封閉金屬吊頂室內(nèi)覆蓋解決方案

截至2020 年底，國內(nèi)運(yùn)營商在全國地級以上城市均已實(shí)現(xiàn)了室外連續(xù)覆蓋，可滿足eMBB 場景下高清視頻/VR/AR 等大帶寬業(yè)務(wù)的容量需求。當(dāng)前形勢下，隨著5G 滲透率的增加，5G 系統(tǒng)容量需求會(huì)出現(xiàn)顯著增長。在此背景下，5G 對于室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)需求愈發(fā)迫切，室分系統(tǒng)可有效滿足室內(nèi)深度覆蓋的容量需求。

由于目前運(yùn)營商低頻段資源越來越稀缺，且容量承載能力有限，未來5G 系統(tǒng)將會(huì)向更高頻段演進(jìn)。通常情況下，高頻段對于常見材質(zhì)穿損較大，同時(shí)由于波長短，其衍射能力變差，在空間傳播的過程中表現(xiàn)為損耗較大。5G 室內(nèi)分布系統(tǒng)初期部署區(qū)域聚焦在黨政機(jī)關(guān)、商務(wù)樓宇及交通樞紐等熱點(diǎn)覆蓋區(qū)域。在該類區(qū)域中，為使得室分系統(tǒng)更好地與部署環(huán)境相融合，往往會(huì)將無源室分系統(tǒng)的天線或有源室分系統(tǒng)的pRRU 頭端安裝于吊頂內(nèi)（暗裝），帶來較大的穿透損耗。5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的中后期，將在重點(diǎn)區(qū)域及高價(jià)值區(qū)域提供上/ 下行超過50/300 Mbit/s 的熱點(diǎn)覆蓋，更多的室分系統(tǒng)建設(shè)需求會(huì)涌現(xiàn)出來，而更高的頻段、更大的損耗將對室分系統(tǒng)的部署帶來更大的挑戰(zhàn)。

本文結(jié)合實(shí)地測試結(jié)果，對封閉金屬吊頂場景下室內(nèi)覆蓋問題進(jìn)行分析，并提出針對性解決方案。

1   問題現(xiàn)狀

吊頂暗裝場景下，根據(jù)吊頂?shù)牟馁|(zhì)不同，會(huì)帶來不同的額外穿透損耗^[1]。此時(shí)如果吊頂穿損過大，會(huì)影響信號覆蓋質(zhì)量，尤其是一些金屬吊頂場景的信號反射，嚴(yán)重影響覆蓋效果。此時(shí)，吊頂不僅會(huì)屏蔽本層信號，同時(shí)能夠?qū)⑾聦有盘柗瓷洌瑤磔^大的干擾，甚至造成交疊覆蓋現(xiàn)象。

該場景安裝示意如圖1 所示。

圖1 pRRU安裝示意圖

某次測試結(jié)果如圖2 所示，遍歷測試的過程中占用的小區(qū)存在交叉，原規(guī)劃的主覆蓋小區(qū)PCI 為674，實(shí)際測試表明，在走廊部分較大范圍占用到下一樓層小區(qū)，PCI 為672。

圖2 遍歷測試結(jié)果-PCI占用情況

原因分析如圖3 所示，在相鄰兩樓層的金屬吊頂內(nèi)，形成一靜電屏蔽區(qū)域，以天線1 為例，其發(fā)出的信號遇到吊頂后反射，在空間2 內(nèi)傳播；在兩金屬吊頂外的空間1，由于靜電屏蔽作用，感應(yīng)電荷在金屬板聚集，形成鏡像點(diǎn)源，鏡像點(diǎn)源與原始信源形成干涉效應(yīng)，在空間局部發(fā)生反向疊加，出現(xiàn)信號極弱覆蓋區(qū)域。以上現(xiàn)象的外在綜合表現(xiàn)為：本小區(qū)信號出現(xiàn)較大的衰落，鄰小區(qū)信號干擾電平較高。

圖3 金屬吊頂屏蔽效果示意圖

2   pRRU倒置安裝測試結(jié)果及分析

分析此類場景，由于本層上方天線/pRRU 距離用戶較遠(yuǎn)或存在吊頂?shù)乃ヂ涑霈F(xiàn)較大的衰落，而下層信號由于覆蓋距離及天花板材質(zhì)等因素，形成了較強(qiáng)的鄰區(qū)干擾，可考慮將天線/pRRU 倒置安裝，以在一定程度上規(guī)避信號衰落。選取有源室分進(jìn)行測試驗(yàn)證，本節(jié)為測試結(jié)果及分析。

