小基站將成5G網(wǎng)絡(luò)中重要設(shè)備形態(tài)

中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司|李新 彭雄根

5G網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)外已經(jīng)開始試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)，預(yù)計(jì)2020年全球?qū)?huì)試商用。由于5G網(wǎng)絡(luò)頻段較高，目前國內(nèi)試驗(yàn)網(wǎng)主要工作于3.5GHz和4.9GHz頻段，其單站覆蓋能力與現(xiàn)有的2G/3G/4G相比，有一定差距。另外5G網(wǎng)絡(luò)的三大應(yīng)用場景之一增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）對(duì)于熱點(diǎn)區(qū)域的容量吸收，提出了更大的挑戰(zhàn)，在這一背景下，超密組網(wǎng)（UDN）將成為5G網(wǎng)絡(luò)重要的組網(wǎng)方式。

在5G室內(nèi)覆蓋場景中，傳統(tǒng)的饋線分布系統(tǒng)（DAS）對(duì)于頻段過高產(chǎn)生的傳輸損耗問題，也造成了5G網(wǎng)絡(luò)無法采用傳統(tǒng)的DAS系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。在這一背景下，由于小基站在產(chǎn)品形態(tài)、發(fā)射功率、覆蓋范圍方面都具有先天優(yōu)勢，將在5G室外熱點(diǎn)覆蓋和室內(nèi)覆蓋中發(fā)揮更大的作用，成為5G網(wǎng)絡(luò)中重要的設(shè)備形態(tài)。

對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)，2020年試商用即將到來，因此需要提前研究小基站在5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)外部署中的應(yīng)用，以指導(dǎo)未來的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

5G標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)架構(gòu)分析

目前來看，全球5G標(biāo)準(zhǔn)化組織主要分為三個(gè)層面，具體如圖所示。

在國際層面主要有ITU和3GPP，其中ITU負(fù)責(zé)研究提出5G的需求與愿景，3GPP負(fù)責(zé)5G標(biāo)準(zhǔn)的制定，ITU和3GPP重點(diǎn)進(jìn)行5G愿景、指標(biāo)需求和標(biāo)準(zhǔn)征集工作。

在行業(yè)和國家組織層面，目前多個(gè)國家和組織都在積極地進(jìn)行5G方面的研究工作，歐洲有METIS、iJOIN、5GNOW等研究項(xiàng)目，日本的ARIB、韓國的5G forum、我國的IMT-2020都在從事5G需求、技術(shù)研究等方面的工作。

在企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)層面有愛立信、三星、華為、中興、中國移動(dòng)等，主要發(fā)布企業(yè)白皮書和進(jìn)行技術(shù)研究。

目前，5G標(biāo)準(zhǔn)中的第一個(gè)可商用的版本R15，也稱為基礎(chǔ)版本，其第一階段的標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)完成，符合R15標(biāo)準(zhǔn)的5G設(shè)備將在國內(nèi)2018年的試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)中得到應(yīng)用，而R16是5G第二階段標(biāo)準(zhǔn)，也可以稱為完整版本，將于2019年6月完成。

小基站現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用分析

小基站也稱為Small Cell，最早由FemtoCell延展出來的，目前是低功率控制節(jié)點(diǎn)的總稱。Small Cell信號(hào)覆蓋范圍通常從十幾米到幾百米，專注熱點(diǎn)區(qū)域的容量吸收和弱覆蓋區(qū)的信號(hào)增強(qiáng)。

Small Cell融合了Femtocell、Picocell、Microcell和分布式無線技術(shù)，最早應(yīng)用在3G網(wǎng)絡(luò)中，如家庭基站就曾作為3G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋和業(yè)務(wù)分流的重要手段，但由于家庭基站的安全問題和干擾問題無法得到有效解決，因此在3G網(wǎng)絡(luò)中并沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。在4G網(wǎng)絡(luò)，由于工作頻段的升高，網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的下降，造成4G網(wǎng)絡(luò)在部分區(qū)域存在弱覆蓋的問題，同時(shí)由于居民對(duì)于基站輻射的敏感性，造成了站址選擇困難，無法通過增加宏站的方式有效解決弱覆蓋問題。在這一背景下，由于小基站具有使用靈活、安裝便利的優(yōu)點(diǎn)，作為宏站建設(shè)方式的一種有效補(bǔ)充，在解決4G網(wǎng)絡(luò)的弱覆蓋問題上，發(fā)揮了巨大的作用，因此在4G網(wǎng)絡(luò)中得到了大規(guī)模應(yīng)用。

