中國聯(lián)通5G數(shù)字化室分演進(jìn)方案探討

郭希蕊，張 濤，李福昌，王東洋（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048）

1 概述

隨著通信技術(shù)的演進(jìn)以及用戶行為習(xí)慣的變化，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)指數(shù)級增長。目前室內(nèi)區(qū)域產(chǎn)生的移動網(wǎng)絡(luò)流量在整個網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)占有了非常高的比例，伴隨著5G業(yè)務(wù)種類的持續(xù)增加和行業(yè)邊界的不斷擴(kuò)展，業(yè)界預(yù)測未來5G超過85%的移動業(yè)務(wù)將發(fā)生在室內(nèi)場景，因此室內(nèi)覆蓋至關(guān)重要，將成為運(yùn)營商的核心競爭力之一。

而在5G時代，部署頻率與原有網(wǎng)絡(luò)存在較大差異，與4G相比，5G將在C-Band和毫米波上部署，因此如何提升室內(nèi)用戶的體驗(yàn)將是未來運(yùn)營商所需要面臨的挑戰(zhàn)。而在另一方面，在室內(nèi)業(yè)務(wù)占比進(jìn)一步提升的情形下，室內(nèi)站點(diǎn)話務(wù)占比卻很低，難以滿足未來5G大話務(wù)量的需求。相比于現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)通過支持大帶寬、高頻段以及更多天線端口等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了用戶體驗(yàn)的提升。對于未來的5G室內(nèi)部署而言，傳統(tǒng)2G/3G/4G時代的解決方案也面臨著巨大的挑戰(zhàn)和創(chuàng)新的需求。本文將從5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的驅(qū)動力、5G數(shù)字化室分產(chǎn)品規(guī)劃的核心要素以及中國聯(lián)通數(shù)字化室分產(chǎn)品規(guī)劃等方面詳述中國聯(lián)通5G數(shù)字化室分演進(jìn)方案。

2 5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)向數(shù)字化演進(jìn)的驅(qū)動力

2.1 5G技術(shù)演進(jìn)驅(qū)動室內(nèi)覆蓋數(shù)字化

2.1.1 室外覆蓋室內(nèi)性能降低

和4G時代的sub-3 GHz頻段相比，在高頻段部署的5G宏基站信號在室外照射來覆蓋室內(nèi)場景的時候面臨更大的鏈路損耗問題，導(dǎo)致室內(nèi)深度覆蓋嚴(yán)重不足。相比于4G宏基站信號，C-Band頻段室外信號每穿透1面混凝土墻壁時會產(chǎn)生額外的8~13 dB鏈路損耗，根據(jù)目前中國聯(lián)通外場測試的數(shù)據(jù)，C-Band對于室內(nèi)只能進(jìn)行穿透1層墻體的淺層覆蓋，對于室內(nèi)的深度覆蓋遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了5G體驗(yàn)的覆蓋要求。

因此，5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和室外網(wǎng)絡(luò)同步部署，才能夠保障移動用戶室內(nèi)外體驗(yàn)一致性。這跟4G時代先建設(shè)室外宏站來覆蓋室內(nèi)室外，再加強(qiáng)室內(nèi)數(shù)字化室分建設(shè)的方式是有差異的。

2.1.2 無源分布系統(tǒng)向5G演進(jìn)困難

無源分布系統(tǒng)是2G/3G/4G時代主流的室內(nèi)覆蓋方案，目前已建的無源分布式天線系統(tǒng)不支持5G頻段，系統(tǒng)改造面臨技術(shù)不可行、難實(shí)施、成本高等巨大挑戰(zhàn)。主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

a）3.5 GHz系統(tǒng)難以利舊現(xiàn)有無源分布式系統(tǒng)。傳統(tǒng)室分系統(tǒng)中很多元器件如合路器、功分器等還不支持3.5 GHz或成本過高，更換難度很大。多組抽樣測試結(jié)果表明，Sub3G器件在3.5 GHz頻段的關(guān)鍵性能指標(biāo)（如插損、耦合度、駐波比）無法滿足要求。

b）3.5 GHz覆蓋收縮。C-band和Sub 3G相比，鏈路損耗（含無源分布式天線系統(tǒng)傳輸損耗、空中損耗、隔墻穿透損耗）更大，導(dǎo)致需要增加C-band信源以滿足同覆蓋要求。新建5G無源分布式系統(tǒng)，也將面臨損耗大、成本高的問題。C-band和Sub 3G的實(shí)際測試結(jié)果如1所示。

