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4G建網(wǎng)初期，室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)主要以無(wú)源DAS方案為主，其具備頻段擴(kuò)展性強(qiáng)、建網(wǎng)成本低等優(yōu)勢(shì)，但是其大部分為單路系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)容量偏低，且不具備可視化運(yùn)維和室內(nèi)定位能力。為了滿足包括交通樞紐、體育場(chǎng)館、會(huì)展中心等高容量場(chǎng)景需求，4G建網(wǎng)中期引入了分布式皮基站，其網(wǎng)絡(luò)容量高，且具備可視化運(yùn)維和室內(nèi)定位能力，但是其建網(wǎng)成本偏高。為了降低網(wǎng)絡(luò)成本，4G建網(wǎng)后期引入了擴(kuò)展型皮基站和一體化皮基站，其網(wǎng)絡(luò)容量和建網(wǎng)成本適中。4G時(shí)代室內(nèi)覆蓋主要方案如表1所示，每種方案都有其適用場(chǎng)景及各自特點(diǎn)。
5G室內(nèi)覆蓋面臨的四大挑戰(zhàn)
當(dāng)前，5G室內(nèi)覆蓋面臨諸多挑戰(zhàn)，本文從頻譜、成本、產(chǎn)業(yè)、網(wǎng)絡(luò)等維度，分析5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)部署面臨的四大挑戰(zhàn)，剖析5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力。
一是頻率選擇。以中國(guó)移動(dòng)為例，中國(guó)移動(dòng)5G頻段包括2.6GHz和4.9GHz。如果室內(nèi)和室外均采用2.6GHz頻段，在室內(nèi)淺層區(qū)域存在同頻干擾問(wèn)題，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降。如果室內(nèi)采用4.9GHz頻段，雖然同頻干擾問(wèn)題不存在了，但4.9GHz相比2.6GHz的鏈路損耗增大6-10dB。因此，中國(guó)移動(dòng)在頻段選擇上面臨著2.6GHz同頻干擾，4.9GHz損耗較高的挑戰(zhàn)。
二是設(shè)備成本激增。相比于4G室分設(shè)備而言，5G設(shè)備在工作頻段、載波帶寬、通道數(shù)量和發(fā)射功率方面均有大幅提升。如表2所示，工作頻段從2.3GHz提升至2.6GHz；載波帶寬從20MHz提升至100MHz，雙載波模式下總帶寬達(dá)160MHz；分布式皮基站的通道數(shù)從2通道提升至4通道，擴(kuò)展型皮基站依然是2通道；無(wú)源室分的單通道發(fā)射功率從20W提升至100W~160W（雙載波），有源室分的單通道發(fā)射功率從0.125W提升至0.25W~0.4W（雙載波）。綜合考慮上述4個(gè)方面的因素，在5G室分建網(wǎng)初期，設(shè)備成本將會(huì)較大幅度增長(zhǎng)。
三是產(chǎn)業(yè)成熟度有待提升。5G無(wú)源室分系統(tǒng)需要大功率兩通道RRU設(shè)備，目前單通道160W功率放大器和收發(fā)開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)業(yè)尚不成熟。雖然部分廠家推出了采用多拼功率放大器和級(jí)聯(lián)收發(fā)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)方案，但是其性能及功耗均有待進(jìn)一步提升。白盒小站是5G有源室分的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一，目前產(chǎn)業(yè)界以X86 CPU+FPGA實(shí)現(xiàn)方案為主，存在著功耗過(guò)大，成本較高問(wèn)題。雖然部分芯片廠家計(jì)劃推動(dòng)ASIC（專用集成電路）方案，以降低設(shè)備功耗及實(shí)現(xiàn)成本，但是研發(fā)進(jìn)度需要進(jìn)一步加快。
