封閉金屬吊頂室內覆蓋解決方案

截至2020 年底，國內運營(yíng)商在全國地級以上城市均已實(shí)現了室外連續覆蓋，可滿(mǎn)足eMBB 場(chǎng)景下高清視頻/VR/AR 等大帶寬業(yè)務(wù)的容量需求。當前形勢下，隨著(zhù)5G 滲透率的增加，5G 系統容量需求會(huì )出現顯著(zhù)增長(cháng)。在此背景下，5G 對于室內分布系統的建設需求愈發(fā)迫切，室分系統可有效滿(mǎn)足室內深度覆蓋的容量需求。

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

本文結合實(shí)地測試結果，對封閉金屬吊頂場(chǎng)景下室內覆蓋問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出針對性解決方案。

1   問(wèn)題現狀

吊頂暗裝場(chǎng)景下，根據吊頂的材質(zhì)不同，會(huì )帶來(lái)不同的額外穿透損耗^[1]。此時(shí)如果吊頂穿損過(guò)大，會(huì )影響信號覆蓋質(zhì)量，尤其是一些金屬吊頂場(chǎng)景的信號反射，嚴重影響覆蓋效果。此時(shí)，吊頂不僅會(huì )屏蔽本層信號，同時(shí)能夠將下層信號反射，帶來(lái)較大的干擾，甚至造成交疊覆蓋現象。

該場(chǎng)景安裝示意如圖1 所示。

圖1 pRRU安裝示意圖

某次測試結果如圖2 所示，遍歷測試的過(guò)程中占用的小區存在交叉，原規劃的主覆蓋小區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，PCI 為672。

圖2 遍歷測試結果-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，形成一靜電屏蔽區域，以天線(xiàn)1 為例，其發(fā)出的信號遇到吊頂后反射，在空間2 內傳播；在兩金屬吊頂外的空間1，由于靜電屏蔽作用，感應電荷在金屬板聚集，形成鏡像點(diǎn)源，鏡像點(diǎn)源與原始信源形成干涉效應，在空間局部發(fā)生反向疊加，出現信號極弱覆蓋區域。以上現象的外在綜合表現為：本小區信號出現較大的衰落，鄰小區信號干擾電平較高。

圖3 金屬吊頂屏蔽效果示意圖

2   pRRU倒置安裝測試結果及分析

分析此類(lèi)場(chǎng)景，由于本層上方天線(xiàn)/pRRU 距離用戶(hù)較遠或存在吊頂的衰落出現較大的衰落，而下層信號由于覆蓋距離及天花板材質(zhì)等因素，形成了較強的鄰區干擾，可考慮將天線(xiàn)/pRRU 倒置安裝，以在一定程度上規避信號衰落。選取有源室分進(jìn)行測試驗證，本節為測試結果及分析。

圖4 pRRU倒置安裝

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

表1 定點(diǎn)測試結果

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

表2 正置/倒置安裝遍歷測試結果

測試結果表明，在倒置安裝狀態(tài)下，平均覆蓋RSRP 并無(wú)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3GPP TR 38.901 協(xié)議^[2] 定義的InH-Office（Indoor Hotspot-Office，室內熱點(diǎn)及辦公室）傳播模型，5G 視距傳播（LOS）和非視距傳播（NLOS）場(chǎng)景路徑損耗分別為PL_InH?LOS 和PL_InH?NLOS ，其計算式分別如下：

在實(shí)際應用中，由于散射環(huán)境較為復雜，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(chǎng)景和NLOS 場(chǎng)景往往是同時(shí)存在的，需通過(guò)視距傳播概率進(jìn)行合并。分別計算各場(chǎng)景傳播損耗。

