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摘要：本文對(duì)有線電視網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研和梳理，對(duì)利用有線電視同軸電纜資源進(jìn)行廣電5G室內(nèi)覆蓋的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和可行性分析，并提出了一種基于同軸電纜資源的5G家庭深度覆蓋技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)利用有線電視網(wǎng)光節(jié)點(diǎn)資源進(jìn)行廣電5G熱點(diǎn)區(qū)域和室內(nèi)外覆蓋，為廣電網(wǎng)絡(luò)未來5G時(shí)代的業(yè)務(wù)開展和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：5g;同軸電纜;有線無線融合;家庭網(wǎng)絡(luò);室內(nèi)覆蓋

1引言

第五代移動(dòng)通信（5G）代表未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向，將驅(qū)動(dòng)社會(huì)從人與人之間的寬帶互聯(lián)逐步擴(kuò)展到萬物互聯(lián)，從而更加深刻地影響未來人類社會(huì)的生活和工作方式。同時(shí)，由于5G主流業(yè)務(wù)將承載在更高的頻段上，導(dǎo)致空間傳播損耗更高、傳輸距離更短，在與4G信號(hào)相同覆蓋效果下，室外站點(diǎn)需要更高的部署密度。按照目前我國運(yùn)營商所分配到的頻段的傳播特性估算，室外宏基站的部署密度將會(huì)需要增加3~6倍。研究表明，5G時(shí)代將有80%以上的業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)場(chǎng)景下，5G時(shí)代的室內(nèi)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，將成為運(yùn)營商的高價(jià)值核心。對(duì)于室內(nèi)以及被建筑物遮蔽的地區(qū)，如果單純通過室外基站進(jìn)行覆蓋，則需要巨量的小基站。因此，如何提升單個(gè)基站對(duì)室內(nèi)深度覆蓋的效率，是未來5G發(fā)展中亟待解決的問題。

25G宏基站存在的問題

為了滿足5G業(yè)務(wù)對(duì)超大帶寬的要求，運(yùn)營商在5G網(wǎng)絡(luò)傳輸中均采用了更高的工作頻段，廣電和其他三大運(yùn)營商獲批頻段分別是4.9GHz、2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz。更高的頻率可獲得更寬的頻譜資源，但頻率的增加也導(dǎo)致信號(hào)在空中傳播的傳輸損耗與建筑物穿透損耗更大，依靠室外宏基站和樓內(nèi)公共區(qū)域的信號(hào)穿透會(huì)變得越來越困難。下面通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具體分析5G工作頻段空中傳播的傳輸損耗和建筑物穿透損耗。圖1為某一小區(qū)室外宏基站信號(hào)覆蓋示意圖，室外宏基站對(duì)小區(qū)不同位置住宅的室內(nèi)穿透主要包括窗戶穿透、墻壁穿透、室外繞射和室內(nèi)繞射等。圖2為2014年E.Semaan等人在GlobecomWorkshops上的高頻情況下，室外信號(hào)穿透不同建筑時(shí)，對(duì)室內(nèi)穿透能力的分析數(shù)據(jù)。其中，橙色曲線為普通玻璃的老式建筑物對(duì)不同頻率電磁波的穿透損耗，而藍(lán)色曲線則為新建筑的穿透損耗。由此可以清晰地看到信號(hào)頻率與穿透建筑損耗之間呈正相關(guān)，高頻在無線環(huán)境中的傳輸距離變短、對(duì)建筑的穿透性降低。假設(shè)室外宏基站離住戶窗戶的距離相同，5G信號(hào)抵達(dá)至窗前的路徑損耗比4G信號(hào)的損耗更多。相關(guān)資料表明，較之于2/3/4G工作頻段，2.6GHz（中國移動(dòng)5G頻段）、3.5GHz（聯(lián)通、電信5G頻段）和4.9GHz（廣電5G頻段）的傳輸和穿透損耗大約會(huì)提升10dB、15dB、20dB，詳細(xì)如表1所示。若僅考慮滿足室內(nèi)淺層覆蓋需求，理想情況下單位面積內(nèi)宏基站建站密度至少需要提升4倍。2018年，華為聯(lián)合香港電訊、全球移動(dòng)供應(yīng)商協(xié)會(huì)對(duì)5G實(shí)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并《室內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)白皮書》，實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表2所示。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試結(jié)果，3.5GHz頻段的傳播損耗和穿透損耗均較大，相比1.8GHz頻段，其綜合損耗大10.6dB左右。如采用批復(fù)的4.9GHz頻段進(jìn)行無線傳輸，則綜合損耗差更大，由室外向室內(nèi)穿透覆蓋會(huì)變得更加困難。進(jìn)一步考慮到建筑物內(nèi)部各種隔墻阻擋，高頻信號(hào)室內(nèi)深度覆蓋的效果將會(huì)更差。綜合公式測(cè)算數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，均可得出：隨著5G高頻的引入，傳統(tǒng)室外覆蓋室內(nèi)方案面臨一系列挑戰(zhàn)，室外信號(hào)在穿透磚墻、玻璃和水泥等障礙物后只能提供淺層的室內(nèi)覆蓋，無法保障室內(nèi)深度覆蓋。如果僅僅依賴于室外宏基站向室內(nèi)穿透，即便是運(yùn)營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會(huì)有相對(duì)比較好的信號(hào)，深入到家庭內(nèi)部的信號(hào)則會(huì)比較微弱甚至丟失，嚴(yán)重影響到用戶的體驗(yàn)。如何能夠有效地將5G信號(hào)覆蓋到家庭住宅的戶內(nèi)區(qū)域，則是擺在從業(yè)者面前一個(gè)嚴(yán)峻的問題。