四是室內(nèi)專網(wǎng)存在差異化需求。大部分垂直行業(yè)應(yīng)用發(fā)生在室內(nèi)環(huán)境，對(duì)于室內(nèi)專網(wǎng)將提出差異化需求，包括低時(shí)延、高上行、高可靠及室內(nèi)定位等，對(duì)于室分設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、組網(wǎng)方式等都提出了全新要求。此外，室內(nèi)公網(wǎng)與室內(nèi)專網(wǎng)的結(jié)合方式，2.6GHz和4.9GHz使用策略等問(wèn)題尚需深入研究。
5G室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)需精細(xì)化建設(shè)
5G室內(nèi)場(chǎng)景根據(jù)容量需求可以劃分為覆蓋場(chǎng)景、體驗(yàn)場(chǎng)景和容量場(chǎng)景，三類場(chǎng)景對(duì)應(yīng)著不同的具體需求。如圖1所示，覆蓋場(chǎng)景對(duì)于網(wǎng)絡(luò)速率/容量需求低，可接受CAPEX和OPEX值低，5G室分網(wǎng)絡(luò)以1T1R為主；體驗(yàn)場(chǎng)景對(duì)于網(wǎng)絡(luò)速率/容量需求適中，可接受CAPEX和OPEX值適中，5G室分網(wǎng)絡(luò)以2T2R為主；容量場(chǎng)景對(duì)于網(wǎng)絡(luò)速率/容量需求高，可接受CAPEX和OPEX值高，5G室分網(wǎng)絡(luò)以4T4R為主。三類室內(nèi)場(chǎng)景均需要具備可視化運(yùn)維、室內(nèi)定位、弱覆蓋分析、人流量分析、易于擴(kuò)展和彈性擴(kuò)容等基本能力。
圖1 5G室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)差異化場(chǎng)景及需求分析
5G無(wú)源室分覆蓋方案
由于無(wú)源室分覆蓋方案在2G、3G和4G時(shí)代被廣泛使用，運(yùn)營(yíng)商擁有規(guī)模龐大的無(wú)源室分網(wǎng)絡(luò)資源。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)移動(dòng)現(xiàn)網(wǎng)中存量無(wú)源室分天線約1億面，利舊現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施是運(yùn)營(yíng)商建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)的高效手段，僅需在無(wú)源室分系統(tǒng)信源處增加5G NR信源即可，建設(shè)成本和建設(shè)周期最低。根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)中無(wú)源室分網(wǎng)絡(luò)最早可以追溯到2005年，在網(wǎng)運(yùn)行已達(dá)15年。一方面說(shuō)明無(wú)源室分系統(tǒng)具備長(zhǎng)期穩(wěn)定工作及后續(xù)演進(jìn)能力，另一方面說(shuō)明大部分無(wú)源室分系統(tǒng)已經(jīng)超期服役。對(duì)于不支持2.6G NR的無(wú)源室分站點(diǎn)，可以通過(guò)室分整改替換部分無(wú)源器件和室分天線。對(duì)于確有高流量需求的站點(diǎn)，可以新建更高容量的室分系統(tǒng)。
對(duì)于新建場(chǎng)景和具備升級(jí)改造條件的利舊場(chǎng)景，可以采用5G無(wú)源室分覆蓋方案，如圖2所示。相較于傳統(tǒng)無(wú)源室分而言，新方案重點(diǎn)解決了無(wú)源室分長(zhǎng)期存在的故障不可監(jiān)控問(wèn)題，同時(shí)提供室內(nèi)定位能力，保留了低成本、低功耗、易于擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)。
圖25G無(wú)源室分覆蓋方案
5G有源室分覆蓋方案
5G有源室分覆蓋方案與4G方案基本保持一致，如圖3所示，由三級(jí)結(jié)構(gòu)組成，包括BBU、Hub和RF Unit。從BBU設(shè)計(jì)方案角度劃分，有源室分可以分為基于X86 CPU架構(gòu)的擴(kuò)展型皮基站和基于ASIC架構(gòu)的分布式皮基站。從RF Unit支持模式角度劃分，有源室分可以劃分為5G單模設(shè)備和2G/4G/5G多模設(shè)備。有源室分覆蓋方案優(yōu)勢(shì)在于具備彈性擴(kuò)容能力，滿足以高效園區(qū)和會(huì)展中心為代表的網(wǎng)絡(luò)容量需求大或潮汐效應(yīng)明顯的室內(nèi)覆蓋場(chǎng)景需求，并且具備精細(xì)化人流量分析能力。
