5G室內多場景目標網覆蓋方案

張欣旺 周嬌 王大鵬 王東 鄧偉 丁海煜

【摘? 要】首先針對5G室內多場景目標網需求進行了系統性分析，根據網絡容量需求將5G室內場景劃分為覆蓋場景、體驗場景和容量場景，提出了不同場景的系統性建網需求。5G室內覆蓋方案主要包括無源室分覆蓋方案、有源室分覆蓋方案和融合組網覆蓋方案，這三種方案面向多場景目標網提供差異化網絡服務。還提出了5G室內覆蓋網絡建設方案，分別針對利舊場景無源室分和有源室分明確了支持5G NR的判定標準，同時介紹了新建場景的差異化方案。

【關鍵詞】5G;無源室分;有源室分;融合組網

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.08.011? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）08-0062-06

引用格式：張欣旺，周嬌，王大鵬，等. 5G室內多場景目標網覆蓋方案[J]. 移動通信， 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

據預測，2021年智能手機的數據流量將會是2015年的11倍，移動業務對于大帶寬和高容量的需求快速增長[1]。ITU定義的5G三大應用場景包括eMBB、uRLLC和mMTC，分別對應于100 Mb/s以上的邊緣速率、99.999%的高可靠性、小于1 ms的超低時延、每平方千米內百萬級物聯網連接[2]。

對于運營商而言，在室內覆蓋網絡建設和運維經營方面，還會重點關注降成本技術、降功耗技術和新業務拓展的相關情況。以分布式皮基站為例，信號帶寬從4G時代的20 MHz增加到5G時代的100 MHz，總發射功率翻翻，射頻通道數量翻翻。綜合考慮上述三方面的因素，在5G建網初期，5G分布式皮基站成本大約是4G分布式皮基站成本的兩倍，如何降低建網成本（CAPEX）是運營商需要面對的首要問題。4G時代，有源室分覆蓋方案功耗是無源室分覆蓋方案功耗的2倍左右，而5G有源室分由于信號帶寬和發射功率增加，其功耗也將繼續攀升，如何降低網絡運行成本（OPEX）是運營商需要面對的第二個問題。目前，運營商在流量經營方面的“剪刀差”形勢不斷惡化，5G時代運營商急需拓展垂直行業應用，拓展全新的業務模式。室內定位和物聯網應用是與室內覆蓋網絡緊密相關的兩個新業務模式[2]，如何讓5G通信網支持室內定位和物聯網應用是運營商需要面對的第三個問題，這也將是運營商能否轉型成功的關鍵。

2? ?5G室內多場景目標網需求分析

5G時代室內場景將同時存在2G、3G、4G和5G多張網絡，各自承擔不同角色。2G和3G網絡作為支持語音業務的基礎層，4G網絡作為支持數據業務的基礎層，5G網絡（6 GHz以下）將作為支持eMBB、mMTC和uRLLC三大能力的體驗層[1]。

不同室內場景對于網絡容量需求存在一定差異化，如圖1所示。高校園區話務量很高，同時由于寒暑假原因，又存在一定周期性。交通樞紐話務量較高，處于穩步增長中。體育場館按照每月粒度統計，其話務量很低，但是如果按照每日粒度或者每小時統計，其話務量存在幾倍甚至幾十倍差異性（如圖2所示）。其它幾種室內場景話務量也存在逐月增長的態勢。

因此，5G室內場景根據容量需求可以劃分為覆蓋場景、體驗場景和容量場景，三類場景又對應著不同的具體場景。其中覆蓋場景包括辦公樓/寫字樓、停車場;體驗場景包括醫院、商場/大賣場、商業街、娛樂場所、餐館/咖啡廳、賓館/酒店;容量場景包括體育場館、交通樞紐、高校園區、會展中心。

覆蓋場景對于網絡速率/容量的需求低，可接受CAPEX和OPEX值低，4G和5G室分網絡以1T1R為主;體驗場景對于網絡速率/容量需求適中，可接受CAPEX和OPEX值居中，4G室分網絡以1T1R/2T2R為主，5G室分網絡以2T2R為主;容量場景對于網絡速率/容量需求高，可接受CAPEX和OPEX值高，4G室分網絡以2T2R為主，5G室分網絡以4T4R為主。

