5G室分智慧化融合技術

李聰，劉旭，劉佳，劉云峰

（1.中信科移動通信技術股份有限公司，湖北 武漢 430000；2.中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100000）

0 引言

運營商未來在5G 室內的運維、運營模式等方面都需要進一步的優化。在智慧化融合方面，其融合技術集中體現為“內置智慧化集成”、“數據驅動”兩個需求特征：

（1）內置智慧化集成：是指將智能化產品、系統、套件嵌到日常的室分建設、運維、運營生產作業流程中，實現整體建設&維護流程可預測、可輔助決策。

（2）數據驅動：是指運營商在面臨不同業務需求時，具有將各類系統數據、場景數據統一治理、建模、共享、開發的運營能力。數據驅動的目標是實現數據協同。

隨著5G 的大規模建設和智慧場景業務的不斷涌現，對新業務的快速響應、多制式共存的網絡環境、井噴式增長的連接數量等現況，都對運營商的運維、運營能力提出了全新的要求。據中國移動發布的《室內定位白皮書》[1]介紹，為搭上5G 網絡建設的高速列車，運營商已開始推廣采用室內定位網絡和室內通信網絡的融合方式來進行室分建設。本文將對5G 室分智慧化融合技術的實際具體需求、技術方案、技術現實應用等各個方面進行介紹。

1 5G室分智慧化的具體需求

（1）數字運維：隨著通信網絡技術的不斷應用和發展，運營商的2G/3G/4G/5G 的室內通信建設在技術方案上多代共存。而眾多覆蓋方案中，DAS 由于無需供電、造價低廉、可靠性高、易于擴展，成為室內覆蓋的主流和存量最大的方案。目前中國移動、中國電信和中國聯通的存量室分設備大約有100 萬套，其中80%為DAS 系統，DAS 系統中90% 為單路[2]。由于無源室分網絡缺乏對有源設備以外的射頻無源分布系統進行有效監控的技術手段，因此在相關網絡建設及運營中可能帶來如下難題：

1）工程建設的難題：影響工程建設質量和進度。

2）網絡優化的難題：影響覆蓋優化的工作方向和效率。

3）網絡運維的難題：最后100 m 的監管盲區嚴重影響投訴解決的效率[3]。

為了在5G 時代提升室內的網絡建設及維護效率，采用數字化運維手段勢在必行。在室內網絡質量上，面對弱/無覆蓋等網絡故障，運營商可以為室分內置網絡故障檢測機制，實現投訴可預測、故障精準錨定及故障主動上報，最終形成運維服務精準閉環，從而全面提升客戶滿意度。

（2）新型業務能力：5G 時代，在“不限流量大戰”的背景下，運營商必須積極尋找轉型之路，擺脫處于數據業務管道的不利局面。4G 改變生活，5G 改變社會。5G 是多種技術、多種業務相互融合，引領數字化轉型的通用技術[4]。大部分垂直行業應用發生在室內環境，對于室內網絡將提出差異化需求，包括低時延、高上行、高可靠及室內定位等，對于室分設備、網絡優化、組網方式等都提出了全新要求[5]。例如在室內場景進一步集成藍牙定位及物聯技術，可面對智慧商場、智慧交通樞紐、智慧醫院、智慧園區等場景為垂直行業客戶提供所需的實用數據，實現室內的精準定位、物聯采集等基礎能力，為社會客戶提供室內定位導航、園區安防管理、智慧化人員及資產管理等業務，最終形成管道化數據及業務孵化能力。

室內智慧化融合后，可充分發揮運營商5G 室分網絡建設的規模優勢，從傳統語音和數據業務提供商轉型為新型通信及垂直業務提供商。有效促進網業融合，推動了企業由通信服務向通信和信息服務轉變，客戶服務的市場由單純個人業務向政企業務的轉變。