圖35G有源室分覆蓋方案
5G融合組網(wǎng)覆蓋方案
5G融合組網(wǎng)覆蓋方案結(jié)合了無(wú)源室分的低成本、低功耗、易于擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，和有源室分彈性擴(kuò)容能力優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還可以提供人流量分析、弱覆蓋分析、室內(nèi)定位和可視化運(yùn)維能力。第一代融合組網(wǎng)覆蓋方案如圖4的左圖所示，4通道分布式皮基站作為信源，其輸出射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)4功分器后兩兩合并，再分別接入8副雙極化天線，可提供下行雙流速率體驗(yàn)?zāi)芰?。第二代融合組網(wǎng)覆蓋方案如圖4的右圖所示，4通道分布式皮基站作為信源，其輸出射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)內(nèi)置功分器后實(shí)現(xiàn)四路合一路，再通過(guò)四合一集束1/6線纜外接8副4T4R有源室分天線，可提供下行四流速率體驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>
5G融合組網(wǎng)覆蓋方案具備三大優(yōu)勢(shì)。
一是安裝便利，由于采用外拉無(wú)源室分天線，皮基站作為信源無(wú)需外置于天花板外，其安裝位置選擇更加靈活，可降低安裝成本和美化成本。
二是靈活演進(jìn)，當(dāng)通信制式更迭或者頻譜變更時(shí)，融合室分方案僅需要更換少量的皮基站，功分器、室分天線、射頻饋線均可以復(fù)用，迭代和演進(jìn)的靈活性更高。
三是共建共享，在為多家運(yùn)營(yíng)商客戶提供通信服務(wù)時(shí)，融合室分方案只需要在信源處安裝各家設(shè)備，通過(guò)合路器、功分器和室分天線即可實(shí)現(xiàn)共建共享的目標(biāo)。
圖4 5G融合組網(wǎng)覆蓋方案
三種室分覆蓋方案對(duì)比分析
根據(jù)上面的分析，三種室分覆蓋方案綜合對(duì)比結(jié)果如圖5所示。其中無(wú)源室分覆蓋方案在CAPEX、OPEX、易于擴(kuò)展方面優(yōu)勢(shì)明顯，有源室分覆蓋方案在eMBB、彈性擴(kuò)容和人流量分析方面優(yōu)勢(shì)明顯，融合組網(wǎng)覆蓋方案的各項(xiàng)指標(biāo)均位于無(wú)源和有源室分覆蓋方案中間，綜合優(yōu)勢(shì)明顯。
圖5三種覆蓋方案對(duì)比分析
5G室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)需智能化演進(jìn)
5G時(shí)代，運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)對(duì)象從ToC為主轉(zhuǎn)向ToC和ToB并重。在探索全新商業(yè)模式過(guò)程中，運(yùn)營(yíng)商需要聚焦于自身的核心優(yōu)勢(shì)資源。
根據(jù)國(guó)際運(yùn)營(yíng)商轉(zhuǎn)型的成功經(jīng)驗(yàn)，全新業(yè)務(wù)領(lǐng)域具備以下4個(gè)特點(diǎn)：一是該領(lǐng)域業(yè)務(wù)已經(jīng)形成了規(guī)?；枨?，覆蓋用戶數(shù)眾多，可以發(fā)揮運(yùn)營(yíng)商的規(guī)模化優(yōu)勢(shì)；二是該領(lǐng)域業(yè)務(wù)需要一定的資產(chǎn)投入，可以發(fā)揮運(yùn)營(yíng)商已有的重資產(chǎn)優(yōu)勢(shì)；三是該領(lǐng)域業(yè)務(wù)需要將線上和線下相結(jié)合，可以發(fā)揮運(yùn)營(yíng)商的實(shí)體渠道優(yōu)勢(shì)；四是該領(lǐng)域業(yè)務(wù)需要“高信譽(yù)度”，可以發(fā)揮運(yùn)營(yíng)商的良好社會(huì)認(rèn)知度。
