多样选择！5G天线解决方案满足不同场景需求
发布时间：2020-10-12 23:53:23
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
随着5G试验网络的不断推进，增加5G基站系统通道数并没有明显提升单个用户的感知速度，而是主要用于增加多用户的接入容量。然而，这也带来了建设网络所需的更高投资成本。实际应用场景中，如室外密集热点区域、广域覆盖区域、室内分布区域、交通干线和隧道等，对于覆盖范围和容量的需求各不相同。
尽管64TR/32TR被视为5G Massive MIMO天线的标准配置，但其天线设计复杂、体积庞大且造价昂贵等缺点限制了在某些场景下的可行性。因此，本文将分享一份涵盖主要细分场景的4G/5G网络共存的天线解决方案。其中包括主宏站、室内分布、高铁以及隧道等场景，内容丰富，值得收藏细读。
主宏站场景的5G天线解决方案主要考虑到覆盖范围和速率测试。该场景包括密集城区、一般城区和乡镇农村等区域。联通集团进行了64T和32T天线在高楼覆盖方面的对比测试，结果显示，在密集城区，64T天线在覆盖范围和下行速率方面具有更显著的增益，下行覆盖增益达到4 dB，平均下行速率提高了40%。而在一般城区或郊区，增加天线通道并没有带来明显的覆盖范围和下行速率增益。
另外，主宏站场景还需要进行上下行容量仿真。联通集团对64T和32T天线在不同场景下的容量进行了仿真对比，结果表明，在密集城区，64T天线的容量增益更为明显，下行容量相较于32T天线提升了1.2至1.6倍，上行容量提升了1.1至1.2倍。而在一般城区或郊区，增加天线通道并没有带来明显的上下行容量增益。
综合考虑覆盖范围、容量以及天线投资的性价比，在密集城区，推荐使用以64T/32T为主的Massive MIMO 3D波束赋形天线。Massive MIMO作为5G的关键技术之一，通过MU-MIMO技术和3D-MIMO技术实现。MU-MIMO技术允许多个用户在同一时频资源上利用Massive MIMO提供的空分通道与基站同时进行通信，大幅度提高频谱效率而无需增加基站密度和带宽。
3D-MIMO技术则基于多阵列波束赋形，通过对各个天线阵元的信号进行加权组合，改变天线阵列的权值，实现波束形状和方向的调整。这样可以将能量较小的波束集中在一个小范围内，生成具有不同指向和增益的窄波束，可根据需要在垂直和水平方向上进行扫描，实现立体覆盖。
5G天线在室分场景中的应用解决方案也有所不同。在政企写字楼、购物中心、宾馆酒店和医院等典型室分场景中，传统的分布式天线系统（DAS）难以满足高频率（3.5 GHz以上）和Massive MIMO等5G需求。因此，数字化室分系统逐渐成为主流解决方案。
相对于传统的无源天线分布系统，新型的数字化室分系统集成了传统基站单元（RRU）和天线，能够实现MIMO技术。数字化室分系统具有天线功率小、体积小、覆盖距离短、信号分布均匀和容量灵活调整等优点，能够较好地满足5G室内覆盖的需求。但由于室分系统仍以全向天线为主，波束赋形的特性会受到一定影响，而且天线通道数目目前仅限制在4-6个TR。
在数字化室分系统中，RHUB是射频远端CPRI数据汇聚单元，其主要功能包括与BBU、DCU和pRRU协作，支持室内覆盖。它接收BBU/DCU发送的下行数据并转发给各个pRRU，同时将多个pRRU的上行数据转发给BBU/DCU。RHUB还内置了直流供电电路，用于向pRRU供电，并通过光纤连接方式组网。
pRRU是射频拉远单元，实现射频信号处理功能。其主要功能包括将基带信号调制到发射频段，并通过天线进行发射。它还能接收来自天线的射频信号，并进行滤波放大、下变频处理，然后将数字信号经模数转换后发送给BBU进行处理。pRRU可以通过光纤或网线传输CPRI数据，支持内置天线（4T4R），并支持通过PoE/DC供电。另外，pRRU还能灵活配置多频多模。
总体而言，在不同场景下，5G天线解决方案需要根据覆盖范围、容量需求和成本等因素进行综合考虑。无论是主宏站、室内分布还是广域覆盖场景，合适的天线解决方案都能有效提升网络性能和用户体验。
立体方波赋形天线在大型场馆中的应用
大型场馆作为特殊的室内覆盖环境，其空间较大、人员密集、业务需求量大等特点对通信网络提出了更高的容量要求。传统的室内覆盖方案通常采用壁挂板状天线与小区分裂相结合的方式，但小区分裂容易引发同频邻区干扰，从而影响用户体验。为了解决这一问题，借鉴了宏站场景的赋形天线思路，大型场馆可以采用特殊的立体方波赋形天线来实现精准覆盖和分区切割效果。
立体方波赋形天线具备出色的波束收敛和旁瓣抑制能力，使得信号辐射范围迅速衰减并形成清晰的边界，有效避免了越区干扰和弱覆盖问题。
立体方波赋形天线通过合理缩窄波束宽度，更适用于密集场景下的多小区分割，从而实现容量提升。此外，根据天线波束宽度和三角函数计算，立体方波赋形天线的覆盖范围可得出。
5G高铁场景的天线解决方案