2 智慧化融合技術介紹

通信網具有良好的覆蓋，但由于現有通信網主要面對通信需求，并未針對上述需求進行優化，因此通信網在定位/物聯領域處于邊緣地位。

通信領域對于該類需求已有智慧集成的新型解決方案及應用的嘗試。智慧室內分布系統利用傳統室內分布系統的造價低廉、擴頻能力強等優勢，通過智能化改造，彌補其無源設備無法監管而導致的故障發現難、定位難、監控難和覆蓋評估難等劣勢，將其打造成可監管故障、分析弱覆蓋區域、提供室內定位和廣告推送的新型有源室內分布系統，實現了通信網和物聯網相融合，并能滿足未來5G 的垂直應用需求[6]，同時滿足了運營商低成本、高精度和普適性的室內定位建網需求。

該方案將藍牙定位技術、物聯網技術與室分通信網絡深度融合，通過天線側的智能硬件可上報室分系統故障，并幫助運營商在5G 時代突破傳統流量經營“增量不增收”的困境，在“通信&數據服務”管道基礎上，拓展出了全新的“位置&物聯服務”管道。

本文結合實際商業場景案例，對智慧化融合技術在原有室分藍牙集成方案的基礎上，如何實現商業場景“端到端服務流程”的系統集成方案進行了介紹。該系統集成方案從商業落地角度，進一步明確了網絡側設備、平臺側網管、位置/ 物聯服務平臺的數據交互關系和工作界面。

同時在智慧化集成技術上，基于藍牙5.1 標準[7]的AoA（Angle of Arrival，到達角度）或AoD（Angle of Departure，出發角度）技術，提出一種新型藍牙室分天線。通過將原室分天線、藍牙定位陣列天線和藍牙模組進行了設計集成，將原有藍牙室分融合方案的定位精度從米級提升到厘米級，并具備尋向功能。

2.1 系統集成方案介紹

如上圖1 所示：

圖1 智慧室分系統架構圖

（1）A 單元：藍牙定位節點，智慧室分網絡通過運營商室內無源DAS 方案進行部署智慧室分天線，實現藍牙網絡的室內建設。

（2）B 單元：藍牙管理單元，在室分網絡中增添智慧室分網關單元，對智慧室分天線、獨立藍牙信標、室內物聯設備等進行數據收集和通信。

（3）C 單元：智慧室分設備監控平臺，向下對運營商室分設備、藍牙管理單元進行遠程通信數據收集或管理。結合室分工程地圖管理、藍牙設備數據收集管理等能力，實現室分工程的電信級室分監控，提供開站上報、狀態監控、圖紙管理、故障分析、信息推送等監控檢測功能。

（4）D 單元：藍牙定位服務平臺，通過將收集到的藍牙信息、終端用戶的本地信息進行定位算法匹配，結合室內建設地圖管理、藍牙信標管理實現室內定位的基礎能力，同時向上對其他服務平臺提供藍牙、物聯單元的信息傳遞，用以支撐其他服務的數據調用。

（5）E 單元：室內定位業務平臺，直接對終端客戶進行具象化服務，例如室內地圖顯示、路徑規劃、軌跡分析及其他特定業務。

網絡數據傳輸鏈路為：

（1）1 鏈路：藍牙網關和智慧室分天線之間進行數據通信，實現對物聯傳感單元、藍牙配置信息的雙向傳遞。

（2）2 鏈路：藍牙網關和智慧室分設備監控平臺的遠程數據通信，實現基礎數據上報、藍牙設備遠程管理等功能。

（3）3 鏈路：藍牙網關和定位服務平臺進行通信，被動定位信息的數據收集。

（4）4 鏈路：藍牙定位服務和外部業務平臺（例如室內定位業務平臺）的數據交互。

（5）5 鏈路：藍牙網關與物聯信息平臺進行通信，實現物聯信息的收集及傳輸。

2.2 智慧天線集成方案介紹

智慧室分天線為內置藍牙信標的室分天線，與近端信源通過射頻饋線相連接，基于通直流無源網絡實現供電和管控。獨立放裝式藍牙信標用于提高室內定位精度而額外增補，與智慧室分天線內置的藍牙信標相互通信實現管控能力。

