6G 室內覆蓋展望及關鍵技術應用思考

劉海濤 ，劉洋 ，馮曉麗 ，宗佳穎

(1.中國電信研究院，北京 102209；2.中國電信集團有限公司，北京 100031)

0 引言

近年來，在信息消費極大增長和生產效率不斷提升的需求驅動下，移動通信技術的發展日新月異，移動網絡研究及建設不斷加速。自2015 年9 月第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP)啟動5G新型無線空口(New Radio，NR)的研究到2021 年我國建成100 萬個5G 基站，僅僅用了6 年時間[1]。同時，伴隨著5G 網絡建設如火如荼地開展，6G 研究也在產業界和學術界提上了日程，在先進的感知技術、人工智能、通信技術、新材料和新器件的使能下，移動通信新需求將不斷涌出，推動5G 向6G 演進和發展。預計3GPP 將于2025年后啟動6G 國際技術標準研制，有望在2030 年實現6G商用[2]。

目前，5G 的網絡建設投入主要以室外宏基站為主，而根據5G 三大業務場景需求，預計將有70%以上的業務需求來自室內[3]。從6G 的應用場景(例如人機交互、觸感互聯、云擴展現實(Extended Reality，XR)及全息通信等)可以預估，未來的網絡需求趨勢將繼續延續4G/5G的情況，即大部分的數據業務將發生于室內。所以，6G 的網絡技術發展也將在5G 基礎上進一步拓展和深化室內覆蓋，持續提升現有網絡的基礎能力，不斷發掘新的業務應用，服務于智能化生活的室內覆蓋已成為現在和未來的重要場景。

基于以上背景，在當下5G 室內覆蓋建設方興未艾、6G 網絡研究陸續開展的時候，綜合考慮后續室內網絡建設，即在滿足當下應用的同時，展望面向6G 需求，使之能夠在一定程度上兼顧到未來的網絡發展訴求，為實現網絡的平滑演進打下堅實的基礎，無論是對于建設高質量的5G 室內網絡，還是對于業界正在熱議的6G 關鍵技術研究與選擇都有重要意義。

本文首先介紹5G 室內覆蓋現狀，包括主流解決方案，然后根據6G 網絡需求分析其應用場景對網絡架構的影響，以及可能的演進方向；隨后進一步地面向室內覆蓋，梳理相關6G 關鍵技術，展望未來室內場景網絡愿景和可能的技術演進方向。

1 5G 室內覆蓋現狀及6G 展望

雖然當前5G 網絡建設迅速，室外宏基站已經大規模部署，提供了較好的5G 覆蓋，但是針對一般室內覆蓋建設還未大規模鋪開，若要實現精細化覆蓋還需要進一步網絡投入。在未來的建設過程中以及未來網絡技術選擇過程中，如果能一定程度上考慮網絡設備的平滑升級，實現部分物理資源的重復利用，則有利于降低網絡總擁有成本(Total Cost of Ownership，TCO)，提高資源配置效率，這也是目前全球多家運營商都在持續探索的道路之一。

目前，5G 室內覆蓋解決方案與4G 時代相近，包括宏基站室外覆蓋室內、無源室分、有源室分等。其中，由于5G 采用較高頻段部署，室外宏基站覆蓋室內的方案性能受限；4G 傳統的無源室分系統對于直接使用高頻段存在改造難、成本高等問題，新建無源室分雖然可以支持3.5 GHz 頻段，在間隔較多場景可發揮頭端數量優勢，但存在不能有效監控管理等問題。相比而言，有源室分方案具有部署方便等優勢，不僅能與宏基站搭配部署掃除覆蓋盲區，還可實現數字化5G 室內覆蓋，滿足服務的多樣化需求。目前有源室分來主要考慮采用皮基站覆蓋，具體又可以根據設備規格不同劃分為分布式皮基站和擴展型皮基站。