相比传统的高铁信号覆盖，5G高铁覆盖面临更大的挑战。一方面，5G特色业务对网络性能要求更高；另一方面，由于5G使用更高频率，在高铁运动较快时会遭受更严重的信号衰减和畸变，进而影响用户体验。传统高铁覆盖通常采用33°水平窄波束天线或65°水平宽波束高增益天线，但这种方案容易导致塔下信号覆盖不足，在水平方向上可能会出现零点覆盖的问题。
为了解决这些问题，可以考虑采用5G波束赋形技术来提升高铁覆盖。该技术支持波束时分扫描，有效增加了覆盖范围，填补了零陷带来的覆盖空洞，从而解决了塔下黑的问题。
5G高铁赋形天线由4列天线振子组成，在水平方向有8个通道，可实现±30°的扫描范围。增加了天线振子数量后，相比于低频段，天线增益提高了3 dB，并结合MIMO功能，可以弥补高频段信号衰减带来的影响。
通过三维模型和合成波束，在不同距离上获取水平8通道天线的增益值，与传统33°天线相比，立体方波赋形天线填充了水平零点区域，明显提升了覆盖效果。
隧道场景的5G天线解决方案
随着5G技术的发展，隧道场景的覆盖成为一个重要问题。传统的漏缆方案在高铁、地铁隧道内存在一些局限性，特别是对于高频段的覆盖效果不佳。因此，需要一种新型的解决方案来满足隧道场景下的5G网络需求。
一种被广泛应用的解决方案是使用5G高增益贴壁天线。由于隧道空间有限并且封闭，该天线可以设计为水平/垂直30°的窄波束天线，其天线增益可达14 dB+，支持5G 4TR接入，从而保证了网络容量。这种天线可以贴壁安装，减少风载荷，提供更低的建设成本，相较于传统的漏缆方案更具优势。
在江苏宜兴公路隧道的试点中采用了3.5G 4TR贴壁天线，并搭配8TR（100W RRU）设备进行隧道覆盖。测试结果显示，在行车和步行状态下，实现了覆盖距离超过800 m的连续覆盖。在步行道上进行的测试中，最大下行速率达到488 Mbit/s，最大上行速率为90 Mbit/s，各项指标均满足相关要求。
除了隧道场景，对于其他特殊场景如住宅小区和商业街区，选择适合的5G天线解决方案也是非常重要的。在这些场景中，基站选址可能会受到限制，而大规模波束赋形也难以实现深度覆盖。因此，推荐使用小型化、外观隐蔽的5G美化天线进行覆盖。
一种新型的楼宇美化天线可作为解决方案，在墙壁上方便地安装。该天线具有垂直波宽65°和可调节的垂直倾角（±30°），支持4+4端口，并可作为64T宏站主场景下选址困难情况下的4G/5G融合天线选型。
在某小区的试验中，采用传统射灯天线方案进行覆盖，试点天线从第16栋（共18层）对打到第18栋（共34层），楼间距离为40 m。结果表明，相比传统射灯天线，这种新型天线的覆盖区域的RSRP值平均增强了5.5 dB；下载速率平均提升了约6.9 Mbit/s，上传速率平均提升了约0.97 Mbit/s。因此，这种天线可作为住宅小区或工业园区分布式室外天线的选择。
综上所述，针对隧道场景和其他特殊场景，5G天线解决方案的选择是关键，适当地采用高增益贴壁天线或美化天线等新型解决方案可以有效解决覆盖问题，并提升用户体验。
5G小基站：满足不同场景需求的覆盖解决方案
随着5G时代的到来以及4K、8K、VR/AR等应用的商用落地，用户对无线网络覆盖和传输能力的需求不断提升。传统宏站建设面临选址困难或某些业务热点的挑战，因此运营商已经大量部署了一体化小基站，如灯杆和监控杆挂装的小基站。
同时，室内移动宽带在5G时代的需求也越来越大，传统的室分系统无法满足5G室内覆盖的需求和挑战。数字化室内分布方案逐渐成为主流，成为面向5G小基站演进的重要技术途径，小基站的重要性进一步凸显。
小基站可采用多种产品形式，具有结构简单、功耗低、扩容方便、易于部署等特点。在5G时代，改进版的小基站可以增加天线通道数以满足5G用户的空中接口速率需求，满足深度覆盖和业务热点扩容的需求，具有广阔的应用前景。
根据对各类场景覆盖和业务需求的分析，建议在不同的场景中采用不同的天线覆盖解决方案。
在密集城区，为了满足高容量和高速率的需求，宜采用64T/32T的Massive MIMO 3D赋形天线。
在普通城区，可以采用16T的多波束天线来提供覆盖。
在乡镇郊区，8T的普通天线已经能够满足需求。
对于典型的室内场景，建议采用4G/5G融合的数字化室分系统进行覆盖。而大型室内场馆可以使用特殊的方波赋形天线来减少小区间的干扰。
对于高铁线路覆盖，建议使用8TR的波束赋形天线，以便解决水平0点覆盖空洞，并兼顾水平增益。
对于隧道场景，在传统漏缆无法满足500米隧道区间覆盖距离的情况下，可采用窄波速高增益贴壁天线解决方案。
此外，在其他特殊场景中，小型化的美化天线和小基站具有广阔的应用前景。
综上所述，根据不同的场景需求，选择合适的5G小基站和天线解决方案是至关重要的。这些解决方案将能够满足用户对无线覆盖和传输能力的不断增长的需求，并为各种应用提供更好的服务质量。
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