低成本多功能的智慧5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)解決方案

◆張婧 楊丹 楊占春 李晉 王強(qiáng)

低成本多功能的智慧5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)解決方案

◆張婧1楊丹1楊占春2李晉3王強(qiáng)2

（1.中國移動(dòng)通信集團(tuán)云南有限公司 云南 650000；2.中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司重慶分公司 重慶 401121；3.中國移動(dòng)通信集團(tuán)云南有限公司大理分公司 云南 671000）

本文就目前運(yùn)營商室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)面臨無源室分故障發(fā)現(xiàn)難、無源室分MIMO演進(jìn)難、有源室分投資高、網(wǎng)絡(luò)功能單一的四大難題，有針對(duì)性地提出了RRU多通道聯(lián)合收發(fā)MIMO、變頻MIMO、可視化監(jiān)控、有/無源融合室分、UWB/藍(lán)牙融合室分五大對(duì)策，助力運(yùn)營商從傳統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)提供商向室內(nèi)定位、物聯(lián)集成商轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)“圍繞數(shù)字化服務(wù)轉(zhuǎn)型，成為綜合的數(shù)字服務(wù)使能者（DSE）”的工作目標(biāo)。

5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)；低成本覆蓋；多功能；室內(nèi)定位

1 引言

傳統(tǒng)無源室分長期存在著故障發(fā)現(xiàn)難、5G MIMO演進(jìn)難的問題，影響了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和客戶體驗(yàn)度：（1）目前無源室分DAS系統(tǒng)在現(xiàn)網(wǎng)室分大規(guī)模應(yīng)用，其主要由“啞設(shè)備”無源器件組成。現(xiàn)網(wǎng)缺乏有效的監(jiān)控手段，基本依靠現(xiàn)場巡查、用戶投訴等被動(dòng)發(fā)現(xiàn)故障，存在故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、代維巡檢成本高及問題處理歷時(shí)長等問題，導(dǎo)致問題定位難，對(duì)用戶感知影響較大；（2）5G大量垂直行業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)，速率要求高，對(duì)MIMO需求強(qiáng)烈，但傳統(tǒng)無源室分僅以單路為主，以中國移動(dòng)某省為例，1T1R無源室分DAS系統(tǒng)的存量占比約達(dá)90%，無法觸發(fā)MIMO，難以發(fā)揮5G“高速率”的大特性，不能稱作真正意義上5G。

新型有源數(shù)字室分將成為5G網(wǎng)絡(luò)重要建網(wǎng)方案之一，但是其網(wǎng)絡(luò)投資較高，且后續(xù)演進(jìn)能力不足。相比傳統(tǒng)無源室分，新型有源室分的建設(shè)成本和運(yùn)維成本一直居高不下，據(jù)測算，在空曠場景，5G分布式有源室分覆蓋的單平方米造價(jià)約為4G分布式微站的2倍，在隔斷場景二者投資差異更大。僅適用于高容量場景，很難廣泛應(yīng)用于中低容量場景。對(duì)于5G后期可能出現(xiàn)的新頻段、新制式，已安裝的新型有源室分無法支持，必須更換新設(shè)備，造成投資浪費(fèi)，后續(xù)演進(jìn)能力低。

僅有單一通信功能的網(wǎng)絡(luò)亟需轉(zhuǎn)型升級(jí)，但是現(xiàn)有室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)缺乏有效的智能化演進(jìn)手段。雖然運(yùn)營商擁有豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，但是現(xiàn)有室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)僅僅有通信的單一功能，無法滿足各行各業(yè)的差異化需求，因此運(yùn)營商亟需引入智能化技術(shù)，提升自身網(wǎng)絡(luò)能力。目前，眾多企業(yè)積極布局室內(nèi)定位和物聯(lián)采集市場，但普遍存在著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本高和運(yùn)維能力差等問題，運(yùn)營商可以借助5G室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)建設(shè)契機(jī)，引入室內(nèi)定位和物聯(lián)采集等全新能力，為拓展垂直行業(yè)儲(chǔ)備核心競爭力，提升自身網(wǎng)絡(luò)能力，實(shí)現(xiàn)“一張網(wǎng)絡(luò)賦能多個(gè)行業(yè)”的目標(biāo)。

