4G建網(wǎng)初期，室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡主要以無源DAS方案為主，其具備頻段擴展性強、建網(wǎng)成本低等優(yōu)勢，但是其大部分為單路系統(tǒng)，網(wǎng)絡容量偏低，且不具備可視化運維和室內(nèi)定位能力。為了滿足包括交通樞紐、體育場館、會展中心等高容量場景需求，4G建網(wǎng)中期引入了分布式皮基站，其網(wǎng)絡容量高，且具備可視化運維和室內(nèi)定位能力，但是其建網(wǎng)成本偏高。為了降低網(wǎng)絡成本，4G建網(wǎng)后期引入了擴展型皮基站和一體化皮基站，其網(wǎng)絡容量和建網(wǎng)成本適中。4G時代室內(nèi)覆蓋主要方案如表1所示，每種方案都有其適用場景及各自特點。

表1?4G室分覆蓋主要方案

5G室內(nèi)覆蓋面臨的四大挑戰(zhàn)

當前，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)絡等維度，分析5G室內(nèi)網(wǎng)絡部署面臨的四大挑戰(zhàn)，剖析5G室內(nèi)網(wǎng)絡演進的驅(qū)動力。

一是頻率選擇。以中國移動為例，中國移動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)域存在同頻干擾問題，導致網(wǎng)絡性能下降。如果室內(nèi)采用4.9GHz頻段，雖然同頻干擾問題不存在了，但4.9GHz相比2.6GHz的鏈路損耗增大6-10dB。因此，中國移動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)。

二是設備成本激增。相比于4G室分設備而言，5G設備在工作頻段、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160MHz；分布式皮基站的通道數(shù)從2通道提升至4通道，擴展型皮基站依然是2通道；無源室分的單通道發(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個方面的因素，在5G室分建網(wǎng)初期，設備成本將會較大幅度增長。

表2?5G室分設備關鍵指標演進（相比于4G）

三是產(chǎn)業(yè)成熟度有待提升。5G無源室分系統(tǒng)需要大功率兩通道RRU設備，目前單通道160W功率放大器和收發(fā)開關器件產(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聯(lián)收發(fā)開關實現(xiàn)方案，但是其性能及功耗均有待進一步提升。白盒小站是5G有源室分的技術發(fā)展趨勢之一，目前產(chǎn)業(yè)界以X86 CPU+FPGA實現(xiàn)方案為主，存在著功耗過大，成本較高問題。雖然部分芯片廠家計劃推動ASIC（專用集成電路）方案，以降低設備功耗及實現(xiàn)成本，但是研發(fā)進度需要進一步加快。

四是室內(nèi)專網(wǎng)存在差異化需求。大部分垂直行業(yè)應用發(fā)生在室內(nèi)環(huán)境，對于室內(nèi)專網(wǎng)將提出差異化需求，包括低時延、高上行、高可靠及室內(nèi)定位等，對于室分設備、網(wǎng)絡優(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)的結合方式，2.6GHz和4.9GHz使用策略等問題尚需深入研究。

5G室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡需精細化建設

5G室內(nèi)場景根據(jù)容量需求可以劃分為覆蓋場景、體驗場景和容量場景，三類場景對應著不同的具體需求。如圖1所示，覆蓋場景對于網(wǎng)絡速率/容量需求低，可接受CAPEX和OPEX值低，5G室分網(wǎng)絡以1T1R為主；體驗場景對于網(wǎng)絡速率/容量需求適中，可接受CAPEX和OPEX值適中，5G室分網(wǎng)絡以2T2R為主；容量場景對于網(wǎng)絡速率/容量需求高，可接受CAPEX和OPEX值高，5G室分網(wǎng)絡以4T4R為主。三類室內(nèi)場景均需要具備可視化運維、室內(nèi)定位、弱覆蓋分析、人流量分析、易于擴展和彈性擴容等基本能力。

圖1??5G室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡差異化場景及需求分析

5G無源室分覆蓋方案

由于無源室分覆蓋方案在2G、3G和4G時代被廣泛使用，運營商擁有規(guī)模龐大的無源室分網(wǎng)絡資源。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國移動現(xiàn)網(wǎng)中存量無源室分天線約1億面，利舊現(xiàn)有基礎設施是運營商建設5G網(wǎng)絡的高效手段，僅需在無源室分系統(tǒng)信源處增加5G NR信源即可，建設成本和建設周期最低。根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，運營商現(xiàn)網(wǎng)中無源室分網(wǎng)絡最早可以追溯到2005年，在網(wǎng)運行已達15年。一方面說明無源室分系統(tǒng)具備長期穩(wěn)定工作及后續(xù)演進能力，另一方面說明大部分無源室分系統(tǒng)已經(jīng)超期服役。對于不支持2.6G NR的無源室分站點，可以通過室分整改替換部分無源器件和室分天線。對于確有高流量需求的站點，可以新建更高容量的室分系統(tǒng)。

