陳宜漂 安 剛

中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

隨著5G時(shí)代的商用，室內(nèi)分布系統(tǒng)的部署越來越迫切，而5G豐富的業(yè)務(wù)特性，使得5G時(shí)期室內(nèi)容量需求進(jìn)一步增長，業(yè)界預(yù)測未來超過85%的業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)。室內(nèi)一些空曠，隔間少，阻擋小的區(qū)域，5G信號(hào)覆蓋可以通過5G宏站部署解決；對(duì)于5G容量需求高的區(qū)域，諸如學(xué)生公寓、醫(yī)院、高級(jí)酒店等場景，可以通過部署光纖數(shù)字化的5G室內(nèi)分布系統(tǒng)解決。但是對(duì)于室內(nèi)分布系統(tǒng)中的電梯場景，由于其對(duì)宏站信號(hào)屏蔽嚴(yán)重，而建設(shè)數(shù)字化5G室內(nèi)分布系統(tǒng)覆蓋電梯投資大，投資回報(bào)率低，因此如何經(jīng)濟(jì)有效地解決電梯5G信號(hào)覆蓋，具有重要意義。本文提出無線電梯直放站解決電梯5G信號(hào)覆蓋，解決當(dāng)前電梯覆蓋遇到的建設(shè)難點(diǎn)和投資痛點(diǎn)的問題。

1 傳統(tǒng)電梯覆蓋方案

1.1 傳統(tǒng)電梯覆蓋方案簡介

傳統(tǒng)的電梯覆蓋方式以RRU或光纖直放站作為信源，沿電梯井道每3-4層安裝1副天線進(jìn)行覆蓋，或電梯廳部署天線。還有基于這兩種覆蓋方案的變形，比如采用近端機(jī)遠(yuǎn)端機(jī)的光纖直放站方案，電梯井道采用網(wǎng)線部署，或者使用漏纜等。但無論如何，這些方案都需要新增信源以及電梯井道布放線纜，需要相應(yīng)的傳輸配套。

1.2 傳統(tǒng)電梯覆蓋方案缺點(diǎn)分析

傳統(tǒng)電梯覆蓋方案主要存在以下幾方面問題：

（1）協(xié)調(diào)任務(wù)重。涉及信源設(shè)備安裝、天線安裝、光纜路由、饋線部署等，需要和電梯公司或者物業(yè)公司協(xié)調(diào)的施工點(diǎn)多。

（2）施工困難，建設(shè)周期長。需要安裝信源設(shè)備，敷設(shè)光纜以及建設(shè)相應(yīng)的傳輸配套，且電梯井道敷設(shè)饋線和安裝天線施工難度大。

（3）饋線連接，5G信號(hào)損耗大。這是傳統(tǒng)DAS向5G演進(jìn)所面臨的最大挑戰(zhàn)。5G頻段高，傳統(tǒng)DAS方案不適合用于5G覆蓋。

（4）投資高，投資回報(bào)率低。一方面信源成本高；另一方面需要相應(yīng)的傳輸配套，配套建設(shè)成本高，如果采用光纖數(shù)字分布系統(tǒng)，造價(jià)更高。實(shí)際上電梯場景人員滯留時(shí)間短，容量需求小，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益低，造成投資回報(bào)率低。

2 新型無線電梯直放站覆蓋方案

2.1 新型無線電梯直放站構(gòu)造

對(duì)比現(xiàn)有方案的缺點(diǎn)，新型無線電梯直放站要具備以下特性：

（1）施工節(jié)點(diǎn)少，施工簡單；

（2）無饋線設(shè)計(jì)，電梯井無線纜敷設(shè)；

（3）不新增信源；

（4）無傳輸配套；

本文提出二級(jí)放大新型無線電梯直放站，室外到電梯井內(nèi)設(shè)計(jì)一級(jí)直放站，電梯井到電梯轎廂設(shè)計(jì)二級(jí)直放站。無線直放站全部采用有源設(shè)備，接收天線和發(fā)射天線用光電復(fù)合纜作為傳輸介質(zhì)，不再使用無源器件和同軸電纜。新型無線電梯直放站設(shè)計(jì)成二級(jí)放大的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）通過分級(jí)放大，減少每級(jí)放大器的增益，更容易滿足直放站增益與隔離度的要求；

（2）符合電梯覆蓋場景，高層電梯井使得一級(jí)放大信號(hào)無法有效覆蓋電梯轎廂，通過將電梯井的無線信號(hào)接收并放大饋送到電梯轎廂，覆蓋效果更好。