圖4 pRRU倒置安裝

為定量分析場景內(nèi)不同材質(zhì)對信號的損耗影響，首先進(jìn)行定點(diǎn)測試，測試項(xiàng)及測試結(jié)果如表1 所示。

表1 定點(diǎn)測試結(jié)果

通過該部分測試，可知，金屬吊頂對信號存在較強(qiáng)的屏蔽作用，部分吊頂其穿損可能遠(yuǎn)高于樓板，同時(shí)，pRRU 主瓣方向性一思路，分析在pRRU 正裝的情況下，其鄰區(qū)信號主要成分來自于pRRU 背瓣，從而形成了較大的鄰區(qū)干擾。將pRRU 分別進(jìn)行正置和倒置安裝，進(jìn)行遍歷測試，結(jié)果如表2 所示。

表2 正置/倒置安裝遍歷測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，在倒置安裝狀態(tài)下，平均覆蓋RSRP 并無提升，其原因在于上下覆蓋距離差，穿損減少值未能抵消路損增加值。

根據(jù)3GPP TR 38.901 協(xié)議^[2] 定義的InH-Office（Indoor Hotspot-Office，室內(nèi)熱點(diǎn)及辦公室）傳播模型，5G 視距傳播（LOS）和非視距傳播（NLOS）場景路徑損耗分別為PL_InH?LOS 和PL_InH?NLOS ，其計(jì)算式分別如下：

在實(shí)際應(yīng)用中，由于散射環(huán)境較為復(fù)雜，電磁波從發(fā)射端至接收端，其信號往往包含直射部分與散射部分，因此，LOS 場景和NLOS 場景往往是同時(shí)存在的，需通過視距傳播概率進(jìn)行合并。分別計(jì)算各場景傳播損耗。

混合場景下，視距傳播概率Pr_LOS-Mix 計(jì)算式如下：

開放場景下，視距傳播概率Pr_LOS-Open 計(jì)算式如下：

將LOS 和NLOS 場景下的穿透損耗通過視距傳播概率進(jìn)行合并，如下式：

結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境，采用上述模型，分別套用LOS和NLOS 場，進(jìn)行鏈路預(yù)算分析可知，上方線安與用戶間距為1 m，下方天線與用戶間距約為3 m。此時(shí)，下方天線到達(dá)用戶所經(jīng)歷的路損相對上方天線高8.3 ～ 9.2 dB。因此，上述測試結(jié)果產(chǎn)生的原因?yàn)?，天花板相對金屬吊頂所減少的穿損值未能抵消由于距離差帶來的路損增加值。

圖5 覆蓋距離

根據(jù)該測試結(jié)果進(jìn)一步推論，在該場景下，如果能夠?qū)⑻炀€/pRRU貼近天花板并倒置安裝，同時(shí)向上覆蓋，可帶來如下提升：

主覆蓋小區(qū)（天線2）與用戶之離距離由3 m 減少至1.5 m，根據(jù)鏈路預(yù)算，有用信號可提升5.2 dB 左右；

干擾小區(qū)（天線1）到用戶的距離由1 m 增加至約2.5 m，其干擾信號可降低6.9 ～ 7.3 dB（覆蓋距離由1 m 增加至約2.5 m）。

本小區(qū)信號與鄰區(qū)信號差值增加至12 dB，可在提升覆蓋場強(qiáng)的同時(shí)，有效降低鄰區(qū)干擾。

3   封閉金屬吊頂暗裝場景解決方案

3.1 部署思路

在室內(nèi)覆蓋場景中，常用信號輻射器件為天線及廣角漏纜，根據(jù)各類器件方向，確定以下部署思路：

1） 將天線/pRRU/ 漏纜倒置安裝， 并將天線/pRRU/ 漏纜緊貼天花板安裝，如圖6 所示。

圖6 倒置安裝

2）若天線安裝高度受限，無法緊靠天花板安裝，則可采用方向性較好的器件進(jìn)行覆蓋，例如普通漏纜、壁掛天線等。

3）根據(jù)終端與用戶的距離，選擇合適的覆蓋器件，遵循以下原則：天線貼頂安裝時(shí)，選擇輻射角較大的器件；無法貼頂安裝時(shí)，選擇方向性較強(qiáng)的器件，以抵抗路損。

