5G室內(nèi)多場(chǎng)景目標(biāo)網(wǎng)覆蓋方案

張欣旺 周嬌 王大鵬 王東 鄧偉 丁海煜

【摘? 要】首先針對(duì)5G室內(nèi)多場(chǎng)景目標(biāo)網(wǎng)需求進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)容量需求將5G室內(nèi)場(chǎng)景劃分為覆蓋場(chǎng)景、體驗(yàn)場(chǎng)景和容量場(chǎng)景，提出了不同場(chǎng)景的系統(tǒng)性建網(wǎng)需求。5G室內(nèi)覆蓋方案主要包括無(wú)源室分覆蓋方案、有源室分覆蓋方案和融合組網(wǎng)覆蓋方案，這三種方案面向多場(chǎng)景目標(biāo)網(wǎng)提供差異化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。還提出了5G室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，分別針對(duì)利舊場(chǎng)景無(wú)源室分和有源室分明確了支持5G NR的判定標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)介紹了新建場(chǎng)景的差異化方案。

【關(guān)鍵詞】5G;無(wú)源室分;有源室分;融合組網(wǎng)

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.08.011? ? ? 中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）08-0062-06

引用格式：張欣旺，周嬌，王大鵬，等. 5G室內(nèi)多場(chǎng)景目標(biāo)網(wǎng)覆蓋方案[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（8）： 62-67.

[Abstract]?Firstly analyzes the requirements of 5G indoor multi-scenario target networks systematically. According to network capacity requirements， 5G indoor scenarios are partitioned into coverage， experience and capacity scenarios， and the systematic network construction requirements of different scenarios are proposed. 5G indoor coverage solutions mainly include passive indoor coverage solution， active indoor coverage solution， and hybrid network coverage solution， where differentiated network services are provided for multi-scenario target networks. This paper also proposes a construction solution of 5G indoor coverage networks， which specifies the criteria for supporting 5G NR for the passive and active indoor coverage systems and introduces the differentiated solutions for novel scenarios.

[Key words]5G; indoor passive distribution; indoor active distribution; hybrid network

1? ?引言

據(jù)預(yù)測(cè)，2021年智能手機(jī)的數(shù)據(jù)流量將會(huì)是2015年的11倍，移動(dòng)業(yè)務(wù)對(duì)于大帶寬和高容量的需求快速增長(zhǎng)[1]。ITU定義的5G三大應(yīng)用場(chǎng)景包括eMBB、uRLLC和mMTC，分別對(duì)應(yīng)于100 Mb/s以上的邊緣速率、99.999%的高可靠性、小于1 ms的超低時(shí)延、每平方千米內(nèi)百萬(wàn)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)連接[2]。

對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言，在室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)維經(jīng)營(yíng)方面，還會(huì)重點(diǎn)關(guān)注降成本技術(shù)、降功耗技術(shù)和新業(yè)務(wù)拓展的相關(guān)情況。以分布式皮基站為例，信號(hào)帶寬從4G時(shí)代的20 MHz增加到5G時(shí)代的100 MHz，總發(fā)射功率翻翻，射頻通道數(shù)量翻翻。綜合考慮上述三方面的因素，在5G建網(wǎng)初期，5G分布式皮基站成本大約是4G分布式皮基站成本的兩倍，如何降低建網(wǎng)成本（CAPEX）是運(yùn)營(yíng)商需要面對(duì)的首要問(wèn)題。4G時(shí)代，有源室分覆蓋方案功耗是無(wú)源室分覆蓋方案功耗的2倍左右，而5G有源室分由于信號(hào)帶寬和發(fā)射功率增加，其功耗也將繼續(xù)攀升，如何降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本（OPEX）是運(yùn)營(yíng)商需要面對(duì)的第二個(gè)問(wèn)題。目前，運(yùn)營(yíng)商在流量經(jīng)營(yíng)方面的“剪刀差”形勢(shì)不斷惡化，5G時(shí)代運(yùn)營(yíng)商急需拓展垂直行業(yè)應(yīng)用，拓展全新的業(yè)務(wù)模式。室內(nèi)定位和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是與室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)緊密相關(guān)的兩個(gè)新業(yè)務(wù)模式[2]，如何讓5G通信網(wǎng)支持室內(nèi)定位和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是運(yùn)營(yíng)商需要面對(duì)的第三個(gè)問(wèn)題，這也將是運(yùn)營(yíng)商能否轉(zhuǎn)型成功的關(guān)鍵。

2? ?5G室內(nèi)多場(chǎng)景目標(biāo)網(wǎng)需求分析

5G時(shí)代室內(nèi)場(chǎng)景將同時(shí)存在2G、3G、4G和5G多張網(wǎng)絡(luò)，各自承擔(dān)不同角色。2G和3G網(wǎng)絡(luò)作為支持語(yǔ)音業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)層，4G網(wǎng)絡(luò)作為支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)層，5G網(wǎng)絡(luò)（6 GHz以下）將作為支持eMBB、mMTC和uRLLC三大能力的體驗(yàn)層[1]。