（3）方便引電，電梯井上方是電梯機(jī)房，一級(jí)直放站安裝在電梯機(jī)房，二級(jí)直放站安裝在電梯轎廂，電梯機(jī)房和電梯轎廂接電方便。

根據(jù)不同層高的電梯，新型無線電梯直放站的組成結(jié)構(gòu)不一樣，具體分為以下三類：

對(duì)于低層電梯，新型無線電梯直放站采用一級(jí)放大無線直放站覆蓋，由無線接收模塊、信號(hào)放大器、無線發(fā)射模塊組合起來，如圖1所示。

圖1 低層無線電梯直放站結(jié)構(gòu)圖

（2）對(duì)于中高層電梯，采用二級(jí)無線直放站覆蓋，由電梯機(jī)房的一級(jí)無線接收模塊、有源信號(hào)放大器模塊、無線發(fā)射模塊和電梯轎廂上的二級(jí)無線接收模塊、二級(jí)有源信號(hào)放大器、二級(jí)無線發(fā)射模塊組成，如圖2所示。

圖2 中高層無線電梯直放站結(jié)構(gòu)圖

2.2 新型無線電梯直放站原理

新型無線電梯直放站采用有源天線作為接收和發(fā)射天線，信號(hào)放大器使用220V交流電，采用光電復(fù)合纜作為傳輸介質(zhì)。總體來說分為3個(gè)模塊：信號(hào)接收模塊、信號(hào)放大模塊、信號(hào)發(fā)射模塊。5G無線信號(hào)經(jīng)過信號(hào)接收模塊，將無線射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為光電信號(hào)，光電信號(hào)經(jīng)過光電復(fù)合纜傳輸?shù)叫盘?hào)放大器，放大后的光電信號(hào)經(jīng)過光電復(fù)合纜到達(dá)信號(hào)發(fā)射模塊，發(fā)射模塊將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)發(fā)射出去。圖3是無線電梯直放站工作原理圖。

圖3 無線電梯直放站工作原理

2.3 新型無線電梯直放站覆蓋方案

一級(jí)直放站接收天線安裝在樓頂信號(hào)接收良好的位置，要求四周無遮擋，如電梯機(jī)房頂部。發(fā)射天線安裝在電梯井頂部，有源信號(hào)放大器安裝在電梯機(jī)房，接220V交流電。二級(jí)直放站的接收天線和有源信號(hào)放大器安裝在轎廂頂上。二級(jí)直放站的發(fā)射天線安裝在轎廂內(nèi)，二級(jí)直放站接收天線將電梯井內(nèi)一級(jí)直放站饋入的宏站或微站信號(hào)放大，通過轎廂內(nèi)的發(fā)射天線將信號(hào)發(fā)射到電梯內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電梯內(nèi)信號(hào)良好覆蓋，如圖4所示。對(duì)于低層電梯，沒有二級(jí)放大，轎廂單元上不需要裝二級(jí)直放站，通過一級(jí)直放站的發(fā)射天線覆蓋電梯即可使轎廂內(nèi)信號(hào)達(dá)到覆蓋要求，如圖5所示。

圖4 新型無線電梯直放站中高層覆蓋示意圖

圖5 新型無線電梯直放站低層覆蓋示意圖

3 新型無線電梯直放站分析

3.1 新型無線電梯直放站優(yōu)點(diǎn)

概括起來，新型無線電梯直放站主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）全套系統(tǒng)不再使用饋線作為信號(hào)傳播媒介，適合未來5G部署，解決了傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)饋線覆蓋方式對(duì)5G信號(hào)衰減大的問題。

（2）不需要設(shè)計(jì)傳輸配套，節(jié)約傳輸資源。5G部署按照C-RAN機(jī)房組網(wǎng)，對(duì)緩解C-RAN組網(wǎng)的纖芯資源壓力具有重大意義。

（3）投資小，施工方便，建設(shè)周期短。不新增信源和對(duì)應(yīng)的傳輸配套，各設(shè)備模塊安裝簡單，電梯井內(nèi)無線纜布放，能夠?qū)崿F(xiàn)快速建網(wǎng)。

（4）全為有源設(shè)備，便于監(jiān)控故障點(diǎn)，方便維護(hù)。

3.2 新型無線電梯直放站指標(biāo)要求

（1）增益要求

直放站的引入會(huì)降低宿主基站接收機(jī)的靈敏度，進(jìn)而影響宿主基站的覆蓋面。接收機(jī)靈敏度跟噪聲系數(shù)、信號(hào)帶寬、解調(diào)信噪比等有關(guān)，一般來說靈敏度越高（數(shù)值越低），說明其接收微弱信號(hào)的能力越強(qiáng)，但也帶來容易被干擾的問題。對(duì)于接收機(jī)來說，靈敏度能滿足使用要求即可。接收機(jī)靈敏度S計(jì)算公式如下：