4）對于定向壁掛天線，根據(jù)現(xiàn)場覆蓋環(huán)境決定其寬波束和窄波束覆蓋方向。

常見的覆蓋器件性能及適用場景分析如表3 所示。

表3 各類天線性能（以3.5 GHz示例，典型值）

3.2 技術(shù)方案

根據(jù)上述思路，確定以下具體技術(shù)方案。

1）實(shí)地勘察并測試，獲取以下參數(shù)：

并進(jìn)行如下計(jì)算：

2）計(jì)算信號傳播距離d_b = h3，將d_b 代入鏈路預(yù)算公式計(jì)算得到PL_b，再計(jì)算綜合損耗P_b = PL_b + P1。

3）由下層天線/pRRU/ 漏纜覆蓋本層用戶，天線/pRRU/ 漏纜安裝于天花板下方，盡可能貼近天花板：

a）若采用全向天線/ 定向天線/pRRU/pRRU 外接天線覆蓋，天線主瓣垂直向上安裝（倒置）。

b）若采用漏纜覆蓋，將漏纜泄漏口向上放置。

這種情況下，若為漏纜或定向天線覆蓋，在走廊正置安裝的情況下，需要獲取現(xiàn)場垂直于走廊方向的最大覆蓋寬度w：

a）若為漏纜覆蓋，且w ＞ 2*sqrt(3)*d_a，則采用廣角漏纜進(jìn)行覆蓋，否則采用普通漏纜進(jìn)行覆蓋。

b）若為天線覆蓋，獲取擬采用定向天線的水平面波束寬度和垂直面波束寬度，其中較大的值定義為α，較小的定義為β。

ⅰ. W ≥ 2*tan(α/2)*d_a，采用全向天線。

ⅱ. 2*tan(β/2)*d_a ＜ w ＜ 2*tan(α/2)*d_a，采用定向天線，且較大張角平行于走廊方向放置。

ⅲ. w ＜ 2*tan(β/2)*d_a，采用定向天線，且較大張角垂直于走廊方向放置。

4）若受限于現(xiàn)場條件，無法靈活選擇天線/pRRU/漏纜的安裝高度，則獲取天線/pRRU/ 漏纜安裝高度h；此時(shí)，得到信號傳播距離d_b =（h2 - h + h3），將d_b代入鏈路預(yù)算公式計(jì)算得到PL_b，再計(jì)算綜合損耗P_b = PL_b + P1。

a）若采用全向天線/ 定向天線/pRRU/pRRU 外接天線覆蓋，天線主瓣垂直向上安裝（倒置）。

b）若采用漏纜覆蓋，將漏纜泄漏口向上放置。這種情況下，若為漏纜或定向天線覆蓋，在走廊安裝的情況下，需要獲取現(xiàn)場垂直于走廊方向的最大覆蓋寬度w：

a）若為漏纜覆蓋，且w ＞ 2*sqrt(3)*d_b，則采用廣角漏纜進(jìn)行覆蓋，否則采用普通漏纜進(jìn)行覆蓋。

b）若為天線覆蓋，獲取擬采用定向天線的水平面波束寬度和垂直面波束寬度，其中較大的值定義為α，較小的定義為β。

ⅰ. W ≥ 2*tan(α/2)*d_b，采用全向天線。

ⅱ. 2*tan(β/2)*d_b ≤ w ＜ 2*tan(α/2)*d_b， 采用定向天線，且較大張角平行于走廊方向放置。

ⅲ. w ＜ 2*tan(β/2)*d_b，采用定向天線，且較大張角垂直于走廊方向放置。

圖7 反裝覆蓋方案

4   結(jié)束語

本文針對封閉金屬吊頂室內(nèi)覆蓋問題的改善，結(jié)合實(shí)測結(jié)果和理論推導(dǎo)，對該場景室分系統(tǒng)面臨的損耗進(jìn)行定量分析，并提出針對性解決方案。該方案通過對覆蓋現(xiàn)場的深度勘察，靈活部署天線的安裝方式，通過倒置安裝并選取合理的覆蓋器件，可有效規(guī)避部分穿透損耗和路徑損耗，提升覆蓋性能。隨著更高頻段及毫米波資源的開發(fā)利用，該方案可進(jìn)一步推廣，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1]呂正春,畢猛,陳小奎,侯彥莊.幾種常見物體在5G頻段的穿透損耗測試分析[J].電子產(chǎn)品世界,2021,28(4):76-77,84.

[2]3GPP TR 38.901 V16.1.0 Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz(Release 16)[S].3rd Generation Partnership Project,2019:31.

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作者簡介：吳迪（1990—），男，工程師，碩士，5G無線技術(shù)經(jīng)理，研究方向?yàn)?G室分產(chǎn)品及方案創(chuàng)新、5G應(yīng)用創(chuàng)新。

畢猛（1978—），男，高級工程師，副主任，先后從事3/4/5G無線網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)評估、規(guī)劃方法研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、組織規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)驗(yàn)證、頻率規(guī)劃方案及多系統(tǒng)干擾共存研究、5G室內(nèi)覆蓋解決方案研究和新產(chǎn)品研發(fā)等工作。

田彥豪（1982—），男，工程師，5G無線技術(shù)高級經(jīng)理，先后從事3/4/5G的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化、5G室分產(chǎn)品及方案創(chuàng)新等工作。

鄒勇（1980—），男，高級工程師，總監(jiān)，長期從事移動(dòng)通信理論研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，曾先后主持2/3/4/5G、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)、規(guī)劃設(shè)計(jì)項(xiàng)目數(shù)十項(xiàng)。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）