圖2 為室分網絡智慧集成系統鏈路圖：

圖2 室分網絡智慧集成系統鏈路圖

本文提出的集成藍牙5.1 標準方案，相比藍牙5.0 標準[8]最大的變化就是定位精度提升到厘米級別，且引入了尋向功能。

藍牙5.1 基于AoA 或AoD 技術將定位精度提升到厘米級，它的基本原理就是利用無線電的相位差換算出位置信息。AoA 測量技術通過測試發射器和接收器直接到達方向，然后通過三角定位獲得發射器和目的物的方位和距離的技術。AoD 測量也利用了信號相位差技術，它的工作原理是發射器在以陣列排布的有源天線之間切換時，發送特殊的數據封包，而接收器通過單一天線接收信號，然后從接收到的信號中獲取IQ 樣本，在了解發射器內的天線排布后，通過數據計算得出信號的相對方向和距離。該技術定位精度最小可達到10 cm。

目前室分系統中大量使用到單極化全向吸頂天線，其屬于室分系統的信號收發末端。智慧室分天線可選擇以此為原型進行藍牙5.1 的智慧化融合集成，通過內部增加藍牙模塊及基于AoA 的藍牙陣列天線來進行設計實現。以下將詳細介紹該項集成的具體設計及實現原理。

（1）硬件系統結構

圖3 為智慧天線硬件集成方案示意圖。

圖3 智慧天線硬件集成方案示意圖

智慧天線的硬件組成，包含了電源部分、耦合器、藍牙部分、藍牙陣列天線、室分天線體等部分。

◆電源部分：實現從射頻饋纜取電，供整個室分天線的有源器件工作。

◆耦合器：實現將藍牙信號耦合至主路射頻輸入信號、藍牙信號回轉至網關的功能。

◆藍牙部分：由2 顆藍牙芯片實現，主藍牙主要實現藍牙下行廣播，物聯信息收集及基礎邏輯控制；從藍牙主要實現藍牙5.1 定位終端廣播掃描。

◆藍牙陣列天線：主要為若干個藍牙天線振子和射頻開關組成，實現采集不同振子間藍牙信號的到達角度差。

◆室分天線體：采用已經成熟的單極化吸頂天線為基礎，進行室內射頻通信信號及藍牙信號的傳播及采集。

（2）天線陣列集成設計

行業內對于藍牙AoA 天線陣列多以16 振子或8 振子為主，若以傳統室分天線為原型結構進行集成，8 陣列振子是尺寸最為合適的結構布局方案。以下將介紹采用8陣列振子的智慧天線集成方案設計仿真數據結果。

圖4 為藍牙5.1 智慧天線結構示意圖：

圖4 藍牙5.1智慧天線結構示意圖

圖5 為智慧天線駐波比仿真圖。

圖5 智慧天線駐波比仿真圖

圖6 為智慧天線增益仿真圖。

圖6 智慧天線增益仿真圖

圖7 為陣列天線駐波比仿真圖。

圖7 陣列天線駐波比仿真圖

圖8 為陣列天線增益仿真圖。

圖8 陣列天線增益仿真圖

將以上的智慧天線仿真結果和現有運營商的傳統室分天線產品企業標準進行對比，將AOA 陣列天線和行業同類產品指標進行對比后，顯示整體指標能夠在滿足藍牙集成功能的基礎上，同時滿足原有運營商對傳統室分天線的各項指標。表1 的對比結果說明，智慧集成后的一體化天線產品能夠支撐“一網多用”的建網需求。

表1 藍牙5.1智慧天線仿真結果

（3）方案實現功能

1）通信功能：即天線支持現有主流通信制式和頻段，保證室內移動通信信號的收發。

2）室分監控功能：即內部集成藍牙模塊，通過藍牙芯片產生射頻信號回傳網關，以實現室分網關根據RSSI（Received Signal Strength Indication，接收信號強度）對天線的射頻鏈路損耗檢測功能。

3）藍牙定位功能：內部集成藍牙模塊和藍牙陣列天線，支持藍牙5.1 定位功能，搜集支持AoA 廣播的藍牙定位終端的廣播信號，與網關、定位服務器一起完成終端的亞米級精度的坐標定位應用。

