵌入，達到智慧園區(qū)管理。

5G基礎網(wǎng)絡的建設方案初步定為室外5G覆蓋由鐵塔公司和運營商負責，室內5G覆蓋由園區(qū)負責建設，鐵塔公司和運營商租賃的模式進行。

由于園區(qū)內的建筑格局多為辦公室，屬于多隔斷型場景，建議采用有源無源融合覆蓋方案。在多隔斷的室內場景中，采用有源室內分布系統(tǒng)不能滿足用戶需求。這是因為多隔斷室內中有多面墻體，5G信號穿墻損耗大，覆蓋效果差。在設計多隔斷場景的室內分布系統(tǒng)時，可以采用有源無源融合覆蓋方案，方案的系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 有源無源融合覆蓋方案系統(tǒng)示意圖

由于系統(tǒng)兼容性，建議傳輸系統(tǒng)設備由運營商提供，其他部分可由園區(qū)負責設計、采購、施工。有源無源融合方案采用四級架構，由基帶處理單元BBU、匯聚單元HUB、遠端射頻單元pRRU以及無源天線組成。BBU位于運營商主機房或者園區(qū)中心機房，經過光纜可與HUB相連，HUB可設置弱電井；HUB與pRRU相連，pRRU可以覆蓋建筑面積較大、用戶數(shù)多的敞開區(qū)域。pRRU的外接無源天線分為單通道天線和雙通道天線，在用戶數(shù)較小、面積較少的區(qū)域可外接單通道天線，如值班室、面積較小的辦公室、廁所、水房等場景；在用戶數(shù)相對較多、面積相對較大的區(qū)域可外接雙通道天線，如常規(guī)小辦公室、小會議室和有較大容量需求的客戶區(qū)等場景。另外，根據(jù)用戶需要，也可把pRRU分裂成一個獨立的小區(qū)，極大限度地提升室分系統(tǒng)的容量。

9 結語

本文首先介紹建設5G室內覆蓋的意義、國內外5G應用的進展、國內5G的頻譜分配情況，接著分析了5G室內覆蓋面臨的諸多挑戰(zhàn)、與傳統(tǒng)室分的差異，最后闡述了5G室分的諸多方案，指出5G時代數(shù)字化有源室內分布系統(tǒng)在多隔斷的室內場景中存在的局限性。這種局限性主要是由于多隔斷場景中大量墻體帶來的穿透損耗，使遠端單元pRRU的信號被局限在一個很小的區(qū)域內，無法做到信號的最大利用。因此，結合科技城的建筑特點提出針對性的5G室內覆蓋的方案建議，即結合無源系統(tǒng)的優(yōu)勢，在遠端單元上外接無源天線，使信號均勻分布在室內空間，從而減少遠端單元的數(shù)量，大大節(jié)約了室分投資。