混合場(chǎng)景下，視距傳播概率Pr_LOS-Mix 計算式如下：

開(kāi)放場(chǎng)景下，視距傳播概率Pr_LOS-Open 計算式如下：

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

結合現場(chǎng)環(huán)境，采用上述模型，分別套用LOS和NLOS 場(chǎng)，進(jìn)行鏈路預算分析可知，上方線(xiàn)安與用戶(hù)間距為1 m，下方天線(xiàn)與用戶(hù)間距約為3 m。此時(shí)，下方天線(xiàn)到達用戶(hù)所經(jīng)歷的路損相對上方天線(xiàn)高8.3 ～ 9.2 dB。因此，上述測試結果產(chǎn)生的原因為，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(lái)的路損增加值。

圖5 覆蓋距離

根據該測試結果進(jìn)一步推論，在該場(chǎng)景下，如果能夠將天線(xiàn)/pRRU貼近天花板并倒置安裝，同時(shí)向上覆蓋，可帶來(lái)如下提升：

主覆蓋小區（天線(xiàn)2）與用戶(hù)之離距離由3 m 減少至1.5 m，根據鏈路預算，有用信號可提升5.2 dB 左右；

干擾小區（天線(xiàn)1）到用戶(hù)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）。

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

3   封閉金屬吊頂暗裝場(chǎng)景解決方案

3.1 部署思路

在室內覆蓋場(chǎng)景中，常用信號輻射器件為天線(xiàn)及廣角漏纜，根據各類(lèi)器件方向，確定以下部署思路：

1） 將天線(xiàn)/pRRU/ 漏纜倒置安裝， 并將天線(xiàn)/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(xiàn)安裝高度受限，無(wú)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(xiàn)等。

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

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

常見(jiàn)的覆蓋器件性能及適用場(chǎng)景分析如表3 所示。

表3 各類(lèi)天線(xiàn)性能（以3.5 GHz示例，典型值）

3.2 技術(shù)方案

根據上述思路，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：

并進(jìn)行如下計算：

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

3）由下層天線(xiàn)/pRRU/ 漏纜覆蓋本層用戶(hù)，天線(xiàn)/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(xiàn)/ 定向天線(xiàn)/pRRU/pRRU 外接天線(xiàn)覆蓋，天線(xiàn)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(xiàn)覆蓋，在走廊正置安裝的情況下，需要獲取現場(chǎng)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(xiàn)覆蓋，獲取擬采用定向天線(xiàn)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(xiàn)。

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

4）若受限于現場(chǎng)條件，無(wú)法靈活選擇天線(xiàn)/pRRU/漏纜的安裝高度，則獲取天線(xiàn)/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代入鏈路預算公式計算得到PL_b，再計算綜合損耗P_b = PL_b + P1。

a）若采用全向天線(xiàn)/ 定向天線(xiàn)/pRRU/pRRU 外接天線(xiàn)覆蓋，天線(xiàn)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(xiàn)覆蓋，在走廊安裝的情況下，需要獲取現場(chǎng)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(xiàn)覆蓋，獲取擬采用定向天線(xiàn)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(xiàn)。

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

圖7 反裝覆蓋方案

4   結束語(yǔ)

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

參考文獻:

[1]呂正春,畢猛,陳小奎,侯彥莊.幾種常見(jiàn)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(jiǎn)介：吳迪（1990—），男，工程師，碩士，5G無(wú)線(xiàn)技術(shù)經(jīng)理，研究方向為5G室分產(chǎn)品及方案創(chuàng )新、5G應用創(chuàng )新。

畢猛（1978—），男，高級工程師，副主任，先后從事3/4/5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )新技術(shù)評估、規劃方法研究、標準制定、組織規模試驗網(wǎng)驗證、頻率規劃方案及多系統干擾共存研究、5G室內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(wú)線(xiàn)技術(shù)高級經(jīng)理，先后從事3/4/5G的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )規劃優(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，長(cháng)期從事移動(dòng)通信理論研究、標準制定、規劃設計工作，曾先后主持2/3/4/5G、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)、規劃設計項目數十項。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）