白盒化基站設(shè)備在5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋的研究

賈 帆 徐羲晟 李益鋒 許 彬 王貞凱

1 華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司 杭州 310052

2 中國(guó)電信股份有限公司浙江分公司 杭州 310052

引言

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，無(wú)線接入網(wǎng)由傳統(tǒng)封閉化走向現(xiàn)代開(kāi)放化，演進(jìn)趨勢(shì)由4G時(shí)代的V-RAN進(jìn)化到5G時(shí)代的Cloud-RAN，RAN設(shè)備虛擬化的同時(shí)接口趨于開(kāi)放化。當(dāng)前5G室內(nèi)覆蓋面臨諸多挑戰(zhàn)，包括頻譜、成本、產(chǎn)業(yè)、網(wǎng)絡(luò)四個(gè)維度，需要從四個(gè)維度進(jìn)行綜合考量，才能進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)[1]。而實(shí)現(xiàn)軟件硬件解耦的硬件白盒化基站對(duì)無(wú)線接入網(wǎng)而言是一種變革，實(shí)現(xiàn)由專用硬件平臺(tái)向通用硬件平臺(tái)、封閉架構(gòu)向開(kāi)放架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，對(duì)于推動(dòng)5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展有著積極意義。

與宏基站相比，白盒化小基站具有覆蓋范圍小、支持多網(wǎng)融合、部署場(chǎng)景靈活等特點(diǎn)，成為了硬件白盒化趨勢(shì)的先鋒，因此，探索白盒化基站在運(yùn)營(yíng)商5G室分部署中的應(yīng)用，對(duì)于挖掘5G技術(shù)潛能、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋、降本增效都有重要意義。

1 5G白盒化基站的產(chǎn)品特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 5G白盒化基站的產(chǎn)品特點(diǎn)及系統(tǒng)架構(gòu)

5G白盒化基站是一種采用數(shù)字化技術(shù)，基于光纖承載無(wú)線信號(hào)傳輸和分布的微功率的室內(nèi)覆蓋方案。組成架構(gòu)是由基帶單元設(shè)備(BBU)、遠(yuǎn)端匯聚單元設(shè)備(HUB)和無(wú)線射頻單元設(shè)備(pRRU)三部分構(gòu)成[1]，如圖1所示，其中無(wú)線射頻單元設(shè)備先通過(guò)星形級(jí)聯(lián)的方式與遠(yuǎn)端匯聚單元設(shè)備連接，遠(yuǎn)端匯聚單元設(shè)備再通過(guò)混合級(jí)聯(lián)的方式與基帶單元設(shè)備相連，基帶單元設(shè)備最后通過(guò)傳輸網(wǎng)與核心網(wǎng)連接。

圖1 5G白盒化基站系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

BBU負(fù)責(zé)基站的協(xié)議棧處理，操作維護(hù)功能，主要完成基帶信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)、無(wú)線資源管理、移動(dòng)性管理、物理層處理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等功能。HUB主要負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)分路和合并、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。pRRU主要負(fù)責(zé)完成射頻處理及無(wú)線信號(hào)的收發(fā)。

目前基帶單元需要長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積累，有較高的門檻。根據(jù)前期調(diào)研，目前有4種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)基帶單元的功能[2]，分別為Intel X86方案、高通ASIC方案、NXP恩智浦方案以及廠家自研架構(gòu)。

1.2 5G白盒化基站的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

白盒化開(kāi)放架構(gòu)的核心本質(zhì)是將無(wú)線主設(shè)備切割成標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件模塊，通過(guò)獨(dú)立研發(fā)和規(guī)模效應(yīng)實(shí)現(xiàn)每一個(gè)子系統(tǒng)的低成本生產(chǎn)及靈活選擇，最后通過(guò)集成商統(tǒng)一集成各個(gè)子系統(tǒng)，并面向運(yùn)營(yíng)商提供交付、運(yùn)維、支撐等服務(wù)，最終構(gòu)建安全、可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[3]。對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)備廠商的Lampsite或pRRU產(chǎn)品，兩者存在一些類似點(diǎn)，如均為三級(jí)架構(gòu)、均可實(shí)現(xiàn)4T4R小區(qū)、均支持4G/5G雙模，且在安裝費(fèi)用上保持一致。兩者主要區(qū)別在于內(nèi)部軟硬件結(jié)構(gòu)、設(shè)備最大容量、天線性能以及產(chǎn)品價(jià)格，尤其在設(shè)備價(jià)格層面，白盒化基站軟硬件解耦帶來(lái)的開(kāi)放架構(gòu)使得眾多廠商參與到產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中，因而產(chǎn)品價(jià)格大幅降低，同容量下白盒化廠家僅為傳統(tǒng)廠商Lampsite或pRRU產(chǎn)品價(jià)格的50%左右。經(jīng)測(cè)算，實(shí)際站點(diǎn)覆蓋中相同覆蓋效果條件下，白盒化基站點(diǎn)位造價(jià)僅為傳統(tǒng)設(shè)備廠商有源室分基站點(diǎn)位造價(jià)的60%左右，節(jié)約成本明顯，而有源室分產(chǎn)品則在設(shè)備穩(wěn)定性上對(duì)比白盒化基站有一定優(yōu)勢(shì)。