5G應(yīng)用場景匯總

5G典型場景涉及未來人們居住、工作、休閑和交通等各種區(qū)域，特別是密集住宅區(qū)、辦公室、體育場、露天集會(huì)、地鐵、快速路、高鐵和廣域覆蓋等場景。在ITU發(fā)布的白皮書中，將5G的各種典型應(yīng)用場景歸納為三類，即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量互聯(lián)（mMTC）、高可靠低時(shí)延連接（uRLLC），其中eMBB場景主要滿足Gbit/s量級(jí)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、3D/超高清視頻、VR/AR、高清語音以及云游戲需求等；mMTC應(yīng)用場景主要滿足智能家居、M2M、智慧城市等業(yè)務(wù)需求；uRLLC應(yīng)用場景主要滿足工業(yè)自動(dòng)化、自動(dòng)駕駛、高可靠通信等業(yè)務(wù)需求。

從目前移動(dòng)通信技術(shù)和業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢來看，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)將成為5G的重要應(yīng)用。對(duì)于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)來說，主要面向以人為主體的通信，注重提供更好的用戶體驗(yàn)，包括用戶體驗(yàn)速率和端到端時(shí)延。尤其是在熱點(diǎn)區(qū)域，為了保證用戶0.1～1Gbit/s的體驗(yàn)速率，僅依靠宏站是無法完成的，特別是在多數(shù)熱點(diǎn)業(yè)務(wù)區(qū)域，宏站無法選址和建設(shè)，因此需要建設(shè)小基站，縮小單站的覆蓋范圍，減少單站覆蓋范圍內(nèi)的用戶數(shù)量，從而提高用戶的體驗(yàn)速率。

全球5G工作頻段分析

從全球標(biāo)準(zhǔn)化組織頻段分配來看，5G是一個(gè)高頻、低頻混用的技術(shù)體系，涉及6GHz以下低頻段和6GHz以上高頻段。其中低頻段是5G的核心頻段，尤其是3～6GHz頻段是5G的主要頻段，用于無縫覆蓋，是解決廣域覆蓋問題的主要依托。高頻段主要是24～100GHz，目前WRC-19已經(jīng)分配了11個(gè)備選頻段，由于電波傳播特性的局限，主要定位于局部補(bǔ)充，以應(yīng)對(duì)密集業(yè)務(wù)區(qū)域的超高數(shù)據(jù)傳輸需求。

從全球目前試驗(yàn)網(wǎng)頻段使用情況來看，2 017年工信部發(fā)布《工業(yè)和信息化部關(guān)于第五代國際移動(dòng)通信系統(tǒng)（IMT-2020）使用3300～3600MHz和4800～5000MHz頻段相關(guān)事宜的通知》（工信部無[2017]276號(hào)），正式宣布規(guī)劃3300～3600MHz、4800～5000MHz頻段作為我國5G系統(tǒng)的工作頻段，其中3300～3400MHz頻段原則上限室內(nèi)使用。美國運(yùn)營商AT&T已經(jīng)明確宣布，2018在美國十幾個(gè)城市推出5G服務(wù)，其5G網(wǎng)絡(luò)工作頻段分別是600～700MHz，3.5GHz以及50GHz。韓國公布其5G頻率分配方案，首先在3.5GHz和28GHz頻段上開展5G試驗(yàn)。日本軟銀近日攜手中興通訊在東京開啟了4.5GHz頻段5G實(shí)驗(yàn)。

整體來看，不論從全球標(biāo)準(zhǔn)化組織5G頻段分配還是5G試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)來看，未來商用的5G網(wǎng)絡(luò)主要工作頻段為3GHz以上，如此高的頻段相對(duì)于現(xiàn)在的4G網(wǎng)絡(luò)，必然帶來5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的下降，網(wǎng)絡(luò)弱覆蓋區(qū)域增多，因此需要建設(shè)大量的站點(diǎn)去提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平，但是移動(dòng)通信經(jīng)過多年的建設(shè)，站址選擇已經(jīng)成為制約基站建設(shè)的主要問題，尤其是宏站需要良好的機(jī)房空間和天面空間，使站點(diǎn)選擇的難度進(jìn)一步加大，由于小基站具有體積小、功耗低、部署靈活、支持多種上聯(lián)方式等特點(diǎn)，決定了其對(duì)站址條件要求低，可用站址將比宏站更加豐富，因此在未來的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，可以大量應(yīng)用小基站來提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量和服務(wù)水平。

