广电网络开展5G家庭深度覆盖研究

摘要：本文对有线电视网络技术的现状进行了调研和梳理，对利用有线电视同轴电缆资源进行广电5G室内覆盖的关键技术进行了研究和可行性分析，并提出了一种基于同轴电缆资源的5G家庭深度覆盖技术方案，实现利用有线电视网光节点资源进行广电5G热点区域和室内外覆盖，为广电网络未来5G时代的业务开展和网络运营提供技术支撑。

关键词：5G;同轴电缆;有线无线融合;家庭网络;室内覆盖

1引言

第五代移动通信（5G）代表未来网络发展的主要方向，将驱动社会从人与人之间的宽带互联逐步扩展到万物互联，从而更加深刻地影响未来人类社会的生活和工作方式。同时，由于5G主流业务将承载在更高的频段上，导致空间传播损耗更高、传输距离更短，在与4G信号相同覆盖效果下，室外站点需要更高的部署密度。按照目前我国运营商所分配到的频段的传播特性估算，室外宏基站的部署密度将会需要增加3~6倍。研究表明，5G时代将有80%以上的业务发生在室内场景下，5G时代的室内移动网络至关重要，将成为运营商的高价值核心。对于室内以及被建筑物遮蔽的地区，如果单纯通过室外基站进行覆盖，则需要巨量的小基站。因此，如何提升单个基站对室内深度覆盖的效率，是未来5G发展中亟待解决的问题。

25G宏基站存在的问题

为了满足5G业务对超大带宽的要求，运营商在5G网络传输中均采用了更高的工作频段，广电和其他三大运营商获批频段分别是4.9GHz、2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz。更高的频率可获得更宽的频谱资源，但频率的增加也导致信号在空中传播的传输损耗与建筑物穿透损耗更大，依靠室外宏基站和楼内公共区域的信号穿透会变得越来越困难。下面通过实验数据具体分析5G工作频段空中传播的传输损耗和建筑物穿透损耗。图1为某一小区室外宏基站信号覆盖示意图，室外宏基站对小区不同位置住宅的室内穿透主要包括窗户穿透、墙壁穿透、室外绕射和室内绕射等。图2为2014年E.Semaan等人在GlobecomWorkshops上的高频情况下，室外信号穿透不同建筑时，对室内穿透能力的分析数据。其中，橙色曲线为普通玻璃的老式建筑物对不同频率电磁波的穿透损耗，而蓝色曲线则为新建筑的穿透损耗。由此可以清晰地看到信号频率与穿透建筑损耗之间呈正相关，高频在无线环境中的传输距离变短、对建筑的穿透性降低。假设室外宏基站离住户窗户的距离相同，5G信号抵达至窗前的路径损耗比4G信号的损耗更多。相关资料表明，较之于2/3/4G工作频段，2.6GHz（中国移动5G频段）、3.5GHz（联通、电信5G频段）和4.9GHz（广电5G频段）的传输和穿透损耗大约会提升10dB、15dB、20dB，详细如表1所示。若仅考虑满足室内浅层覆盖需求，理想情况下单位面积内宏基站建站密度至少需要提升4倍。2018年，华为联合香港电讯、全球移动供应商协会对5G实际网络进行了现场测试，并《室内5G网络白皮书》，实际测试结果如表2所示。根据现网测试结果，3.5GHz频段的传播损耗和穿透损耗均较大，相比1.8GHz频段，其综合损耗大10.6dB左右。如采用批复的4.9GHz频段进行无线传输，则综合损耗差更大，由室外向室内穿透覆盖会变得更加困难。进一步考虑到建筑物内部各种隔墙阻挡，高频信号室内深度覆盖的效果将会更差。综合公式测算数据、实验室数据和现网测试数据，均可得出：随着5G高频的引入，传统室外覆盖室内方案面临一系列挑战，室外信号在穿透砖墙、玻璃和水泥等障碍物后只能提供浅层的室内覆盖，无法保障室内深度覆盖。如果仅仅依赖于室外宏基站向室内穿透，即便是运营商加大室外宏基站的部署密度，那基本上也只是在靠窗的位置会有相对比较好的信号，深入到家庭内部的信号则会比较微弱甚至丢失，严重影响到用户的体验。如何能够有效地将5G信号覆盖到家庭住宅的户内区域，则是摆在从业者面前一个严峻的问题。