白盒化基站對(duì)比傳統(tǒng)無(wú)源DAS在一些特性上有明顯優(yōu)勢(shì)。首先是性能優(yōu)勢(shì)，DAS很難做到4T4R覆蓋，而白盒化基站遠(yuǎn)端設(shè)備本身具有4T4R天線或?qū)?yīng)天線接口，網(wǎng)絡(luò)因此更加智能，能夠快速靈活響應(yīng)業(yè)務(wù)需求[4]。其次是施工便捷，對(duì)比DAS施工實(shí)施相對(duì)方便簡(jiǎn)捷，白盒基站三級(jí)架構(gòu)部署較為靈活，支持通過(guò)軟件設(shè)置小區(qū)合并或分裂，可靈活構(gòu)建較大規(guī)模的分布系統(tǒng)，而DAS的布線和器件安裝較為繁雜，工程實(shí)施相對(duì)困難，并且擴(kuò)容也需要一定的工程改造量[1]。再次是白盒化基站支持4G/5G雙模，BBU插入標(biāo)準(zhǔn)PCI-E接口LTE信道板實(shí)現(xiàn)4G/5G雙覆蓋，而使用傳統(tǒng)DAS的器件、饋線和天線由于不同頻段的衰減特性不同，在長(zhǎng)線纜情況下會(huì)造成4G/5G信號(hào)分布不均勻，易產(chǎn)生弱覆蓋區(qū)域。最后是易于監(jiān)控，目前各廠家白盒化基站設(shè)備南向網(wǎng)管接口支持tr069協(xié)議，現(xiàn)有網(wǎng)管可通過(guò)升級(jí)實(shí)現(xiàn)白盒化基站設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控[5]，而傳統(tǒng)的無(wú)源DAS由于無(wú)源天饋無(wú)法迅速定位到故障點(diǎn)，故障排除難度大、效果差。傳統(tǒng)DAS的優(yōu)勢(shì)是在空曠場(chǎng)景如一些小區(qū)地下室及停車場(chǎng)區(qū)域，可通過(guò)5G直放站來(lái)降低建設(shè)成本，因此，在一些對(duì)容量需求較低的空曠場(chǎng)景下，傳統(tǒng)DAS造價(jià)優(yōu)勢(shì)較為明顯。

2 5G白盒化基站應(yīng)用場(chǎng)景分析

由于白盒化基站具有靈活的容量配置、多天線技術(shù)以及較好的運(yùn)營(yíng)維護(hù)性，決定了其在半空曠場(chǎng)景下具有較大的優(yōu)勢(shì)，尤其是商場(chǎng)和寫(xiě)字樓場(chǎng)景。商場(chǎng)一般采用石膏板作為吊頂材料，空曠區(qū)域主要集中在走廊和中庭區(qū)域，該區(qū)域整體人流量較大，商鋪區(qū)為密集區(qū)域，該區(qū)域隔斷較多且隔斷材料多為石膏板、木板和玻璃，穿透損耗較低。寫(xiě)字樓情況同樣如此，空曠區(qū)域集中在員工的工作區(qū)和會(huì)議室，密集區(qū)集中在會(huì)客廳和領(lǐng)導(dǎo)辦公室等隔斷較多區(qū)域。因此，此類場(chǎng)景的容量需求以及覆蓋方式和白盒化基站的覆蓋特性最為匹配。傳統(tǒng)的無(wú)源DAS在此場(chǎng)景下由于容量有限、布線不美觀、故障難定位等缺點(diǎn)在此類場(chǎng)景無(wú)法達(dá)到良好的覆蓋效果及維護(hù)便利性。而傳統(tǒng)廠家的pRRU等方案雖能滿足此類場(chǎng)景下的覆蓋效果，但由于其設(shè)備軟硬件未解耦且硬件專用化導(dǎo)致的高昂采購(gòu)價(jià)格使其在此場(chǎng)景下不具備良好的經(jīng)濟(jì)性。因此，綜合覆蓋效果、維護(hù)便利以及經(jīng)濟(jì)性等因素，白盒化基站在半空曠場(chǎng)景下具備明顯優(yōu)勢(shì)。