總體上，兩類皮基站方案在形態上基本相同，如圖1所示，都采用了三級有源分布式架構，由基帶處理單元(Building Base band Unit，BBU)、交換機(HUB)及射頻處理單元(Remote Radio Unit，RRU)組成，區別只是在于產品規格上有所不同。分布式皮基站針對機場、火車站等大容量的室內覆蓋熱點區域，支持更多的小區數和用戶數；而擴展型皮基站一般針對中低容量場景，支持的小區數和用戶數更少，相應的硬件規格也更低，期望在較低成本下保障覆蓋效果。目前擴展型皮基站的設備形態(如圖2 所示)以基于通用硬件為主，其后續發展趨勢可與移動邊緣計算(Mobile Edge Computing，MEC)及其他業務應用共平臺部署形成云化基站形態，隨著基帶芯片逐步發展成熟，其組成架構中也將引入專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)芯片，形成更低成本低功耗的產品形態。

圖1 皮基站三級架構

圖2 擴展型皮基站設備形態舉例

在5G 擴展型皮基站的設備架構可以看出，關于無線接入網開放的研究與實踐在5G 時代已逐漸興起，無論是基于通用硬件的設備研發還是在前傳接口的標準化開放中，都體現了無線網絡開放的主旨要素。因此，在考慮室內覆蓋的進一步發展時，也應當關注無線網絡開放組織以及其所期望的開放網絡形態。其中，以開放無線接入網(Open-Radio Access Network，O-RAN)聯盟及電信基礎設施項目(Telecom Infra Project，TIP)等為代表，期望新興無線接入網設備能具備接口開放化、硬件白盒化、軟件開源化和網絡智能化等特征，以便推動無線接入網架構開放與智能[4]。

目前在全球范圍內，對于無線網絡開放設備的討論受到普遍關注，運營商、設備商針對設備的成本功耗、集成難度以及后期運維提出很多分析和觀點，毋庸置疑的是，產業鏈正有越來越多的注意力被吸引過來。在無線網絡開放與智能的研究熱潮中可以看出，由技術門檻、指標要求等先天因素影響，其應用場景將主要在室內覆蓋領域。從技術發展角度，基于通用硬件的網絡部署將有助于通過軟件升級實現代際更迭，有助于實現網絡與應用的深度融合，接口的開放有助于產業鏈的繁榮。

2 6G 系統架構展望

6G 網絡受到沉浸式云XR、全息通信、感官互聯、智能交互、通信感知、智慧內生、數字孿生、全域覆蓋等新業務新需求場景的驅動，需要實現數據技術(Data Technology，DT)、信息技術(Information Technology，IT)和通信技術(Communication Technology，CT)的融合，以聚力驅動網絡變革和能力升級，助力全社會全領域的數字化智能化發展。6G 移動網絡將更充分地引入IT 技術，將網絡功能虛擬化(Network Functions Virtualization，NFV)、容器、軟件定義網絡(Software Defined Network，SDN)、基于應用程序接口(Application Programming Interface，API)的能力開放等技術在系統中獲得充分應用[5]，以實現ICDT 的進一步融合發展，這都將直接導致6G 網絡架構的變化，尤其是針對新興技術應用實現從外掛式設計向內生設計的轉變。云原生技術在6G 時代的發展將促進無線網絡基礎設施從核心網到無線接入網的云化進程，將云的思維、架構、技術、特性融合到無線網絡體系架構中。無線接入網將可以采用分布式或者集中式的方式在云端部署，實現網在云中、云網融合，通過無線云網絡的彈性伸縮、敏捷運維和智能開放，滿足電信業務多樣性需求。另外，通過采用去中心化的網絡和同態化的網絡架構設計，以及采用統一的接口協議體系，實現網絡服務的即插即用。