表1 不同頻段室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)綜合損耗差

c）4×4 MIMO工程建設(shè)難度高，1T1R/2T2R升級到4T4R工程實(shí)施難度大。4路DAS需要部署4根饋線、4套器件和天線，工程無法落地，另外，還會導(dǎo)致鏈路不平衡，引起性能問題；目前全球存量市場上有90%以上的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)是DAS，室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)面臨著非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

d）無源分布式系統(tǒng)無法滿足可視化管理要求。無源器件（功分器、耦合器、饋線、吸頂天線）無論那一端出現(xiàn)故障，都需要人工逐步排查線路問題，頭端和各網(wǎng)元不可視造成維護(hù)成本高，影響運(yùn)維體驗(yàn)。

2.2 5G業(yè)務(wù)驅(qū)動室內(nèi)覆蓋數(shù)字化

伴隨5G業(yè)務(wù)種類持續(xù)增多和行業(yè)邊界不斷擴(kuò)展，新增各種應(yīng)用需求包括智能家居、智慧城市、AR/VR、自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)自動化、游戲云應(yīng)用、高可靠應(yīng)用、超高清視頻等等。在業(yè)務(wù)層面，5G室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)凸顯出了2個關(guān)鍵性要素。

a）室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)寬帶化演進(jìn)。

b）室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)低時延化演進(jìn)。

表2給出了不同5G業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的需求。

表2 不同5G業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的需求

從表2可以看出，為了滿足5G新生的業(yè)務(wù)，5G需要具備比4G更高的性能，支持0.1～1 Gbit/s的用戶體驗(yàn)速率，毫秒級的端到端時延，室內(nèi)定位精度達(dá)到米級。同時，5G還需要大幅提高網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)營的效率，相比4G，頻譜效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。

從以上分析可知，5G室外覆蓋室內(nèi)已無法滿足深度覆蓋需求，現(xiàn)網(wǎng)無源器件無法兼容5G頻率，無法直接合路升級支持5G，新天饋器件在5G頻段損耗高，部署成本高；同時，大容量的業(yè)務(wù)需求又勢必要求多天線技術(shù)在室內(nèi)也開展廣泛的應(yīng)用，業(yè)務(wù)的需求也驅(qū)動室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)整體性的向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，5G室內(nèi)系統(tǒng)將向數(shù)字化、大容量、易部署、可監(jiān)控演進(jìn)。

5G時代數(shù)字化室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品部署規(guī)模將明顯提升，多樣化室內(nèi)場景有多樣化網(wǎng)絡(luò)需求，需擴(kuò)大5G室內(nèi)數(shù)字化產(chǎn)品生態(tài)范圍，不同產(chǎn)品形態(tài)對應(yīng)不同室內(nèi)場景，形成差異化部署。

3 5G數(shù)字化室分產(chǎn)品規(guī)劃核心要素

室內(nèi)一體化微RRU是目前中國聯(lián)通4G主流的數(shù)字化室分建設(shè)方式，產(chǎn)品種類單一，一體化微RRU在中小場景建網(wǎng)成本高；4G室內(nèi)流量已呈現(xiàn)極其突出的高低不均現(xiàn)象，低價值低熱場景需要低成本方案。目前4G社會化基站廠商都有網(wǎng)管，但網(wǎng)管數(shù)據(jù)模型不統(tǒng)一，存在著多家網(wǎng)管并存的問題，給運(yùn)維造成很大的不便，影響后續(xù)的部署。因此，5G數(shù)字化室分產(chǎn)品需要考慮以下因素，滿足數(shù)字化室分差異化部署需求。

3.1 產(chǎn)品形態(tài)

5G時代數(shù)字化室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品部署規(guī)模將明顯提升，多樣化室內(nèi)場景有多樣化網(wǎng)絡(luò)需求，需擴(kuò)大5G室內(nèi)數(shù)字化產(chǎn)品生態(tài)范圍，不同產(chǎn)品形態(tài)對應(yīng)不同室內(nèi)場景，形成差異化部署。多樣化室內(nèi)場景有多樣化網(wǎng)絡(luò)需求，5G數(shù)字化室分設(shè)備需支持多種形態(tài)。

a）高價值高流量的大型場景以室內(nèi)高性能產(chǎn)品（一體化微RRU）為主。

b）容量需求適中的中小場景以室內(nèi)中低性能產(chǎn)品（擴(kuò)展型微站）為主。

c）容量需求低的小微場景需要低成本的數(shù)字化室分產(chǎn)品（數(shù)字微分布）。

3.2 4G/5G多模能力要求

4G和5G網(wǎng)絡(luò)會在今后相當(dāng)一段時間內(nèi)并存，這要求數(shù)字化室分產(chǎn)品需要具備多頻多模能力，面向不同模式需求，需支持4G+5G多模數(shù)字化產(chǎn)品、5G單模數(shù)字化產(chǎn)品。4G需支持1.8 GHz頻段（30 MHz）和2.1 GHz頻段（40 MHz）。