4）物聯功能：內部集成的藍牙模塊，支持藍牙掃描接收，可收集外部藍牙物聯傳感器信息（如溫濕度等）并經由網關，轉發至物聯服務器。

3 現實應用案例：5G智慧醫院

3.1 案例應用背景

上述5G 室分的智慧化融合技術可以契合用戶對于室內位置、低成本物聯的實際應用需求，其中最為典型的是醫院類場景。

為了促進和規范全國醫院信息化建設，國家衛生健康委員會規劃與信息司于2018 年4 月發布了《全國醫院信息化建設標準與規范（試行）》[9]，明確要求三級甲等和乙等醫院必須提供院內導航和患者定位服務。2019 年3 月，國家衛生健康委辦公廳發布了《醫院智慧服務分級評估標準體系（試行）》[10]，再次明確醫院需為患者提供院內定位與導航服務。2021 年3 月，國家衛生健康委辦公廳發布了《國家衛生健康委辦公廳關于印發醫院智慧管理分級評估標準體系（試行）的通知》，推動提升醫院管理精細化、智能化水平，其中具體提出院內人員及資產信息聯動、樓宇及環境等運維管理的要求[11]。

運營商在了解案例中醫院的智慧化服務及管理需求后，結合該醫院對于5G 室分網絡的建設需求，選擇5G室分的智慧化融合方案進行一體化建設。

3.2 案例方案簡介

運營商基于5G 智慧室分方案，為該醫院客戶提供“一套室分系統生成多重功能”。該項目依托于5G 和藍牙的智慧化天線集成技術，充分利用室內天線資源進行集約化建設，為患者和醫院提供集5G 通信、室內定位、室內物聯于一體的智慧醫院室內基礎網絡。

系統方案為利舊現有DAS 室分網絡，在信源處增加網關，采用新型合路器將藍牙信號饋入無源分布系統，并在系統末端處將室分天線替換為智慧室分天線。

3.3 智慧化功能介紹

本項目通過在案例中醫院的實際部署，在實現了運營商智慧室分網絡可視化運維管理的同時，也為醫院客戶實現了智慧導醫導診、人員及資產定位、智慧醫院管理等服務功能。

（1）智慧運維管理

本項目利用智慧室分天線的藍牙技術集成，實現天饋系統的設備端（信源）到通信末端（天線）的藍牙信號通信傳播。而通過收集天饋兩端節點的藍牙射頻信號傳播損耗，來進行鏈路損耗的實時信息收集。

“運維網管”通過對設備信息在室分系統拓撲圖/ 平面圖的綁定，能實時可視化觀察圖形化界面上的節點位置、運維告警參數狀態。同時“運維網管”對故障節點進行拓撲分析,主動發現和上報因連接問題、器件老化或故障、天線被破壞等引起的斷路或功率下降問題；顯示鏈路損耗歷史變化曲線，圖形化顯示故障天線點。

1）解決工程建設的難題

可通過運維網管的Web 網頁或手機APP，為工程建設人員提供室分施工圖紙的在線查詢、已施工鏈路質量數據的即建即查和實施故障監測，通過上述技術手段來降低信息傳遞成本和工程整改頻次，最終提升工程建設質量和建設效率。

2）解決網絡優化的難題

結合已實現的藍牙室內定位功能，可為室內環境的MDT（最小化路測，Minimization of Drive-Test）提供矢量地圖信息及位置數據，提升其網絡優化的數據準確性和優化判斷依據。

3）解決網絡運維的難題

在運維網管界面可實時監測室分網絡狀態參數，并實現故障的主動分析、主動上報。該功能可幫助運營商主動感知室分故障，幫助工程建設及運維人員迅速獲取定位故障原因、故障器件信息及故障節點平面圖位置，為網絡運維工作提供基礎數據依據和參考，提升運維效率。

4）將新增智慧化設備納入智慧運維管理

在系統集成上，相比原有智慧室分方案，運維網管新增了對藍牙集成天線及外部設備（補充藍牙節點、藍牙物聯設備等）的實時參數查詢、配置及升級等功能，真正實現了智慧化融合技術方案所有網絡層設備及終端的全物理節點參數監控、可視化運維界面呈現。