對于新建場景和具備升級改造條件的利舊場景，可以采用5G無源室分覆蓋方案，如圖2所示。相較于傳統(tǒng)無源室分而言，新方案重點解決了無源室分長期存在的故障不可監(jiān)控問題，同時提供室內(nèi)定位能力，保留了低成本、低功耗、易于擴展等優(yōu)勢。

圖2??5G無源室分覆蓋方案

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，由三級結構組成，包括BBU、Hub和RF Unit。從BBU設計方案角度劃分，有源室分可以分為基于X86 CPU架構的擴展型皮基站和基于ASIC架構的分布式皮基站。從RF Unit支持模式角度劃分，有源室分可以劃分為5G單模設備和2G/4G/5G多模設備。有源室分覆蓋方案優(yōu)勢在于具備彈性擴容能力，滿足以高效園區(qū)和會展中心為代表的網(wǎng)絡容量需求大或潮汐效應明顯的室內(nèi)覆蓋場景需求，并且具備精細化人流量分析能力。

圖3?5G有源室分覆蓋方案

5G融合組網(wǎng)覆蓋方案

5G融合組網(wǎng)覆蓋方案結合了無源室分的低成本、低功耗、易于擴展等優(yōu)勢，和有源室分彈性擴容能力優(yōu)勢，同時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，其輸出射頻信號經(jīng)過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能力。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，其輸出射頻信號經(jīng)過藍牙網(wǎng)關內(nèi)置功分器后實現(xiàn)四路合一路，再通過四合一集束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能力。

5G融合組網(wǎng)覆蓋方案具備三大優(yōu)勢。

一是安裝便利，由于采用外拉無源室分天線，皮基站作為信源無需外置于天花板外，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，當通信制式更迭或者頻譜變更時，融合室分方案僅需要更換少量的皮基站，功分器、室分天線、射頻饋線均可以復用，迭代和演進的靈活性更高。

三是共建共享，在為多家運營商客戶提供通信服務時，融合室分方案只需要在信源處安裝各家設備，通過合路器、功分器和室分天線即可實現(xiàn)共建共享的目標。

圖4?5G融合組網(wǎng)覆蓋方案

三種室分覆蓋方案對比分析

根據(jù)上面的分析，三種室分覆蓋方案綜合對比結果如圖5所示。其中無源室分覆蓋方案在CAPEX、OPEX、易于擴展方面優(yōu)勢明顯，有源室分覆蓋方案在eMBB、彈性擴容和人流量分析方面優(yōu)勢明顯，融合組網(wǎng)覆蓋方案的各項指標均位于無源和有源室分覆蓋方案中間，綜合優(yōu)勢明顯。

圖5??三種覆蓋方案對比分析

5G室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡需智能化演進

5G時代，運營商業(yè)務對象從ToC為主轉(zhuǎn)向ToC和ToB并重。在探索全新商業(yè)模式過程中，運營商需要聚焦于自身的核心優(yōu)勢資源。

根據(jù)國際運營商轉(zhuǎn)型的成功經(jīng)驗，全新業(yè)務領域具備以下4個特點：一是該領域業(yè)務已經(jīng)形成了規(guī)?；枨螅采w用戶數(shù)眾多，可以發(fā)揮運營商的規(guī)?；瘍?yōu)勢；二是該領域業(yè)務需要一定的資產(chǎn)投入，可以發(fā)揮運營商已有的重資產(chǎn)優(yōu)勢；三是該領域業(yè)務需要將線上和線下相結合，可以發(fā)揮運營商的實體渠道優(yōu)勢；四是該領域業(yè)務需要“高信譽度”，可以發(fā)揮運營商的良好社會認知度。

運營商擁有規(guī)模龐大的室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡，基于該網(wǎng)絡優(yōu)勢更易于探索出全新的數(shù)字化業(yè)務領域。但是，現(xiàn)有室分網(wǎng)路末端節(jié)點僅僅具備移動通信能力，無法支撐運營商拓展全新的數(shù)字化業(yè)務領域。接下來將分別介紹兩種室分網(wǎng)路末端節(jié)點的智能化演進思路：AaaS和SmartBox。

智能化演進思路一：AaaS

AaaS（Antenna as a Service：天線即服務）是一種室內(nèi)通信網(wǎng)絡全新概念，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)精準定位、精準營銷和物聯(lián)信息采集五大核心能力。