3.3 帶寬與MIMO要求

為滿足5G典型室內(nèi)業(yè)務(wù)對移動網(wǎng)絡(luò)的大帶寬需求，如初級AR要求下行50 Mbit/s、入門級VR要求下行100 Mbit/s，5G網(wǎng)絡(luò)需要以100 MHz帶寬、4T4R配置為基礎(chǔ)，才能保障足夠的邊緣體驗(yàn)速率和充分的容量增長潛力（見圖1）。

但對于一些中低價值、中低容量場景，2T2R可以滿足容量需求，從而進(jìn)一步降低建網(wǎng)成本。

3.4 發(fā)射功率要求

根據(jù)仿真分析和現(xiàn)網(wǎng)典型4G室內(nèi)微RRU覆蓋半徑規(guī)劃（見表3），在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量可比的前提下，若希望5G微RRU與4G微RRU同點(diǎn)位部署，需由4G時代的2T2R向5G時代的4T4R演進(jìn)，并且每通道發(fā)射功率由100 mW提升為250 mW。

圖1 100 Mbit/s邊緣體驗(yàn)速率保障

表3 覆蓋半徑仿真對比

3.5 數(shù)字化與DAS融合

隔斷場景使用數(shù)字化產(chǎn)品成本較高，將數(shù)字化方案與DAS融合，用DAS拓展數(shù)字化末端單元的覆蓋邊界，可以兼顧數(shù)字化方案與DAS方案的優(yōu)點(diǎn)，提供了降低部署成本的一種選擇。4T4R設(shè)備可通過內(nèi)置或外置天線分成2個4×4 MIMO或者4個2×2 MIMO，2T2R設(shè)備可通過內(nèi)置或外置天線分成2個或3個2×2 MIMO。

3.6 統(tǒng)一網(wǎng)管

在5G數(shù)字化室分產(chǎn)品形態(tài)多樣化的趨勢下，隨著5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的種類和數(shù)量增加，整個網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性日益提高，多廠商問題也將非常突出，實(shí)現(xiàn)5G端到端的統(tǒng)一網(wǎng)管，使網(wǎng)絡(luò)具備快速部署和全網(wǎng)的綜合管理的能力，包括集中監(jiān)控、分析、優(yōu)化，及時掌握全網(wǎng)運(yùn)行情況并進(jìn)行有效控制，從而提高運(yùn)營商信息化管理水平，最終提高移動通信的服務(wù)質(zhì)量和運(yùn)營效益。

4 中國聯(lián)通5G數(shù)字化室分產(chǎn)品規(guī)劃探討

基于第3章討論的5G數(shù)字化室分產(chǎn)品規(guī)劃核心要素，中國聯(lián)通規(guī)劃了3種數(shù)字化室分設(shè)備，下面將對這3種設(shè)備進(jìn)行詳述。

4.1 一體化微RRU設(shè)備

室內(nèi)一體化微RRU適用于高價值高流量大型場景，如體育場館、交流樞紐、大型場館、公共場所等高人流密度、高容量需求的熱點(diǎn)場景。一體化微RRU設(shè)備由基帶單元設(shè)備、匯聚單元設(shè)備和遠(yuǎn)端單元設(shè)備3個部分構(gòu)成，如圖2所示，其中遠(yuǎn)端單元設(shè)備先通過星形級聯(lián)的方式與匯聚單元設(shè)備連接，匯聚單元設(shè)備再通過星鏈混合級聯(lián)的方式與基帶單元設(shè)備相連，基帶單元設(shè)備再與核心網(wǎng)連接。

圖2 室內(nèi)一體化微RRU設(shè)備架構(gòu)圖

中國聯(lián)通5G一體化微RRU產(chǎn)品微RRU基本能力要求如表4所示。

表4 中國聯(lián)通5G室內(nèi)一體化微RRU產(chǎn)品遠(yuǎn)端單元基本能力

4.2 擴(kuò)展型微站設(shè)備

擴(kuò)展型微站適用于辦公樓宇、商場超市、賓館酒店、宿舍住宅等多種室內(nèi)覆蓋場景。擴(kuò)展型微站設(shè)備由主機(jī)單元、擴(kuò)展單元、遠(yuǎn)端單元3個部分組成（見圖3），其中：