3融合網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)5G家庭覆蓋可行性

根據(jù)上述分析，可以得出5G家庭深度覆蓋主要存在兩個(gè)方面的技術(shù)瓶頸：一是室外信號(hào)入戶前的傳播損耗，二是入戶與室內(nèi)傳播的穿墻損耗。針對(duì)第一類入戶前的傳播損耗，業(yè)內(nèi)普遍有兩種解決思路：一是增加基站覆蓋密度，但根據(jù)測(cè)算結(jié)果顯示，需要基站的數(shù)量呈幾何增長，在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和業(yè)務(wù)開展初期，新增業(yè)務(wù)的紅利無法彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的巨大投入；二是引入家用飛基站，通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸代替部分無線傳輸，降低信號(hào)損耗。飛基站使用IP協(xié)議，通過用戶已有的寬帶線路連接，遠(yuǎn)端由專用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)從IP網(wǎng)到移動(dòng)網(wǎng)的聯(lián)通。它的大小與家用調(diào)制解調(diào)器相似，具有安裝方便、自動(dòng)配置、自動(dòng)網(wǎng)規(guī)、即插即用的特點(diǎn)。如表3所示，一般飛基站的發(fā)射功率為10mW~100mW，支持少量活動(dòng)用戶，允許的最大用戶運(yùn)動(dòng)速度為10km/h。飛基站目前有2G、2.5G、3G乃至4G的產(chǎn)品，與運(yùn)營商的其他移動(dòng)基站同制式、同頻段，因此手機(jī)等移動(dòng)終端可以通用。雖然家用型飛基站面市已經(jīng)多年，但其本身具有價(jià)格比較昂貴、缺少同步措施易造成鄰區(qū)干擾、安全措施不足存在安全隱患等問題，在實(shí)際應(yīng)用中普及率始終不高。即使通過飛基站解決了入戶問題，后續(xù)仍需解決5G信號(hào)在戶內(nèi)的穿透問題。對(duì)于家庭戶內(nèi)，始終繞不開戶內(nèi)信號(hào)均勻覆蓋的問題，不同房間之間的墻壁和家具等，都會(huì)影響到5G信號(hào)從一個(gè)房間傳到另一個(gè)房間。在2/3/4G時(shí)代解決室內(nèi)信號(hào)覆蓋不均問題，主要采用無源分布式天線系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將基站設(shè)備與天線之間的饋線拉遠(yuǎn)，并經(jīng)由分配器、定向耦合器等無源器件，將基站信號(hào)均勻地分配至位于不同地點(diǎn)的多個(gè)天線單元；而在反方向，則是將各個(gè)天線單元所接收到的信號(hào)，經(jīng)過該同軸網(wǎng)絡(luò)原路匯聚到基站設(shè)備中，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下的均勻覆蓋。從信源到各個(gè)天線的同軸分配結(jié)構(gòu)與有線電視的同軸分配網(wǎng)非常類似。上述方式是直接將無線通信的射頻信號(hào)在同軸媒介中傳輸，其損耗會(huì)隨著載波頻率的增加而逐漸加大。在2G、3G時(shí)代，由于所使用的載波頻率較低，此方式可以廣泛應(yīng)用。到了4G時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)改造后此方式也勉強(qiáng)可以應(yīng)對(duì)。但在5G時(shí)代，系統(tǒng)改造面臨技術(shù)不可行、難實(shí)施、成本高等難點(diǎn)，從而導(dǎo)致現(xiàn)網(wǎng)無源分布式天線系統(tǒng)的單部件無法支持4.9GHz及毫米波頻段，傳統(tǒng)的室分的應(yīng)用將會(huì)受到極大的挑戰(zhàn)。

