5G室内多场景目标网覆盖方案

张欣旺 周娇 王大鹏 王东 邓伟 丁海煜

【摘  要】首先针对5G室内多场景目标网需求进行了系统性分析，根据网络容量需求将5G室内场景划分为覆盖场景、体验场景和容量场景，提出了不同场景的系统性建网需求。5G室内覆盖方案主要包括无源室分覆盖方案、有源室分覆盖方案和融合组网覆盖方案，这三种方案面向多场景目标网提供差异化网络服务。还提出了5G室内覆盖网络建设方案，分别针对利旧场景无源室分和有源室分明确了支持5G NR的判定标准，同时介绍了新建场景的差异化方案。

【关键词】5G;无源室分;有源室分;融合组网

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.08.011      中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）08-0062-06

引用格式：张欣旺，周娇，王大鹏，等. 5G室内多场景目标网覆盖方案[J]. 移动通信， 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

據预测，2021年智能手机的数据流量将会是2015年的11倍，移动业务对于大带宽和高容量的需求快速增长[1]。ITU定义的5G三大应用场景包括eMBB、uRLLC和mMTC，分别对应于100 Mb/s以上的边缘速率、99.999%的高可靠性、小于1 ms的超低时延、每平方千米内百万级物联网连接[2]。

对于运营商而言，在室内覆盖网络建设和运维经营方面，还会重点关注降成本技术、降功耗技术和新业务拓展的相关情况。以分布式皮基站为例，信号带宽从4G时代的20 MHz增加到5G时代的100 MHz，总发射功率翻翻，射频通道数量翻翻。综合考虑上述三方面的因素，在5G建网初期，5G分布式皮基站成本大约是4G分布式皮基站成本的两倍，如何降低建网成本（CAPEX）是运营商需要面对的首要问题。4G时代，有源室分覆盖方案功耗是无源室分覆盖方案功耗的2倍左右，而5G有源室分由于信号带宽和发射功率增加，其功耗也将继续攀升，如何降低网络运行成本（OPEX）是运营商需要面对的第二个问题。目前，运营商在流量经营方面的“剪刀差”形势不断恶化，5G时代运营商急需拓展垂直行业应用，拓展全新的业务模式。室内定位和物联网应用是与室内覆盖网络紧密相关的两个新业务模式[2]，如何让5G通信网支持室内定位和物联网应用是运营商需要面对的第三个问题，这也将是运营商能否转型成功的关键。

2   5G室内多场景目标网需求分析

5G时代室内场景将同时存在2G、3G、4G和5G多张网络，各自承担不同角色。2G和3G网络作为支持语音业务的基础层，4G网络作为支持数据业务的基础层，5G网络（6 GHz以下）将作为支持eMBB、mMTC和uRLLC三大能力的体验层[1]。

不同室内场景对于网络容量需求存在一定差异化，如图1所示。高校园区话务量很高，同时由于寒暑假原因，又存在一定周期性。交通枢纽话务量较高，处于稳步增长中。体育场馆按照每月粒度统计，其话务量很低，但是如果按照每日粒度或者每小时统计，其话务量存在几倍甚至几十倍差异性（如图2所示）。其它几种室内场景话务量也存在逐月增长的态势。

因此，5G室内场景根据容量需求可以划分为覆盖场景、体验场景和容量场景，三类场景又对应着不同的具体场景。其中覆盖场景包括办公楼/写字楼、停车场;体验场景包括医院、商场/大卖场、商业街、娱乐场所、餐馆/咖啡厅、宾馆/酒店;容量场景包括体育场馆、交通枢纽、高校园区、会展中心。

覆盖场景对于网络速率/容量的需求低，可接受CAPEX和OPEX值低，4G和5G室分网络以1T1R为主;体验场景对于网络速率/容量需求适中，可接受CAPEX和OPEX值居中，4G室分网络以1T1R/2T2R为主，5G室分网络以2T2R为主;容量场景对于网络速率/容量需求高，可接受CAPEX和OPEX值高，4G室分网络以2T2R为主，5G室分网络以4T4R为主。

三类室内场景均需要具备可视化运维、室内定位、弱覆盖分析、人流量分析、易于扩展和弹性扩容等基本能力[3]。其中：

（1）可视化运维：室分网络的端到端设备工作状态具备实时监控能力，确保网络稳定运行，对于突发故障快速上报，准确定位故障发生位置，设备参数灵活可配。

（2）室内定位：具备5 m～7 m室内定位能力，满足大多数商业应用需求，具备1 m～3 m更高精度扩展能力，可对外提供室内定位能力，服务于垂直行业应用。

（3）弱覆盖分析：室内不同区域信号覆盖质量精细化采集和上报，定位弱覆盖区域，提供网络优化建议，可用于运营商间信号覆盖质量的竞对分析。

（4）人流量分析：室内不同区域人流量分析，通过关联用户数据、网络数据和位置数据，拓展全新商业模式，用户数据安全保密。

（5）易于扩展：具备向下兼容2G/3G/4G已有频段/制式，具备兼容未来新频段/制式能力，复用已有网络建设资源。

（6）弹性扩容：通过增加载频或小区数方式，根据小区业务量需求弹性扩容。

3   5G室内覆盖方案介绍

5G时代室内覆盖方案可以归纳分为三大类：无源室分覆盖方案、有源室分覆盖方案和融合组网覆盖方案，三种方案面向多场景目标网提供差异化网络服务。

3.1  无源室分覆盖方案

相较于传统无源室分而言，5G无源室分覆盖方案重点解决了长期存在的无源室分故障不可监控问题，同时提供了覆盖所有终端的室内定位能力。新方案保留了传统无源室分的低成本（CAPEX）、低功耗（OPEX）、易于扩展等优势，但是，无源室分覆盖方案支持的上下行速率最低，仅能通过增加载波的方式进行有限扩容，并且人流量分析的精度最低。