2 無源室分5G MIMO演進(jìn)難對(duì)策

2.1 RRU多通道聯(lián)合收發(fā)MIMO效應(yīng)

（1）技術(shù)原理和關(guān)鍵技術(shù)

如圖1所示，基于無源室分覆蓋的部分場景中，即使室分分布系統(tǒng)是單路的，但是位于樓層n的UE終端能同時(shí)接收來自樓層n和樓層n+1的信號(hào)，如果此時(shí)樓層n和樓層n+1的信源分別來自于雙通道RRU的A和B端口，那么 UE就能形成2T2R的“錯(cuò)層MIMO”效應(yīng)；同理，把圖4想象成一個(gè)平面，位于區(qū)域B的UE終端能同時(shí)接收來自區(qū)域A和區(qū)域B的信號(hào)，UE就能形成2T2R的“錯(cuò)域MIMO”效應(yīng)。我們將上述的錯(cuò)層MIMO和錯(cuò)域MIMO可稱之為“RRU多通道聯(lián)合收發(fā)MIMO效應(yīng)”。但是此MIMO效應(yīng)的觸發(fā)需要有嚴(yán)格的鏈路均衡要求，多路信號(hào)鏈損差異多大會(huì)嚴(yán)重影響多流性能。

圖1 RRU多通道聯(lián)合收發(fā)MIMO效應(yīng)

（2）效應(yīng)觸發(fā)要素

損耗衰減后雙路RSRP差值，雙路信號(hào)的RSRP的差值越小，上次、下載速率的增益越大，經(jīng)驗(yàn)證，差值<20dB，增益>50%；差值20～30dB，可獲得感知優(yōu)于單路覆蓋效果正增益，增益隨差值增加而下降；差值超過25dB后，增益基本在10%以內(nèi)；差值大于30dB后而產(chǎn)生感知劣于單路覆蓋效果負(fù)增益。

（3）改造方案

本方案相對(duì)于傳統(tǒng)的無源室分單改雙，在改造成本、施工難易和施工耗時(shí)方面具備絕對(duì)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，完全克服了傳統(tǒng)方法成本高、難施工的難題，施工成本僅為原有室分單改雙的2.79%?；凇?G信源饋入現(xiàn)網(wǎng)室分系統(tǒng)，相鄰樓層或相鄰區(qū)域饋入不同通道的NR信號(hào)”原則，本文提供兩種改造方案。

方案1：如圖2，NR二級(jí)末端合路，即在每個(gè)樓層二級(jí)合路，不改動(dòng)現(xiàn)網(wǎng)主干饋纜，現(xiàn)網(wǎng)2G/4G室分拓?fù)洳蛔儯黾雍下菲鬏^多，新增5G主干饋纜；

方案2：如圖3，NR始端合路，增加的合路器數(shù)目少，但原有主干饋纜拆除，2G/4G也改造成相鄰樓層用RRU不同通道覆蓋，2G/4G 主干饋纜長度增加。

2.2 變頻耦合MIMO技術(shù)

針對(duì)前文所述RRU多通道聯(lián)合收發(fā)MIMO效應(yīng)無法觸發(fā)又有強(qiáng)烈MIMO需求的單路無源室分站點(diǎn)，建議引入變頻耦合MIMO技術(shù)，如圖4。在5G射頻單元信號(hào)輸入室分系統(tǒng)前增加一臺(tái)變頻近端機(jī)，同時(shí)將原有無源天線替換為2T2R遠(yuǎn)端天線。在5G射頻單元輸出兩路信號(hào)的基礎(chǔ)上，一路5G標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（直通路）直接合入室分系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，另一路標(biāo)準(zhǔn)的5G信號(hào)（變頻路）通過近端機(jī)變頻功能，變頻至600MHz中頻信號(hào)后合入原有單路室分系統(tǒng)，不同頻率在單路室分中互不影響。有源天線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端機(jī)功能，將接收到的600MHz中頻信號(hào)變頻還原為一路標(biāo)準(zhǔn)5G信號(hào)，與另一路標(biāo)準(zhǔn)5G信號(hào)一起組成雙路信號(hào)，從而帶來2T2R的MIMO效應(yīng)。經(jīng)核算，與新建2T2R皮基站相比，本方案節(jié)約15%～30%的成本。