3融合网络实现5G家庭覆盖可行性

根据上述分析，可以得出5G家庭深度覆盖主要存在两个方面的技术瓶颈：一是室外信号入户前的传播损耗，二是入户与室内传播的穿墙损耗。针对第一类入户前的传播损耗，业内普遍有两种解决思路：一是增加基站覆盖密度，但根据测算结果显示，需要基站的数量呈几何增长，在5G网络建设和业务开展初期，新增业务的红利无法弥补网络建设的巨大投入；二是引入家用飞基站，通过有线网络传输代替部分无线传输，降低信号损耗。飞基站使用IP协议，通过用户已有的宽带线路连接，远端由专用网关实现从IP网到移动网的联通。它的大小与家用调制解调器相似，具有安装方便、自动配置、自动网规、即插即用的特点。如表3所示，一般飞基站的发射功率为10mW~100mW，支持少量活动用户，允许的最大用户运动速度为10km/h。飞基站目前有2G、2.5G、3G乃至4G的产品，与运营商的其他移动基站同制式、同频段，因此手机等移动终端可以通用。虽然家用型飞基站面市已经多年，但其本身具有价格比较昂贵、缺少同步措施易造成邻区干扰、安全措施不足存在安全隐患等问题，在实际应用中普及率始终不高。即使通过飞基站解决了入户问题，后续仍需解决5G信号在户内的穿透问题。对于家庭户内，始终绕不开户内信号均匀覆盖的问题，不同房间之间的墙壁和家具等，都会影响到5G信号从一个房间传到另一个房间。在2/3/4G时代解决室内信号覆盖不均问题，主要采用无源分布式天线系统。该系统是将基站设备与天线之间的馈线拉远，并经由分配器、定向耦合器等无源器件，将基站信号均匀地分配至位于不同地点的多个天线单元；而在反方向，则是将各个天线单元所接收到的信号，经过该同轴网络原路汇聚到基站设备中，从而实现室内环境下的均匀覆盖。从信源到各个天线的同轴分配结构与有线电视的同轴分配网非常类似。上述方式是直接将无线通信的射频信号在同轴媒介中传输，其损耗会随着载波频率的增加而逐渐加大。在2G、3G时代，由于所使用的载波频率较低，此方式可以广泛应用。到了4G时代，网络进行升级改造后此方式也勉强可以应对。但在5G时代，系统改造面临技术不可行、难实施、成本高等难点，从而导致现网无源分布式天线系统的单部件无法支持4.9GHz及毫米波频段，传统的室分的应用将会受到极大的挑战。

4基于同轴网络实现5G家庭深度覆盖的分析

亟需解决的无线传输损耗和穿墙损耗留给有线电视网络一个非常好的机会。众所周知，有线电视的同轴线是一种渗透率几乎达到100%的入户媒介，该媒介已经深入到住户的客厅、书房以及各个卧室。如果能利用这条图3基于同轴电缆网络的融合覆盖网络架构天然渗透的媒介，帮助运营商实现住户内无线通信信号，特别是5G信号的深度覆盖的话，那将是所有人非常乐意见到的局面。然而，迄今为止，这一领域的应用依然是一个空白。前面已经分析过，电信运营商的传统室内分布系统虽然在网络架构上与同轴电缆相似，但该系统升级改造的巨大成本和技术瓶颈都导致运营商希望寻找到新的传输媒介。使用同样类型媒介的有线电视同轴网络，要如何克服前文中提到的诸多缺点，实现5G信号的家庭深度覆盖，将是进行后续分析研究的重点。有线电视的同轴电缆一般已经通达到客厅、书房以及各个卧室，因此本文基于有线同轴电缆网络提出一种融合覆盖网络架构。如图3所示，从家用飞基站的天线口引出射频信号，注入到住户家中的有线电视同轴电缆中，将飞基站的信号分配到各个房间的面板上，再由面板形式或其他形式的天线发送出去，完成对住宅户内各个房间的深度覆盖。实现该场景的关键点是家用飞基站可以从天线口引出射频信号。另外，为了避免与现存的有线电视信号之间出现互相干扰，需要在注入5G信号的时候，采用隔离度较好的合路器；同时在面板部分，同样也需要具有一定隔离度的分路器。

参考文献

[1]邱菡,兰巨龙,欧阳峰,等.面向融合网络的广电双向接入网入侵检测系统[J].电信科学,2015(6).

[2]郑宏,高峰,刘栋,等.基于DPI系统技术限制的创新采购方式研究[J].电信技术,2017(2).

作者:李婷婷 朱里越 汤新坤 单位:国家广播电视总局广播电视科学研究院