三類室內場景均需要具備可視化運維、室內定位、弱覆蓋分析、人流量分析、易于擴展和彈性擴容等基本能力[3]。其中：

（1）可視化運維：室分網絡的端到端設備工作狀態具備實時監控能力，確保網絡穩定運行，對于突發故障快速上報，準確定位故障發生位置，設備參數靈活可配。

（2）室內定位：具備5 m～7 m室內定位能力，滿足大多數商業應用需求，具備1 m～3 m更高精度擴展能力，可對外提供室內定位能力，服務于垂直行業應用。

（3）弱覆蓋分析：室內不同區域信號覆蓋質量精細化采集和上報，定位弱覆蓋區域，提供網絡優化建議，可用于運營商間信號覆蓋質量的競對分析。

（4）人流量分析：室內不同區域人流量分析，通過關聯用戶數據、網絡數據和位置數據，拓展全新商業模式，用戶數據安全保密。

（5）易于擴展：具備向下兼容2G/3G/4G已有頻段/制式，具備兼容未來新頻段/制式能力，復用已有網絡建設資源。

（6）彈性擴容：通過增加載頻或小區數方式，根據小區業務量需求彈性擴容。

3? ?5G室內覆蓋方案介紹

5G時代室內覆蓋方案可以歸納分為三大類：無源室分覆蓋方案、有源室分覆蓋方案和融合組網覆蓋方案，三種方案面向多場景目標網提供差異化網絡服務。

3.1? 無源室分覆蓋方案

相較于傳統無源室分而言，5G無源室分覆蓋方案重點解決了長期存在的無源室分故障不可監控問題，同時提供了覆蓋所有終端的室內定位能力。新方案保留了傳統無源室分的低成本（CAPEX）、低功耗（OPEX）、易于擴展等優勢，但是，無源室分覆蓋方案支持的上下行速率最低，僅能通過增加載波的方式進行有限擴容，并且人流量分析的精度最低。

如圖3所示，智慧室分天線內部集成藍牙信標，其輸出信號復用室分天線陣子，其供電來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。信源處新增智慧網關，內置藍牙網關功能，支持有線/無線形式的數據回傳，射頻端口具有對后級設備進行直流供電的能力。對于已建傳統無源室分，可通過將傳統無源室分天線更換為內置藍牙信標的智慧室分天線實現。由于傳統耦合器不支持通直流，藍牙信標可以采用電池供電方案，設計壽命為10年以上。

智慧網關通過檢測藍牙信標發射廣播信號來實現無源室分系統故障監控和故障定位，提供了無源室分可視化運維的全新解決方案。同時，藍牙信標發射的廣播信號還提供了覆蓋全部終端用戶的室內定位能力，實現了“通信 . 導航一體化”室內覆蓋方案。

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，由三級結構組成，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/3G/4G/5G多模設備。

有源室分覆蓋方案優勢在于具備彈性擴容能力，滿足以高校園區和會展中心為代表的網絡容量需求大或潮汐效應明顯的室內覆蓋場景需求。5G設備RF Unit支持4T4R，其支持的上下行速率最高，具備精細化人流量分析能力。但是，有源室分覆蓋方案的建網成本（CAPEX）和運行功耗（OPEX）最高，不具備其它工作頻段的擴展性。RF Unit布放密度較為稀疏，室內定位精度較低，且僅能支持特定運營商終端用戶。

3.3? 融合組網覆蓋方案

5G融合組網覆蓋方案是本文提出的創新方案[3]，該方案結合了無源室分的低成本、低功耗、易于擴展以及有源室分彈性擴容的優勢，同時還可以提供人流量分析、弱覆蓋分析、室內定位和可視化運維能力。

如圖5所示，該創新方案將有源室分的內置天線方案變為外置天線方案，大幅度提升了單個有源室分的室內覆蓋范圍，降低了5G網絡的建網成本（CAPEX）和運行功耗（OPEX）。其外置天線采用3.1節介紹的智慧室分天線方案，有源室分外部集成式智慧網關，實現智慧室分天線狀態監控和直流供電功能。該創新方案可以根據不同室內環境進行靈活配置，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，融合組網方案可以支持雙流，在部分交疊區域還可以支持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，融合組網方案可以支持單流，5G網絡的建網成本（CAPEX）和運行功耗（OPEX）將會進一步降低。

3.4? 三種覆蓋方案對比分析

接下來從多個維度對比分析三種覆蓋方案，如圖6所示。其中，無源室分覆蓋方案在CAPEX、OPEX、易于擴展方面優勢明顯，在eMBB、彈性擴容和人流量分析方面處于明顯劣勢，適合覆蓋場景;有源室分覆蓋方案在eMBB、彈性擴容和人流量分析方面優勢明顯，在CAPEX、OPEX、易于擴展和室內定位方面劣勢明顯，適合容量場景;融合組網覆蓋方案的各項指標均位于無源和有源室分覆蓋方案之間，性價比優勢明顯，適合體驗場景。

4? ?5G室內覆蓋網絡建設方案

4.1? 三種覆蓋方案上下行邊緣速率

運營商4G網絡建設目標是一張幾乎無縫的數據業務基礎層，為了解決室內弱覆蓋問題，運營商投入了大量基礎設施資源。5G網絡建設目標不再是建設一張無縫的數據業務網，而是進一步提升用戶峰值速率，滿足AR、VR、8k Video等高速率業務應用需求[1]。

參考4G現網數據，室分天線交疊區域的邊緣場強RSRP為-85 dBm以上，據此計算三種覆蓋方案的上下行邊緣速率，如圖7所示，同時考慮利舊和新建不同場景。5G三種覆蓋方案中，下行邊緣速率均達到理論極限，主要差異在于支持的數據流數。上行邊緣速率與數據流數和鏈路損耗有關系，有源室分方案整體優于無源室分方案，但是1T1R無源室分上行速率也已經達到44 Mb/s，完全滿足大多數5G室內應用需求。