小基站將成5G超密組網(wǎng)主要方式

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)從最初的第一代模擬蜂窩系統(tǒng)發(fā)展到第四代，從大區(qū)制到小區(qū)制，小區(qū)半徑不斷縮減，小區(qū)密度不斷增大。這種小區(qū)密集化的模式主要是解決網(wǎng)絡(luò)容量不斷增長的問題，通過小區(qū)密集化方式，通信網(wǎng)絡(luò)的容量已經(jīng)提髙了近千倍。在對(duì)未來通信系統(tǒng)中，小區(qū)可以進(jìn)一步密集化，形成UDN。

UDN將是滿足未來5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量需求的主要技術(shù)手段之一，通過更“密集”的無線基礎(chǔ)設(shè)施部署，可獲得更高的頻率復(fù)用效率，從而在局部熱點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)百倍量級(jí)的系統(tǒng)容量提升。

實(shí)現(xiàn)5G超密集組網(wǎng)相關(guān)技術(shù)中，小基站是一種主要的方式，由于小基站對(duì)于站點(diǎn)的安裝條件要求較低，因此在未來的UDN組網(wǎng)時(shí)，可以大量采用路燈桿、監(jiān)控桿、掛墻等多種安裝方式，提升小基站部署進(jìn)度，滿足5G UDN組網(wǎng)要求。

圖 5G標(biāo)準(zhǔn)化組織架構(gòu)

小基站是5G室內(nèi)覆蓋重要解決方案

目前國內(nèi)4G大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)建設(shè)即將結(jié)束，5G建設(shè)即將起步。與2G/3G/4G時(shí)代類似，5G時(shí)代的業(yè)務(wù)也將主要發(fā)生在室內(nèi)，據(jù)預(yù)測將有60%～70%的業(yè)務(wù)會(huì)發(fā)生在室內(nèi)。因此在5G大規(guī)模建設(shè)前期，需要考慮如何滿足室內(nèi)用戶接入需求。

因此，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋從室外走向室內(nèi)覆蓋，精細(xì)化管理運(yùn)營備受關(guān)注。而傳統(tǒng)室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋DAS系統(tǒng)在面向5G演進(jìn)已經(jīng)出現(xiàn)巨大的瓶頸，當(dāng)前的業(yè)務(wù)發(fā)展和用戶體驗(yàn)需求呼喚技術(shù)變革。由此，室內(nèi)覆蓋數(shù)字化從現(xiàn)在就開始，促使小基站迎來發(fā)展高潮。

目前已建的DAS系統(tǒng)，其無源器件（包括天線、功分器、耦合器、合路器）的頻段最高僅支持2.7GHz，而目前來看，已經(jīng)分配的5G頻段，最低為3.5GHz，因此5G系統(tǒng)無法與現(xiàn)有的室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行合路，只能新建。另外，由于無線信號(hào)在饋線中傳播，頻段越高，損耗越大，對(duì)于3.5GHz頻段，在7/8英寸的饋線中，每百米損耗將超過7dB，而1/2英寸的饋線中損耗將超過15dB，如此高的饋線損耗，已經(jīng)決定了5G室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)，不適合采用傳統(tǒng)的DAS方案。

目前5G室內(nèi)分布系統(tǒng)主要有兩種解決方案。一是新建光纖分布系統(tǒng)，可滿足5G的高工作頻段要求。二是采用分布式小基站，主流設(shè)備廠家已有類似產(chǎn)品。二者都存在不足，如光纖分布系統(tǒng)在網(wǎng)管性能上不如主設(shè)備廠家豐富，同時(shí)有源設(shè)備長期工作的穩(wěn)定性、可靠性還需要現(xiàn)網(wǎng)長時(shí)間觀察驗(yàn)證。但小基站設(shè)備目前已經(jīng)在4G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)分布系統(tǒng)中大量采用，其可靠性和網(wǎng)絡(luò)性能得到了現(xiàn)網(wǎng)的驗(yàn)證，因此在未來的5G室內(nèi)覆蓋建設(shè)中，小基站將會(huì)發(fā)揮更大的作用，有可能成為主流建設(shè)方式。

總而言之，為滿足人們對(duì)5G“信息隨心至，萬物觸手及”的美好愿景，需要提前根據(jù)5G的關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用場景、組網(wǎng)方式等展開研究，做好技術(shù)儲(chǔ)備。從目前情況來看，小基站將成為5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)外建設(shè)的主要方式，將對(duì)提升5G網(wǎng)絡(luò)性能和用戶感知發(fā)揮更大的作用。