4基于同軸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)5G家庭深度覆蓋的分析

亟需解決的無線傳輸損耗和穿墻損耗留給有線電視網(wǎng)絡(luò)一個(gè)非常好的機(jī)會(huì)。眾所周知，有線電視的同軸線是一種滲透率幾乎達(dá)到100%的入戶媒介，該媒介已經(jīng)深入到住戶的客廳、書房以及各個(gè)臥室。如果能利用這條圖3基于同軸電纜網(wǎng)絡(luò)的融合覆蓋網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)天然滲透的媒介，幫助運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)住戶內(nèi)無線通信信號(hào)，特別是5G信號(hào)的深度覆蓋的話，那將是所有人非常樂意見到的局面。然而，迄今為止，這一領(lǐng)域的應(yīng)用依然是一個(gè)空白。前面已經(jīng)分析過，電信運(yùn)營商的傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)雖然在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上與同軸電纜相似，但該系統(tǒng)升級(jí)改造的巨大成本和技術(shù)瓶頸都導(dǎo)致運(yùn)營商希望尋找到新的傳輸媒介。使用同樣類型媒介的有線電視同軸網(wǎng)絡(luò)，要如何克服前文中提到的諸多缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)5G信號(hào)的家庭深度覆蓋，將是進(jìn)行后續(xù)分析研究的重點(diǎn)。有線電視的同軸電纜一般已經(jīng)通達(dá)到客廳、書房以及各個(gè)臥室，因此本文基于有線同軸電纜網(wǎng)絡(luò)提出一種融合覆蓋網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。如圖3所示，從家用飛基站的天線口引出射頻信號(hào)，注入到住戶家中的有線電視同軸電纜中，將飛基站的信號(hào)分配到各個(gè)房間的面板上，再由面板形式或其他形式的天線發(fā)送出去，完成對(duì)住宅戶內(nèi)各個(gè)房間的深度覆蓋。實(shí)現(xiàn)該場(chǎng)景的關(guān)鍵點(diǎn)是家用飛基站可以從天線口引出射頻信號(hào)。另外，為了避免與現(xiàn)存的有線電視信號(hào)之間出現(xiàn)互相干擾，需要在注入5G信號(hào)的時(shí)候，采用隔離度較好的合路器；同時(shí)在面板部分，同樣也需要具有一定隔離度的分路器。

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作者:李婷婷 朱里越 湯新坤 單位:國家廣播電視總局廣播電視科學(xué)研究院