其中NF為接收機(jī)規(guī)定的最大噪聲系數(shù)，是設(shè)備（單級(jí)設(shè)備，多級(jí)設(shè)備，或者是整個(gè)接收機(jī)）輸入端的信噪比與這個(gè)設(shè)備輸出端的信噪比的比值。R*BW是接收機(jī)的每個(gè)信道帶寬，SNR是根據(jù)所選擇的調(diào)制和編碼方案要正確解調(diào)時(shí)所需最低的信噪比。IM是實(shí)施余量，包括分集損傷，DiversityGain表示分集增益。

假設(shè)直放站施主天線接收到的5G信號(hào)為Rx，5G基站輸出功率為Tx，則鏈路損耗為Tx-Rx，無線直放站上行增益Gu，無線直放站產(chǎn)生的白噪聲為No，噪聲系數(shù)Nf，則直放站到基站接收機(jī)功率為：

上行信號(hào)對(duì)基站的增量噪聲為ΔN：

對(duì)于二級(jí)級(jí)聯(lián)直放站，用Gu2、Tx2-Rx2表示二級(jí)直放站的增益和二級(jí)直放站到一級(jí)直放站的鏈路損耗，為簡化計(jì)算，假設(shè)每級(jí)直放站具有相同的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)，即：

則二級(jí)直放站上行信號(hào)對(duì)基站的增量噪聲ΔN級(jí)為：

滿足（4）式時(shí)，無線直放站產(chǎn)生的噪聲淹沒在接收機(jī)噪聲下，無線直放站的噪聲不會(huì)對(duì)宿主基站產(chǎn)生影響；進(jìn)一步可以分析直放站級(jí)聯(lián)對(duì)宿主基站接收機(jī)靈敏度的影響。

（2）隔離度要求

無線直放站上行增益Gu，下行增益為Gd，上行隔離度和下行隔離度分別為Iu和Id，根據(jù)直放站自激條件，以下兩者同時(shí)滿足才會(huì)產(chǎn)生自激：

因此直放站隔離度滿足Id+Iu>Gd+Gu，即可避免自激。實(shí)際使用中施主天線與重發(fā)天線的隔離度比直放站增益大于15dB，才能穩(wěn)定工作。

3.3 新型無線電梯直放站對(duì)宿主基站容量的影響

由于電梯內(nèi)人流較少，一般一部電梯滿載不超過15人，每人在電梯內(nèi)的流量平均20M/S，假設(shè)5G市場占有率最高的運(yùn)營商用戶數(shù)占比70%，用戶并發(fā)率50%。有規(guī)定，電梯從底層到頂層在空載情況下運(yùn)行時(shí)間不超過1分鐘，假設(shè)電梯滿載運(yùn)行區(qū)間平均30秒，則一部電梯給宿主基站額外增加的流量為3150M，增加的容量遠(yuǎn)小于5G單載波容量，因此不會(huì)導(dǎo)致宿主基站網(wǎng)絡(luò)擁堵。

3.4 新型無線電梯直放站共建共享展望

電梯空間狹小，電梯信號(hào)建設(shè)需要電梯公司或者物業(yè)配合，因此電梯覆蓋要解決共系統(tǒng)共建問題，實(shí)現(xiàn)共建共享。新型無線電梯直放站的信號(hào)接收模塊和信號(hào)發(fā)射模塊按照共建共享要求設(shè)計(jì)，使信號(hào)接收模塊和信號(hào)發(fā)射模塊同時(shí)支持各家運(yùn)營商5G信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，同時(shí)滿足不同運(yùn)營商的5G頻段隔離度要求，實(shí)現(xiàn)一家承建，多家共享的目標(biāo)。

4 結(jié)束語

本文在5G正式商用的背景下，結(jié)合電梯覆蓋場景，在考慮電梯人流、話務(wù)量特點(diǎn)以及電梯覆蓋的必要性情況下，提出5G無線直放站電梯覆蓋新型方案。方案給出了新型無線電梯直放站在低層電梯，中高層電梯兩種不同電梯場景下的直放站構(gòu)造。針對(duì)無線直放站對(duì)宿主基站的影響，分析了新型無線電梯直放站增益和隔離度指標(biāo)要求。全套直放站不再使用饋線和無源器件，適應(yīng)未來高頻段通信技術(shù)發(fā)展需求。5G無線直放站構(gòu)造簡單可行，對(duì)于低成本快速建設(shè)電梯5G網(wǎng)絡(luò)具有重要指導(dǎo)意義。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)各運(yùn)營商處于同一起跑線，快速建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋對(duì)運(yùn)營商提高市場競爭力，保持網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，具有重要意義。