3 典型場(chǎng)景的實(shí)際應(yīng)用案例

本研究項(xiàng)目選用了寫(xiě)字樓場(chǎng)景作為實(shí)際應(yīng)用案例，測(cè)試地點(diǎn)為杭州某寫(xiě)字樓，總建筑面積約52600平，單層面積為1400平，覆蓋9～16層。該樓宇采用廠家3.5GHz白盒化基站遠(yuǎn)端進(jìn)行四通道覆蓋，現(xiàn)場(chǎng)有部分區(qū)域已完成二次裝修，采用石膏板、木板和玻璃作為隔斷材料，吊頂為石膏板。遠(yuǎn)端設(shè)備安裝位置示意圖如圖2所示。

圖2 某寫(xiě)字樓遠(yuǎn)端單元安裝示意圖

站點(diǎn)開(kāi)通后，對(duì)5G基站側(cè)網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)配置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化完成后對(duì)該寫(xiě)字樓9樓至16樓現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遍歷測(cè)試，主要關(guān)注測(cè)試指標(biāo)為SS-RSRP、SS-SINR和NRPDCPThroughputDL。所有樓層的詳細(xì)測(cè)試指標(biāo)數(shù)據(jù)如表1～3所示。

表1 某寫(xiě)字樓各樓層SS-RSRP測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表2 某寫(xiě)字樓各樓層SS-SINR測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表3 某寫(xiě)字樓各樓層NRPDCPThroughputDL測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

依照該運(yùn)營(yíng)商《5G共建共享工程驗(yàn)收規(guī)范(SA分冊(cè))》中的驗(yàn)收規(guī)范要求，測(cè)試區(qū)域的SSRSRP≥-110dBm且同時(shí)滿足SSSINR≥3dB樣點(diǎn)占比大于95%，測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于規(guī)范要求。此外，針對(duì)速率類的要求，單用戶下行峰值速率和平均速率要求也遠(yuǎn)高于規(guī)范所要求的800Mb/s和450Mb/s，因此測(cè)試結(jié)果證明了5G白盒化基站在半空曠場(chǎng)景下在能夠達(dá)到理想的覆蓋效果。

4 造價(jià)對(duì)比分析

根據(jù)上述實(shí)際案例分別計(jì)算了半空曠場(chǎng)景下同等覆蓋效果采用白盒化基站、主設(shè)備廠家有源分布系統(tǒng)及傳統(tǒng)DAS系統(tǒng)在工程總投資以及單位面積的造價(jià)。具體計(jì)算方法為：白盒化基站和主設(shè)備廠家有源分布系統(tǒng)設(shè)備的遠(yuǎn)端發(fā)射功率為4×250mW，總覆蓋面積為11200平方米，四流覆蓋，通過(guò)計(jì)算得出兩種模式均采用1臺(tái)基帶單元，4臺(tái)中繼單元，32臺(tái)射頻遠(yuǎn)端進(jìn)行覆蓋，而傳統(tǒng)DAS方案，在同為4T4R情況下，設(shè)定RRU的發(fā)射功率為2×160W，通過(guò)計(jì)算得出的RRU數(shù)量為4臺(tái)。設(shè)備價(jià)格則參考運(yùn)營(yíng)商集采價(jià)格，經(jīng)過(guò)測(cè)算，三種覆蓋方式若達(dá)到相同的覆蓋效果，主設(shè)備廠家有源分布系統(tǒng)單位面積造價(jià)為30.14元，白盒化基站系統(tǒng)單位面積造價(jià)為14.43元，傳統(tǒng)DAS單位面積造價(jià)為25.1元，如表4所示。通過(guò)對(duì)比分析得出在半空曠場(chǎng)景下白盒化基站在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋應(yīng)用中，更具有成本優(yōu)勢(shì)。

表4 兩種方式造價(jià)對(duì)比表

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究項(xiàng)目重點(diǎn)介紹了5G白盒基站的產(chǎn)品架構(gòu)并和傳統(tǒng)DAS無(wú)源組網(wǎng)方式以及傳統(tǒng)廠家的Lampsite、pRRU組網(wǎng)模式進(jìn)行對(duì)比，給出了其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。結(jié)合實(shí)際工程案例證明了5G白盒化基站在半空曠場(chǎng)景下在能夠達(dá)到理想的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的同時(shí)具有較高的成本優(yōu)勢(shì)，為接下來(lái)運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋的部署提供了新的思路。