基于AaaS平臺的室內(nèi)定位方案如圖6所示，藍牙定位信標與無源室分天線實現(xiàn)一體化集成，藍牙信標發(fā)射的定位參考信號耦合到室分天線振子內(nèi)并發(fā)射出去。藍牙網(wǎng)關接入到室內(nèi)通信網(wǎng)絡中，一方面通過功分器/耦合器為室分天線內(nèi)部集成的藍牙信標供電，另一方面時刻監(jiān)控藍牙信標的工作狀態(tài)。藍牙信標通過不斷發(fā)送攜帶自身MAC地址的廣播信息給終端實現(xiàn)精準定位服務，為了避免該廣播信息被盜用，藍牙網(wǎng)關會定期修改室分天線內(nèi)部藍牙信標的MAC地址。

基于AaaS平臺的物聯(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、煙霧報警）以廣播包形式對外發(fā)送，無源室分天線內(nèi)置藍牙信標接收到周圍藍牙傳感器發(fā)送的廣播包信息，并將其通過功分器/耦合器回傳至藍牙網(wǎng)關，藍牙網(wǎng)關將包含傳感器數(shù)據(jù)的信息傳輸至云平臺進行數(shù)據(jù)解析，最終呈現(xiàn)出每個傳感器檢測到的各類室內(nèi)環(huán)境信息。

基于AaaS平臺，未來還可以在有源室分末端的皮基站內(nèi)部集成無線充電模塊，解決現(xiàn)有無線充電技術距離短的問題，還可以集成可見光通信模塊，提升運營商網(wǎng)絡通信服務速率。

圖?6?基于AaaS平臺的室內(nèi)定位方案

圖?7?基于AaaS平臺的物聯(lián)采集方案

智能化演進思路二：SmartBox

SmartBox是面向“數(shù)字孿生城市”的室內(nèi)通信網(wǎng)絡全新概念。“數(shù)字孿生城市”作為智慧城市概念的新思路，意在將真實物理城市的全量數(shù)據(jù)進行動態(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，進而催生諸如城市智慧工業(yè)、城市規(guī)劃仿真等新的技術應用。

中國信通院發(fā)布的《數(shù)字孿生城市研究報告（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，“三橫”包括新型基礎設施、智能運行中樞、智慧應用體系，“兩縱”包括城市安全防線、標準規(guī)范，在智慧城市的基礎上對技術覆蓋范圍和超級應用提出了更高要求。室內(nèi)環(huán)境是信息交換最為頻繁的場景，未來勢必有更多的感知設備應用于室內(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作為新型基礎設施的重要環(huán)節(jié)之一，意在實現(xiàn)室內(nèi)3GPP和非3GPP協(xié)議數(shù)據(jù)的全量采集功能。

SmartBox的連接關系如圖8所示，與4G/5G等3GPP協(xié)議數(shù)據(jù)一樣，SmartBox將外部智能設備的數(shù)據(jù)采集至運營商的室分系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)通過BBU、核心網(wǎng)傳輸至各自業(yè)務平臺進行處理。SmartBox則通過POE接口對外部智能設備進行直流供電和參數(shù)配置。SmartBox可以接入包括藍牙信標、攝像頭、ZigBee傳感器、UWB基站在內(nèi)的多種通信制式設備，具有靈活的擴展性。

SmartBox一方面幫助運營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)議設備在應用過程中存在的3個痛點。

在物業(yè)施工方面，運營商具備多年施工建設和物業(yè)協(xié)調(diào)經(jīng)驗，且SmartBox和外部智能設備可以跟皮基站一同進場施工安裝，節(jié)省了智能設備的施工成本。

在設備供電方面，大多數(shù)非3GPP協(xié)議的智能設備采用電池供電或POE供電，前者會限制續(xù)航能力，后者需要單獨部署較長的網(wǎng)線。Smart Box通過POE接口可以為外部智能設備提供穩(wěn)定的直流供電能力。

在數(shù)據(jù)回傳方面，SmartBox為接入設備提供統(tǒng)一的IP數(shù)據(jù)回傳通道，依托于5G網(wǎng)絡的傳輸資源優(yōu)勢，可以提供穩(wěn)定可靠的高數(shù)據(jù)量傳輸能力。

圖?8?SmartBox平臺

5G室內(nèi)覆蓋面臨著工作頻段升高、設備成本激增、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、成本等需求進行精細化建設，同時推動系列化產(chǎn)品研發(fā)以及低成本融合室分應用。為了拓展室內(nèi)全新業(yè)務領域，運營商需要依托室分網(wǎng)絡資源優(yōu)勢開展智能化技術演進，積極打造包括AaaS和SmartBox在內(nèi)的室內(nèi)新型基礎設施。
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