圖3 擴(kuò)展型微站組網(wǎng)架構(gòu)

a）主機(jī)單元負(fù)責(zé)基站的協(xié)議棧處理，操作維護(hù)功能，目前由通用X86服務(wù)器和FPGA板卡組成。

b）擴(kuò)展單元負(fù)責(zé)遠(yuǎn)端單元的IQ數(shù)據(jù)下行分發(fā)、上行匯聚、時鐘同步、POE供電等，包含CPU處理模塊、FPGA匯聚與分發(fā)模塊、PSE供電與外圍電路模塊。

c）遠(yuǎn)端單元為小功率RRU設(shè)備，具備射頻收發(fā)功能（內(nèi)置天線），包含CPU控制模塊、傳輸接口模塊、POE供電與外圍電路模塊、RF收發(fā)模塊。

擴(kuò)展型微站設(shè)備同時支持SA、NSA，靈活應(yīng)對5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需求；通過軟件配置支持CU/DU分離和合設(shè)，滿足不同的場景的配置需求，采用光纖/以太網(wǎng)布線的方式，可大大節(jié)省工程難度和建網(wǎng)時間。

中國聯(lián)通5G擴(kuò)展型微站產(chǎn)品基本能力要求如表5所示。

表5 中國聯(lián)通5G擴(kuò)展型微站產(chǎn)品基本能力

4.3 數(shù)字微分布設(shè)備

作為5G深度覆蓋的低成本解決方案，數(shù)字微分布設(shè)備適用于中小場景的覆蓋區(qū)域，利用其快速建設(shè)、組網(wǎng)靈活、工程簡單等特點(diǎn)，可以短時間快速解決低價值盲區(qū)的信號覆蓋問題。同時，數(shù)字微分布設(shè)備通過無線回傳，將室外信號擴(kuò)展到室內(nèi)進(jìn)行覆蓋，擴(kuò)展了室外信號的覆蓋范圍，提高室外基站業(yè)務(wù)量。

5G網(wǎng)絡(luò)需要支持超高速率、超低時延業(yè)務(wù)，5G微分布設(shè)備采用了多核多模化芯片設(shè)計，極大提高了處理能力，大大降低了系統(tǒng)時延，并且從芯片構(gòu)架、新型射頻功放技術(shù)、合理化的散熱等多層面改善設(shè)備功耗性能。

中國聯(lián)通5G數(shù)字微分布產(chǎn)品分為一體化微分布和擴(kuò)展型微分布產(chǎn)品（見圖4），產(chǎn)品基本能力要求如下。

圖4 數(shù)字微分布設(shè)備

a）系統(tǒng)形態(tài)：5G單頻/（4G+5G）多頻多模。

b）系統(tǒng)帶寬：100 M。

c）MIMO：支持2T2R。

d）接入形式：無線接入。

e）低功率：小于100 mW。

f）低功耗：單模塊小于10 W。

g）低時延：≤1 μs。

h）組網(wǎng)方式：鏈狀+星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由控制單元、擴(kuò)展單元、覆蓋單元組成，覆蓋單元單元支持?jǐn)U展。

i）傳輸方式：擴(kuò)展單元集中供電，控制單元和覆蓋單元通過同軸電纜遠(yuǎn)程饋電。

j）監(jiān)控能力：可監(jiān)可控，可以監(jiān)控到每個遠(yuǎn)端覆蓋單元。

k）抗干擾：系統(tǒng)采用數(shù)字處理技術(shù)，結(jié)合一系列抗干擾網(wǎng)絡(luò)算法，有效控制發(fā)射噪聲。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的2G/3G/4G室內(nèi)覆蓋方案已經(jīng)無法滿足5G室內(nèi)覆蓋需求，室內(nèi)產(chǎn)品數(shù)字化演進(jìn)是大勢所趨，5G數(shù)字化室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品部署規(guī)模將明顯提升，但多樣化室內(nèi)場景有多樣化網(wǎng)絡(luò)需求，一體化微RRU、擴(kuò)展型微站、數(shù)字微分布等數(shù)字化產(chǎn)品將基于各自特點(diǎn)各司其職，在部署應(yīng)用上保持百花齊放。