不同室內(nèi)場(chǎng)景對(duì)于網(wǎng)絡(luò)容量需求存在一定差異化，如圖1所示。高校園區(qū)話(huà)務(wù)量很高，同時(shí)由于寒暑假原因，又存在一定周期性。交通樞紐話(huà)務(wù)量較高，處于穩(wěn)步增長(zhǎng)中。體育場(chǎng)館按照每月粒度統(tǒng)計(jì)，其話(huà)務(wù)量很低，但是如果按照每日粒度或者每小時(shí)統(tǒng)計(jì)，其話(huà)務(wù)量存在幾倍甚至幾十倍差異性（如圖2所示）。其它幾種室內(nèi)場(chǎng)景話(huà)務(wù)量也存在逐月增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

因此，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(lèi)場(chǎng)景又對(duì)應(yīng)著不同的具體場(chǎng)景。其中覆蓋場(chǎng)景包括辦公樓/寫(xiě)字樓、停車(chē)場(chǎng);體驗(yàn)場(chǎng)景包括醫(yī)院、商場(chǎng)/大賣(mài)場(chǎng)、商業(yè)街、娛樂(lè)場(chǎng)所、餐館/咖啡廳、賓館/酒店;容量場(chǎng)景包括體育場(chǎng)館、交通樞紐、高校園區(qū)、會(huì)展中心。

覆蓋場(chǎng)景對(duì)于網(wǎng)絡(luò)速率/容量的需求低，可接受CAPEX和OPEX值低，4G和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值居中，4G室分網(wǎng)絡(luò)以1T1R/2T2R為主，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，4G室分網(wǎng)絡(luò)以2T2R為主，5G室分網(wǎng)絡(luò)以4T4R為主。

三類(lèi)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[3]。其中：

（1）可視化運(yùn)維：室分網(wǎng)絡(luò)的端到端設(shè)備工作狀態(tài)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，確保網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于突發(fā)故障快速上報(bào)，準(zhǔn)確定位故障發(fā)生位置，設(shè)備參數(shù)靈活可配。

（2）室內(nèi)定位：具備5 m～7 m室內(nèi)定位能力，滿(mǎn)足大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用需求，具備1 m～3 m更高精度擴(kuò)展能力，可對(duì)外提供室內(nèi)定位能力，服務(wù)于垂直行業(yè)應(yīng)用。

（3）弱覆蓋分析：室內(nèi)不同區(qū)域信號(hào)覆蓋質(zhì)量精細(xì)化采集和上報(bào)，定位弱覆蓋區(qū)域，提供網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建議，可用于運(yùn)營(yíng)商間信號(hào)覆蓋質(zhì)量的競(jìng)對(duì)分析。

（4）人流量分析：室內(nèi)不同區(qū)域人流量分析，通過(guò)關(guān)聯(lián)用戶(hù)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)，拓展全新商業(yè)模式，用戶(hù)數(shù)據(jù)安全保密。

（5）易于擴(kuò)展：具備向下兼容2G/3G/4G已有頻段/制式，具備兼容未來(lái)新頻段/制式能力，復(fù)用已有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)資源。

（6）彈性擴(kuò)容：通過(guò)增加載頻或小區(qū)數(shù)方式，根據(jù)小區(qū)業(yè)務(wù)量需求彈性擴(kuò)容。

3? ?5G室內(nèi)覆蓋方案介紹

5G時(shí)代室內(nèi)覆蓋方案可以歸納分為三大類(lèi)：無(wú)源室分覆蓋方案、有源室分覆蓋方案和融合組網(wǎng)覆蓋方案，三種方案面向多場(chǎng)景目標(biāo)網(wǎng)提供差異化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

3.1? 無(wú)源室分覆蓋方案

相較于傳統(tǒng)無(wú)源室分而言，5G無(wú)源室分覆蓋方案重點(diǎn)解決了長(zhǎng)期存在的無(wú)源室分故障不可監(jiān)控問(wèn)題，同時(shí)提供了覆蓋所有終端的室內(nèi)定位能力。新方案保留了傳統(tǒng)無(wú)源室分的低成本（CAPEX）、低功耗（OPEX）、易于擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，但是，無(wú)源室分覆蓋方案支持的上下行速率最低，僅能通過(guò)增加載波的方式進(jìn)行有限擴(kuò)容，并且人流量分析的精度最低。

如圖3所示，智慧室分天線(xiàn)內(nèi)部集成藍(lán)牙信標(biāo)，其輸出信號(hào)復(fù)用室分天線(xiàn)陣子，其供電來(lái)自于射頻端口直接取電。為了支持直流供電能力，合路器、功分器、耦合器均需支持通直流功能。信源處新增智慧網(wǎng)關(guān)，內(nèi)置藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)功能，支持有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)形式的數(shù)據(jù)回傳，射頻端口具有對(duì)后級(jí)設(shè)備進(jìn)行直流供電的能力。對(duì)于已建傳統(tǒng)無(wú)源室分，可通過(guò)將傳統(tǒng)無(wú)源室分天線(xiàn)更換為內(nèi)置藍(lán)牙信標(biāo)的智慧室分天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)。由于傳統(tǒng)耦合器不支持通直流，藍(lán)牙信標(biāo)可以采用電池供電方案，設(shè)計(jì)壽命為10年以上。