（2）智慧導醫導診

1）醫院室內地圖科室分布展示

藍牙定位業務平臺提供了覆蓋多建筑、多樓層的3D 地圖建模，通過細致的場景構圖，還原醫院建筑架構，醫院內外部地圖隨意切轉，為患者提供精準便捷的搜索服務。

2）醫院室內地圖路徑指示

通過患者分診信息，規劃導航路線，提供最便捷的分診、導診服務。

基于患者當前定位的位置，為患者推薦附近衛生間、問詢臺、電梯、醫院自助機器等設施，提升患者的就診體驗。

3）智能導診后的到科室的導航

通過信息檢索功能，為患者提供精準可靠的位置服務，實時播報的路線指引讓患者直達科室/設施。

4）院內位置共享

醫生可通過位置分享功能向患者發送位置、患者根據分享位置導航前往對應科室或窗口，提升患者就診效率；同時適用于醫院同事、患者親屬間的實時位置共享，通過位置共享功能可相互導航前往。

（3）病患及工作人員精細化定位管理

1）實時定位監控

通過給重癥病患以及特殊病患（精神病患、抑郁癥患者、腦退化患者等）佩戴定位胸牌或手環，可實時定位病患位置。

2）軌跡查詢

能夠記錄被定位人員的移動軌跡，可以進行回溯和分析。用于發生特殊事件時，可以追溯事件經過。

3）電子圍欄

對被定位的病患提供可定制化的電子圍欄設定服務，可以針對每個病患劃分電子圍欄區域，病患離開電子圍欄區域及時告警。一旦發生越界應當及時告警，避免危險事故發生。

4）一鍵告警

為被定位的病人提供一鍵告警服務，在需要幫助或者發生危險時，能夠及時向醫院工作人員尋求幫助。醫院工作人員可以快速定位告警病人所在位置，快速到達現場提供幫助和救援。

（4）醫院智慧管理

項目將藍牙定位技術、物聯網技術與室分通信網絡深度融合，可以為院區的設備資產、重要人員等提供定位、物聯等多種服務能力，通過提高資產配置效率，降低綜合投入，增加設備使用效益，降低管理風險，從而直接提高醫院的管理能力及效率。

1）醫院資產管理和運營調度

項目能夠對所有被定位的資產在定位系統上進行清算盤點，能夠看到每一個被定位資產所在的位置，并且應該顯示包括但不限于是否在合理位置、是否處于正常使用狀態等信息，能夠準確顯示清算資產所在的位置。

2）室內物聯應用于智慧醫院管理

醫院作為醫療服務場所，掌控環境參數有利于預判能（空調）管理、人員（保安、保潔）調度、應急處理、物品保存（血液、藥品、器材）等具有重要作用。

項目能夠采用藍牙溫濕度傳感器，對環境進行溫濕度檢測及告警推送，同時對支持藍牙物聯的節點進行工作狀態檢測，例如重要儀器儀表的電源開關狀態、電壓電流使用參數、耗能歷史分析等參數。

3.4 方案優勢總結

基于運營商通信網絡基礎之上，利用“通信&導航&物聯”一體化功能智慧室分天線，打造的室內定位和物聯網信息收集網絡，是對于龐大電信級無線通信網絡能力的深度挖掘，提升資產使用的效率。其具體的建設優勢如下：

（1）智慧室分系統一次施工即實現多套系統的能力，降低物業協調成本和難度，提升網絡建設的效率。

（2）電信級通信網絡的高可靠性為智慧室分系統的可靠性提供保障。

（3）龐大通信網絡可轉化成智慧室分系統網絡，市場空間巨大，有利于產品的規模化，攤薄產品的研發成本，進一步降低造價。

（4）智慧室分定位系統的建設標準和覆蓋性能要求與電信及通信網絡的高標準一致。

4 結束語

本文首先對5G 室分的智慧化融合的應用背景、運營商建設需求進行了介紹，接下來詳細介紹了基于傳統室分天線的藍牙智慧化集成系統方案，并以融合集成藍牙5.1 的智慧天線為例，介紹了該智慧天線的硬件系統設計原理和射頻仿真指標，最后以技術的現實應用案例（5G智慧醫院），詳細介紹了5G 室分智慧化融合在智慧醫院提供智慧運維管理、智慧導醫導診、病患及工作人員精細化定位管理、醫院智慧管理等功能服務的應用情況。