運(yùn)營(yíng)商擁有規(guī)模龐大的室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)，基于該網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)更易于探索出全新的數(shù)字化業(yè)務(wù)領(lǐng)域。但是，現(xiàn)有室分網(wǎng)路末端節(jié)點(diǎn)僅僅具備移動(dòng)通信能力，無(wú)法支撐運(yùn)營(yíng)商拓展全新的數(shù)字化業(yè)務(wù)領(lǐng)域。接下來(lái)將分別介紹兩種室分網(wǎng)路末端節(jié)點(diǎn)的智能化演進(jìn)思路：AaaS和Smart Box。
智能化演進(jìn)思路一：AaaS
AaaS（Antenna as a Service：天線即服務(wù)）是一種室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)全新概念，將定位網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)深度融合，形成室分故障監(jiān)控、室內(nèi)弱覆蓋分析、室內(nèi)精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)營(yíng)銷和物聯(lián)信息采集五大核心能力。
基于AaaS平臺(tái)的室內(nèi)定位方案如圖6所示，藍(lán)牙定位信標(biāo)與無(wú)源室分天線實(shí)現(xiàn)一體化集成，藍(lán)牙信標(biāo)發(fā)射的定位參考信號(hào)耦合到室分天線振子內(nèi)并發(fā)射出去。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)接入到室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)中，一方面通過(guò)功分器/耦合器為室分天線內(nèi)部集成的藍(lán)牙信標(biāo)供電，另一方面時(shí)刻監(jiān)控藍(lán)牙信標(biāo)的工作狀態(tài)。藍(lán)牙信標(biāo)通過(guò)不斷發(fā)送攜帶自身MAC地址的廣播信息給終端實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位服務(wù)，為了避免該廣播信息被盜用，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)會(huì)定期修改室分天線內(nèi)部藍(lán)牙信標(biāo)的MAC地址。
基于AaaS平臺(tái)的物聯(lián)采集方案如圖7所示，室內(nèi)傳感器將采集到的信息（例如：溫濕度值、煙霧報(bào)警）以廣播包形式對(duì)外發(fā)送，無(wú)源室分天線內(nèi)置藍(lán)牙信標(biāo)接收到周圍藍(lán)牙傳感器發(fā)送的廣播包信息，并將其通過(guò)功分器/耦合器回傳至藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)將包含傳感器數(shù)據(jù)的信息傳輸至云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，最終呈現(xiàn)出每個(gè)傳感器檢測(cè)到的各類室內(nèi)環(huán)境信息。
基于AaaS平臺(tái)，未來(lái)還可以在有源室分末端的皮基站內(nèi)部集成無(wú)線充電模塊，解決現(xiàn)有無(wú)線充電技術(shù)距離短的問(wèn)題，還可以集成可見(jiàn)光通信模塊，提升運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)速率。
圖 6基于AaaS平臺(tái)的室內(nèi)定位方案
圖 7基于AaaS平臺(tái)的物聯(lián)采集方案
智能化演進(jìn)思路二：Smart Box
Smart Box是面向“數(shù)字孿生城市”的室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)全新概念。“數(shù)字孿生城市”作為智慧城市概念的新思路，意在將真實(shí)物理城市的全量數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)映射到虛擬模型中，從而提供全新的區(qū)域性管理模式，進(jìn)而催生諸如城市智慧工業(yè)、城市規(guī)劃仿真等新的技術(shù)應(yīng)用。