要實現網絡基礎設施全面云化，首先要做的是實現網絡虛擬化，特別是在無線接入側，需要進行網絡改造，這方面可以參考5G 核心網側所做的服務化架構(Service Based Architecture，SBA)。為了滿足不同行業用戶的差異化需求，適應新型業務快速交付及持續的迭代更新，5G RAN 已經開始了在服務化網絡方面的探索，包括無線架構上引入了集中單元(Centralized Unit，CU)和分布單元(Distributed Unit，DU)分離的設計，CU也通過E1接口實現了控制面/用戶面的分離，但是整體來看依然任重道遠，特別是在網絡功能模塊化和無狀態化方面，加上底層虛擬化程度不高，難以支持極低時延的部署，業務融合程度較低，這些都約束了無線網絡提供情境化業務的能力[6]。

針對無線接入網進行服務化改造的進程將深入影響6G 網絡架構的發展變化，圖3 給出了基于完全虛擬化[7]的服務化RAN 示例，執行傳統協議棧功能的RAN功能網元通過虛擬化平臺部署在邊緣云上，通過服務化接口（Service Based Interface，SBI）連接到核心網，屆時傳統意義上的基站形態將可能只保留天線與射頻部分，為終端提供空口接入。基于這種架構，可以有更豐富的組網形態，資源可以更靈活地編排和定制，通過對多個小區進行集中調度和協調，實現以業務服務為中心的網絡，進而實現移動性和業務連續性大幅增強。總之，這種架構有助于最大化地發揮云網融合的潛能。

圖3 服務化RAN 示例

3 面向室內的6G 關鍵技術應用分析

3.1 毫米波及太赫茲通信

面向6G 的關鍵技術研究目前主要包括三方面，即6G 新頻段及融合型技術、6G 無線新空口技術以及6G網絡架構。在新頻段方面，6G 頻譜需求預計將在2023年底的世界無線電通信大會(World Radio Communication Conferences，WRC)上正式討論，目前潛在候選頻段中包括太赫茲頻段、毫米波頻段。其中，6G 對超高速率、超大容量的頻譜需求使得毫米波乃至更高的頻段將被充分利用，而隨著產業的不斷發展和成熟，毫米波頻段在6G 時代將發揮更大作用，其性能和使用效率將大幅提升。太赫茲通信是以太赫茲頻段作為載波實現無線通信的技術，由于太赫茲頻段具有超大帶寬的頻段資源可供利用，支持超高的通信速率[8]，因此，太赫茲通信被認為是達成6G太比特每秒(Tb/s)通信速率的重要空口技術備選方案。

與毫米波相比，太赫茲、可見光等更高頻段受傳播特性限制，將重點滿足特定場景的短距離大容量需求。可以預見到，未來大量對數據速率、時延和連接數等需求呈現數量級增長的通信業務應用將在室內展開，例如全息通信、高質量視頻在線會議、增強現實/虛擬現實、3D 游戲等，而毫米波及太赫茲通信能夠滿足上述技術需求，可用于為熱點地區提供超高速網絡覆蓋，作為宏蜂窩網絡的補充，提供超寬帶無線通信服務；再考慮到傳輸損耗及水汽影響和當前器件輸出功率發展的限制，毫米波、太赫茲通信可能更適于先在室內場景進行廣泛實踐[9]。

3.2 去蜂窩大規模天線陣列

無線空口技術演進方面，針對大規模天線陣列(Massive Multiple-Input Multiple-output，Massive MIMO)的增強也是熱點之一。針對高容量、高密度的室內覆蓋場館，傳統方法通過密集部署室內基站以及頻率復用，提高頻譜資源利用率來滿足高容量需求。但該方式會導致同頻干擾和頻繁的越區切換問題，并且由于信號衰減，小區邊緣用戶性能較差。隨著6G 室內應用規模和性能要求的增長以及使用頻率的升高，蜂窩架構的深度變革是未來值得研究的關鍵技術之一。