智慧網(wǎng)關(guān)通過(guò)檢測(cè)藍(lán)牙信標(biāo)發(fā)射廣播信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)源室分系統(tǒng)故障監(jiān)控和故障定位，提供了無(wú)源室分可視化運(yùn)維的全新解決方案。同時(shí)，藍(lán)牙信標(biāo)發(fā)射的廣播信號(hào)還提供了覆蓋全部終端用戶(hù)的室內(nèi)定位能力，實(shí)現(xiàn)了“通信 . 導(dǎo)航一體化”室內(nèi)覆蓋方案。

3.2? 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4所示，由三級(jí)結(jié)構(gòu)組成，包括BBU、RHub和RF Unit。從BBU性能角度劃分，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A(yíng)SIC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/3G/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(mǎn)足以高校園區(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。5G設(shè)備RF Unit支持4T4R，其支持的上下行速率最高，具備精細(xì)化人流量分析能力。但是，有源室分覆蓋方案的建網(wǎng)成本（CAPEX）和運(yùn)行功耗（OPEX）最高，不具備其它工作頻段的擴(kuò)展性。RF Unit布放密度較為稀疏，室內(nèi)定位精度較低，且僅能支持特定運(yùn)營(yíng)商終端用戶(hù)。

3.3? 融合組網(wǎng)覆蓋方案

5G融合組網(wǎng)覆蓋方案是本文提出的創(chuàng)新方案[3]，該方案結(jié)合了無(wú)源室分的低成本、低功耗、易于擴(kuò)展以及有源室分彈性擴(kuò)容的優(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。

如圖5所示，該創(chuàng)新方案將有源室分的內(nèi)置天線(xiàn)方案變?yōu)橥庵锰炀€(xiàn)方案，大幅度提升了單個(gè)有源室分的室內(nèi)覆蓋范圍，降低了5G網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)成本（CAPEX）和運(yùn)行功耗（OPEX）。其外置天線(xiàn)采用3.1節(jié)介紹的智慧室分天線(xiàn)方案，有源室分外部集成式智慧網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)智慧室分天線(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控和直流供電功能。該創(chuàng)新方案可以根據(jù)不同室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行靈活配置，以圖5為例，有源室分的端口1和端口2、端口3和端口4分別外接雙極化天線(xiàn)，融合組網(wǎng)方案可以支持雙流，在部分交疊區(qū)域還可以支持4流。如果有源室分的端口1、端口2、端口3、端口4分別外接單極化天線(xiàn)，融合組網(wǎng)方案可以支持單流，5G網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)成本（CAPEX）和運(yùn)行功耗（OPEX）將會(huì)進(jìn)一步降低。

3.4? 三種覆蓋方案對(duì)比分析

接下來(lái)從多個(gè)維度對(duì)比分析三種覆蓋方案，如圖6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，在eMBB、彈性擴(kuò)容和人流量分析方面處于明顯劣勢(shì)，適合覆蓋場(chǎng)景;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，在CAPEX、OPEX、易于擴(kuò)展和室內(nèi)定位方面劣勢(shì)明顯，適合容量場(chǎng)景;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之間，性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯，適合體驗(yàn)場(chǎng)景。

4? ?5G室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

4.1? 三種覆蓋方案上下行邊緣速率

運(yùn)營(yíng)商4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標(biāo)是一張幾乎無(wú)縫的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)層，為了解決室內(nèi)弱覆蓋問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)商投入了大量基礎(chǔ)設(shè)施資源。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標(biāo)不再是建設(shè)一張無(wú)縫的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)，而是進(jìn)一步提升用戶(hù)峰值速率，滿(mǎn)足AR、VR、8k Video等高速率業(yè)務(wù)應(yīng)用需求[1]。

參考4G現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)，室分天線(xiàn)交疊區(qū)域的邊緣場(chǎng)強(qiáng)RSRP為-85 dBm以上，據(jù)此計(jì)算三種覆蓋方案的上下行邊緣速率，如圖7所示，同時(shí)考慮利舊和新建不同場(chǎng)景。5G三種覆蓋方案中，下行邊緣速率均達(dá)到理論極限，主要差異在于支持的數(shù)據(jù)流數(shù)。上行邊緣速率與數(shù)據(jù)流數(shù)和鏈路損耗有關(guān)系，有源室分方案整體優(yōu)于無(wú)源室分方案，但是1T1R無(wú)源室分上行速率也已經(jīng)達(dá)到44 Mb/s，完全滿(mǎn)足大多數(shù)5G室內(nèi)應(yīng)用需求。