如图3所示，智慧室分天线内部集成蓝牙信标，其输出信号复用室分天线阵子，其供电来自于射频端口直接取电。为了支持直流供电能力，合路器、功分器、耦合器均需支持通直流功能。信源处新增智慧网关，内置蓝牙网关功能，支持有线/无线形式的数据回传，射频端口具有对后级设备进行直流供电的能力。对于已建传统无源室分，可通过将传统无源室分天线更换为内置蓝牙信标的智慧室分天线实现。由于传统耦合器不支持通直流，蓝牙信标可以采用电池供电方案，设计寿命为10年以上。

智慧网关通过检测蓝牙信标发射广播信号来实现无源室分系统故障监控和故障定位，提供了无源室分可视化运维的全新解决方案。同时，蓝牙信标发射的广播信号还提供了覆盖全部终端用户的室内定位能力，实现了“通信 . 导航一体化”室内覆盖方案。

3.2  有源室分覆盖方案

5G有源室分覆盖方案与4G方案基本保持一致，如图4所示，由三级结构组成，包括BBU、RHub和RF Unit。从BBU性能角度划分，有源室分可以分为基于X86 CPU架构的扩展型皮基站和基于ASIC架构的分布式皮基站。从RF Unit支持模式角度划分，有源室分可以划分为5G单模设备和2G/3G/4G/5G多模设备。

有源室分覆蓋方案优势在于具备弹性扩容能力，满足以高校园区和会展中心为代表的网络容量需求大或潮汐效应明显的室内覆盖场景需求。5G设备RF Unit支持4T4R，其支持的上下行速率最高，具备精细化人流量分析能力。但是，有源室分覆盖方案的建网成本（CAPEX）和运行功耗（OPEX）最高，不具备其它工作频段的扩展性。RF Unit布放密度较为稀疏，室内定位精度较低，且仅能支持特定运营商终端用户。

3.3  融合组网覆盖方案

5G融合组网覆盖方案是本文提出的创新方案[3]，该方案结合了无源室分的低成本、低功耗、易于扩展以及有源室分弹性扩容的优势，同时还可以提供人流量分析、弱覆盖分析、室内定位和可视化运维能力。

如图5所示，该创新方案将有源室分的内置天线方案变为外置天线方案，大幅度提升了单个有源室分的室内覆盖范围，降低了5G网络的建网成本（CAPEX）和运行功耗（OPEX）。其外置天线采用3.1节介绍的智慧室分天线方案，有源室分外部集成式智慧网关，实现智慧室分天线状态监控和直流供电功能。该创新方案可以根据不同室内环境进行灵活配置，以图5为例，有源室分的端口1和端口2、端口3和端口4分别外接双极化天线，融合组网方案可以支持双流，在部分交叠区域还可以支持4流。如果有源室分的端口1、端口2、端口3、端口4分别外接单极化天线，融合组网方案可以支持单流，5G网络的建网成本（CAPEX）和运行功耗（OPEX）将会进一步降低。

3.4  三种覆盖方案对比分析

接下来从多个维度对比分析三种覆盖方案，如图6所示。其中，无源室分覆盖方案在CAPEX、OPEX、易于扩展方面优势明显，在eMBB、弹性扩容和人流量分析方面处于明显劣势，适合覆盖场景;有源室分覆盖方案在eMBB、弹性扩容和人流量分析方面优势明显，在CAPEX、OPEX、易于扩展和室内定位方面劣势明显，适合容量场景;融合组网覆盖方案的各项指标均位于无源和有源室分覆盖方案之间，性价比优势明显，适合体验场景。

4   5G室内覆盖网络建设方案

4.1  三种覆盖方案上下行边缘速率

运营商4G网络建设目标是一张几乎无缝的数据业务基础层，为了解决室内弱覆盖问题，运营商投入了大量基础设施资源。5G网络建设目标不再是建设一张无缝的数据业务网，而是进一步提升用户峰值速率，满足AR、VR、8k Video等高速率业务应用需求[1]。

参考4G现网数据，室分天线交叠区域的边缘场强RSRP为-85 dBm以上，据此计算三种覆盖方案的上下行边缘速率，如图7所示，同时考虑利旧和新建不同场景。5G三种覆盖方案中，下行边缘速率均达到理论极限，主要差异在于支持的数据流数。上行边缘速率与数据流数和链路损耗有关系，有源室分方案整体优于无源室分方案，但是1T1R无源室分上行速率也已经达到44 Mb/s，完全满足大多数5G室内应用需求。