去蜂窩Massive MIMO 是一種分布式的大規模MIMO系統，實現以用戶為中心的相干傳輸，以克服蜂窩網絡中的小區間干擾限制，并提供額外的宏分集[10]。具體來看，將大量安裝有一根或多根天線的接入點分布在一定區域，通過回傳鏈路將數據傳輸到中央處理單元，并利用相同的時頻資源為多用戶服務[11]。分布式大規模MIMO技術在5G 已有室內場景商用案例，未來去蜂窩大規模MIMO 技術可針對接收機算法設計、信號處理技術以降低回傳容量要求、準確的信道狀態信息、功率控制等方面進行研究[12]，賦能6G 室內覆蓋場景。

3.3 新型可重構智能表面

在新興技術方面，可應用于室內場景的6G 潛在關鍵技術之一是可重構智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)，它通過對無線信號的可控反射，可以有效提升期望區域的覆蓋性能。與室外通信場景相比，室內的通信環境更為簡單，通信距離更短，用戶移動性更低，但是無線傳輸面臨著更大的穿透損耗以及更加嚴重的多徑問題。信號能量散開在室內空間中，很難實現均勻的覆蓋，不同位置、不同房間的覆蓋性能可能存在較大差異，且難以控制。

RIS 技術為室內覆蓋解決方案提供了一種新的思路。一方面，由于RIS本身由無源或近無源器件組成，且占用空間較小，可以打消人們對于電磁輻射的顧慮；另一方面，RIS 易于部署在室內墻面上，不需要額外的布線，且可通過室內裝飾的方式呈現，不會有突兀的視覺觀感。通過在室內部署多個RIS，可以將室外基站信號反射到各個屋內，提升室內覆蓋性能。另外，RIS 也可以很好地與其他室內覆蓋方案相結合，作為室內覆蓋增強方案的額外補充[13]。由此可見，得益于RIS 低成本、輕體量等特性，可重構智能表面在6G 室內覆蓋中具備很大的潛力。

3.4 內生智能促進云網融合

在網絡架構方面，上一節中討論的5G 室內覆蓋現狀以及云化基礎設施中都指出無線網絡開放以及無線網絡虛擬化在未來網絡發展中的重要作用，而如果要進一步利用無線接入網的開放數據推進本地化業務應用，以實現無線接入網的能力開放，構建新的生態和以用戶為中心的業務體驗，離不開內生人工智能(Artificial Intelligence，AI)的新型網絡架構。內生AI 將充分利用網絡節點的通信、計算和感知能力，使得6G 網絡能夠原生支持各類AI 應用。將智能從應用和云端走向網絡，在云網間實現多維資源(包括頻譜、計算、存儲等)的智能適配，將提升總體效能。而當云網走向智能融合的時候，處在網絡邊緣側的無線接入網也必須考慮對云原生、AI智能化等的內生設計需求[14]，室內覆蓋網絡若要依托邊緣設施構建，需要從6G 網絡架構設計初期即開始探索基于開放式架構的RAN，并基于此進一步探索內生智能的實現方式，將促進云網在部署、架構和服務上的深度融合，賦予6G 網絡在傳統覆蓋能力之外廣闊的發展前景。

4 結論

隨著我國5G 基礎設施建設全面鋪開以及5G 商用進程的不斷加快，面向室內覆蓋的解決方案已逐步成為熱點問題，其中擴展型皮基站作為無線接入網開放的產業實踐逐步走進大眾視野。面向未來網絡演進，無線接入網開放所涉及的云化及智能內生等架構革新將是6G的重要方向。展望6G 室內覆蓋技術發展，一方面將是基于現有架構面向6G 網絡需求，通過探索RAN 側的全面云化和開放，推進邊緣云網融合；另一方面則是關注6G 關鍵技術面向室內場景的研究和測試進展，在室內覆蓋建設時，充分考慮未來技術的引入和兼容，最終實現5G 到6G 網絡的平滑升級。本文對室內覆蓋的現狀進行了總結與展望，對6G 討論中與室內場景密切相關的關鍵技術應用進行了梳理分析，并展望了未來室內場景網絡愿景和可能的技術演進方向。