圖2 方案1（NR二級(jí)末端合路）

圖3 方案2（NR始端合路）

圖4 變頻耦合MIMO技術(shù)

3 無源室分“啞設(shè)備”故障發(fā)現(xiàn)難對(duì)策

針對(duì)傳統(tǒng)無源室分“啞設(shè)備”難監(jiān)控問題，提出RFID可視化監(jiān)控技術(shù)方案。通過將RFID外貼或內(nèi)置于天線，同時(shí)在RRU信源側(cè)增加智慧網(wǎng)關(guān)，如圖5，智慧網(wǎng)關(guān)通過合路器與2/4/5G信源共同合路進(jìn)室分分布系統(tǒng)，智慧網(wǎng)關(guān)將通過饋線發(fā)射輪詢信號(hào)通過合路器、功分器、耦合器后達(dá)到內(nèi)置或外貼了RFID的天線，收到輪詢信號(hào)的RFID天線反饋應(yīng)答信號(hào)返回智慧網(wǎng)關(guān)，智慧網(wǎng)關(guān)通過周期性的發(fā)射輪詢信號(hào)，判斷每個(gè)RFID是否工作正常，并使用一定的算法預(yù)判故障點(diǎn)位，使得故障發(fā)現(xiàn)難的天線具備通斷狀態(tài)、鏈路損耗等信息實(shí)時(shí)檢測能力。

如下表1所示推理算法預(yù)判圖5故障點(diǎn)位舉例，情況1、情況2、情況3僅僅只是單獨(dú)一個(gè)天線出現(xiàn)故障，證明前端功分器、耦合器無異常，判定為未應(yīng)答天線存在故障；情況4、天線3正常排除耦合器異常，兩個(gè)天線同時(shí)故障概率相對(duì)較低，故判斷大概率判斷功分器故障；情況5、三個(gè)天線同時(shí)故障概率極低，故判斷大概率耦合器故障。

圖5 RFID可視化監(jiān)控技術(shù)方案示意圖

表1 推理算法預(yù)判故障點(diǎn)位舉例

天線應(yīng)答情況1應(yīng)答情況2應(yīng)答情況3應(yīng)答情況4應(yīng)答情況5 天線1異常正常正常異常異常 天線2正常異常正常異常異常 天線3正常正常異常正常異常 故障判斷天線1故障天線2故障天線3故障功分器故障耦合器故障

4 有源室分投資高、后續(xù)演進(jìn)能力不足對(duì)策制定

提出有源室分和無源室分融合組網(wǎng)方案，將有源皮基站作為信源，如圖6所示，通過新增BLE網(wǎng)關(guān)，根據(jù)不同的場景需求在外接型的皮基站外接多副無源1T1R、2T2R或4T4R天線，將原需昂貴皮基站覆蓋的點(diǎn)位由低廉的無源天線代替，其中外接的天線通過集成BLE信標(biāo)，不僅繼承了有源室分可視化運(yùn)維能力（即上一章節(jié)所述的可視化監(jiān)控技術(shù)能力），還能提供室內(nèi)的定位和物聯(lián)能力。皮基站信源依舊擁有彈性擴(kuò)容的能力，實(shí)現(xiàn)有源室分彈性擴(kuò)容、可視化運(yùn)維和無源室分低成本、低功耗完美融合，從而大幅降低建設(shè)成本和運(yùn)維成本。同時(shí)，BLE網(wǎng)關(guān)后端部分，可實(shí)現(xiàn)多運(yùn)營商的共享，甚至網(wǎng)絡(luò)迭代后仍然可以繼續(xù)使用，避免5G后期可能出現(xiàn)的新頻段、新制式，已安裝的新型有源室分無法支持等后續(xù)演進(jìn)能力不足問題。