中國(guó)信通院發(fā)布的《數(shù)字孿生城市研究報(bào)告（2019年）》白皮書中提出了數(shù)字孿生城市三橫兩縱的總體架構(gòu)，“三橫”包括新型基礎(chǔ)設(shè)施、智能運(yùn)行中樞、智慧應(yīng)用體系，“兩縱”包括城市安全防線、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在智慧城市的基礎(chǔ)上對(duì)技術(shù)覆蓋范圍和超級(jí)應(yīng)用提出了更高要求。室內(nèi)環(huán)境是信息交換最為頻繁的場(chǎng)景，未來(lái)勢(shì)必有更多的感知設(shè)備應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境。蜂窩網(wǎng)、局域網(wǎng)、短距通信等多種通信制式共存，造成信息采集的難度和成本大幅增加。Smart Box作為新型基礎(chǔ)設(shè)施的重要環(huán)節(jié)之一，意在實(shí)現(xiàn)室內(nèi)3GPP和非3GPP協(xié)議數(shù)據(jù)的全量采集功能。
Smart Box的連接關(guān)系如圖8所示，與4G/5G等3GPP協(xié)議數(shù)據(jù)一樣，Smart Box將外部智能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集至運(yùn)營(yíng)商的室分系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)通過(guò)BBU、核心網(wǎng)傳輸至各自業(yè)務(wù)平臺(tái)進(jìn)行處理。Smart Box則通過(guò)POE接口對(duì)外部智能設(shè)備進(jìn)行直流供電和參數(shù)配置。Smart Box可以接入包括藍(lán)牙信標(biāo)、攝像頭、ZigBee傳感器、UWB基站在內(nèi)的多種通信制式設(shè)備，具有靈活的擴(kuò)展性。
Smart Box一方面幫助運(yùn)營(yíng)商有效地拓展了室內(nèi)數(shù)據(jù)采集范疇，另一方面也解決了非3GPP協(xié)議設(shè)備在應(yīng)用過(guò)程中存在的3個(gè)痛點(diǎn)。
在物業(yè)施工方面，運(yùn)營(yíng)商具備多年施工建設(shè)和物業(yè)協(xié)調(diào)經(jīng)驗(yàn)，且Smart Box和外部智能設(shè)備可以跟皮基站一同進(jìn)場(chǎng)施工安裝，節(jié)省了智能設(shè)備的施工成本。
在設(shè)備供電方面，大多數(shù)非3GPP協(xié)議的智能設(shè)備采用電池供電或POE供電，前者會(huì)限制續(xù)航能力，后者需要單獨(dú)部署較長(zhǎng)的網(wǎng)線。Smart Box通過(guò)POE接口可以為外部智能設(shè)備提供穩(wěn)定的直流供電能力。
在數(shù)據(jù)回傳方面，Smart Box為接入設(shè)備提供統(tǒng)一的IP數(shù)據(jù)回傳通道，依托于5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸資源優(yōu)勢(shì)，可以提供穩(wěn)定可靠的高數(shù)據(jù)量傳輸能力。
圖 8Smart Box平臺(tái)
5G室內(nèi)覆蓋面臨著工作頻段升高、設(shè)備成本激增、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度不足和需求差異化等多重挑戰(zhàn)，需要根據(jù)覆蓋、容量、成本等需求進(jìn)行精細(xì)化建設(shè)，同時(shí)推動(dòng)系列化產(chǎn)品研發(fā)以及低成本融合室分應(yīng)用。為了拓展室內(nèi)全新業(yè)務(wù)領(lǐng)域，運(yùn)營(yíng)商需要依托室分網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)勢(shì)開(kāi)展智能化技術(shù)演進(jìn)，積極打造包括AaaS和Smart Box在內(nèi)的室內(nèi)新型基礎(chǔ)設(shè)施。
責(zé)任編輯：ct
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