選取某商場進(jìn)行試點(diǎn)對(duì)比測試，分別在格局一樣的1-5樓層進(jìn)行5種方案的試點(diǎn)對(duì)比驗(yàn)證，如表2，得出以下幾點(diǎn)小結(jié)：（1）原需47臺(tái)pRRU才能滿足覆蓋需求的樓層，通過融合組網(wǎng)方案僅需13-15臺(tái)pRRU即可完成覆蓋；（2）融合組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量并沒有出現(xiàn)明顯差于純皮基站組網(wǎng)的情況；（3）融合組網(wǎng)建設(shè)成本相對(duì)純Prru-4T4R和純Prru-2T2R分別約降低37%、20%，運(yùn)營成本相對(duì)純Prru-4T4R和純Prru-2T2R分別約降低51%、47%。

圖6 融合組網(wǎng)示意圖

表2 方案效果和成本對(duì)比表

方案純pRRU-4T4R組網(wǎng)純pRRU-2T2R組網(wǎng)1拖8融合組網(wǎng)1拖4融合組網(wǎng) 樓層 2F3F4F5F 硬件投資pRRU數(shù)47471315 5G RRU數(shù)---- 效果評(píng)估平均下載速率（Mbps）822642648603 平均上傳速率(Mmbps)155.18151.48114.7495.66 成本分析建設(shè)成本（萬元）59.7747.2938.4636.82 運(yùn)營成本（萬元/年）6.896.463.353.43

5 網(wǎng)絡(luò)功能單一且缺乏有效的智能化演進(jìn)手段對(duì)策

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能單一、缺乏有效的智能化演進(jìn)手段的現(xiàn)狀，提出5G-UWB/藍(lán)牙融合室分系統(tǒng)的室內(nèi)定位方案，如圖7所示，將 UWB、藍(lán)牙等室內(nèi)定位基站與 5G基站結(jié)合共同部署，例如前文所述的有源室分和無源室分融合組網(wǎng)方案，就是一種藍(lán)牙融合5G基站低成本多功能的有效應(yīng)用。定位基站復(fù)用 5G 基站站址資源、供電資源和傳輸資源，打破5G缺乏智能化演進(jìn)手段的難題；同時(shí)結(jié)合邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)先進(jìn)技術(shù)，讓感知層賦能執(zhí)行層，提供米級(jí)、亞米級(jí)定位精度，能夠滿足智慧園區(qū)、交通樞紐、工業(yè)制造、大型展館等室內(nèi)場景下的各種定位業(yè)務(wù)需求，提供集“通信.導(dǎo)航.物聯(lián)”一體的解決方案，打破網(wǎng)絡(luò)功能單一的局面，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商從普通的通信業(yè)務(wù)提供商向室內(nèi)定位提供商轉(zhuǎn)型。

圖7 5G-UWB/藍(lán)牙架構(gòu)圖

6 總結(jié)

本文針對(duì)當(dāng)前運(yùn)營商5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)所面臨的四大痛點(diǎn)，提出了五種低成本多功能的智慧室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)解決方案，壓降網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運(yùn)營成本，助力運(yùn)營商從傳統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)提供商向室內(nèi)定位、物聯(lián)集成商轉(zhuǎn)型。

痛點(diǎn)1：無源室分5G MIMO演進(jìn)難，提出RRU多通道聯(lián)合收發(fā)MIMO方案和變頻耦合MIMO技術(shù)兩種方案；

痛點(diǎn)2：無源室分“啞設(shè)備”故障發(fā)現(xiàn)難，提出了RFID可視化監(jiān)控技術(shù)方案；

痛點(diǎn)3：有源室分投資高且后續(xù)演進(jìn)能力不足，提出了有源室分和無源室分融合組網(wǎng)方案；

痛點(diǎn)4：傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能單一，提出5G-UWB/藍(lán)牙融合室分系統(tǒng)的高精度室內(nèi)定位方案。

[1]張欣旺，曹景陽，徐飛，等. 智慧室分系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].移動(dòng)通信，2018（9）.