5G室分智慧化融合技术

李聪，刘旭，刘佳，刘云峰

（1.中信科移动通信技术股份有限公司，湖北 武汉 430000；2.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100000）

0 引言

运营商未来在5G 室内的运维、运营模式等方面都需要进一步的优化。在智慧化融合方面，其融合技术集中体现为“内置智慧化集成”、“数据驱动”两个需求特征：

（1）内置智慧化集成：是指将智能化产品、系统、套件嵌到日常的室分建设、运维、运营生产作业流程中，实现整体建设&维护流程可预测、可辅助决策。

（2）数据驱动：是指运营商在面临不同业务需求时，具有将各类系统数据、场景数据统一治理、建模、共享、开发的运营能力。数据驱动的目标是实现数据协同。

随着5G 的大规模建设和智慧场景业务的不断涌现，对新业务的快速响应、多制式共存的网络环境、井喷式增长的连接数量等现况，都对运营商的运维、运营能力提出了全新的要求。据中国移动发布的《室内定位白皮书》[1]介绍，为搭上5G 网络建设的高速列车，运营商已开始推广采用室内定位网络和室内通信网络的融合方式来进行室分建设。本文将对5G 室分智慧化融合技术的实际具体需求、技术方案、技术现实应用等各个方面进行介绍。

1 5G室分智慧化的具体需求

（1）数字运维：随着通信网络技术的不断应用和发展，运营商的2G/3G/4G/5G 的室内通信建设在技术方案上多代共存。而众多覆盖方案中，DAS 由于无需供电、造价低廉、可靠性高、易于扩展，成为室内覆盖的主流和存量最大的方案。目前中国移动、中国电信和中国联通的存量室分设备大约有100 万套，其中80%为DAS 系统，DAS 系统中90% 为单路[2]。由于无源室分网络缺乏对有源设备以外的射频无源分布系统进行有效监控的技术手段，因此在相关网络建设及运营中可能带来如下难题：

1）工程建设的难题：影响工程建设质量和进度。

2）网络优化的难题：影响覆盖优化的工作方向和效率。

3）网络运维的难题：最后100 m 的监管盲区严重影响投诉解决的效率[3]。

为了在5G 时代提升室内的网络建设及维护效率，采用数字化运维手段势在必行。在室内网络质量上，面对弱/无覆盖等网络故障，运营商可以为室分内置网络故障检测机制，实现投诉可预测、故障精准锚定及故障主动上报，最终形成运维服务精准闭环，从而全面提升客户满意度。

（2）新型业务能力：5G 时代，在“不限流量大战”的背景下，运营商必须积极寻找转型之路，摆脱处于数据业务管道的不利局面。4G 改变生活，5G 改变社会。5G 是多种技术、多种业务相互融合，引领数字化转型的通用技术[4]。大部分垂直行业应用发生在室内环境，对于室内网络将提出差异化需求，包括低时延、高上行、高可靠及室内定位等，对于室分设备、网络优化、组网方式等都提出了全新要求[5]。例如在室内场景进一步集成蓝牙定位及物联技术，可面对智慧商场、智慧交通枢纽、智慧医院、智慧园区等场景为垂直行业客户提供所需的实用数据，实现室内的精准定位、物联采集等基础能力，为社会客户提供室内定位导航、园区安防管理、智慧化人员及资产管理等业务，最终形成管道化数据及业务孵化能力。

室内智慧化融合后，可充分发挥运营商5G 室分网络建设的规模优势，从传统语音和数据业务提供商转型为新型通信及垂直业务提供商。有效促进网业融合，推动了企业由通信服务向通信和信息服务转变，客户服务的市场由单纯个人业务向政企业务的转变。

2 智慧化融合技术介绍

通信网具有良好的覆盖，但由于现有通信网主要面对通信需求，并未针对上述需求进行优化，因此通信网在定位/物联领域处于边缘地位。

通信领域对于该类需求已有智慧集成的新型解决方案及应用的尝试。智慧室内分布系统利用传统室内分布系统的造价低廉、扩频能力强等优势，通过智能化改造，弥补其无源设备无法监管而导致的故障发现难、定位难、监控难和覆盖评估难等劣势，将其打造成可监管故障、分析弱覆盖区域、提供室内定位和广告推送的新型有源室内分布系统，实现了通信网和物联网相融合，并能满足未来5G 的垂直应用需求[6]，同时满足了运营商低成本、高精度和普适性的室内定位建网需求。

该方案将蓝牙定位技术、物联网技术与室分通信网络深度融合，通过天线侧的智能硬件可上报室分系统故障，并帮助运营商在5G 时代突破传统流量经营“增量不增收”的困境，在“通信&数据服务”管道基础上，拓展出了全新的“位置&物联服务”管道。

本文结合实际商业场景案例，对智慧化融合技术在原有室分蓝牙集成方案的基础上，如何实现商业场景“端到端服务流程”的系统集成方案进行了介绍。该系统集成方案从商业落地角度，进一步明确了网络侧设备、平台侧网管、位置/ 物联服务平台的数据交互关系和工作界面。

同时在智慧化集成技术上，基于蓝牙5.1 标准[7]的AoA（Angle of Arrival，到达角度）或AoD（Angle of Departure，出发角度）技术，提出一种新型蓝牙室分天线。通过将原室分天线、蓝牙定位阵列天线和蓝牙模组进行了设计集成，将原有蓝牙室分融合方案的定位精度从米级提升到厘米级，并具备寻向功能。

2.1 系统集成方案介绍

如上图1 所示：

图1 智慧室分系统架构图

（1）A 单元：蓝牙定位节点，智慧室分网络通过运营商室内无源DAS 方案进行部署智慧室分天线，实现蓝牙网络的室内建设。

（2）B 单元：蓝牙管理单元，在室分网络中增添智慧室分网关单元，对智慧室分天线、独立蓝牙信标、室内物联设备等进行数据收集和通信。

（3）C 单元：智慧室分设备监控平台，向下对运营商室分设备、蓝牙管理单元进行远程通信数据收集或管理。结合室分工程地图管理、蓝牙设备数据收集管理等能力，实现室分工程的电信级室分监控，提供开站上报、状态监控、图纸管理、故障分析、信息推送等监控检测功能。

（4）D 单元：蓝牙定位服务平台，通过将收集到的蓝牙信息、终端用户的本地信息进行定位算法匹配，结合室内建设地图管理、蓝牙信标管理实现室内定位的基础能力，同时向上对其他服务平台提供蓝牙、物联单元的信息传递，用以支撑其他服务的数据调用。

（5）E 单元：室内定位业务平台，直接对终端客户进行具象化服务，例如室内地图显示、路径规划、轨迹分析及其他特定业务。

网络数据传输链路为：

（1）1 链路：蓝牙网关和智慧室分天线之间进行数据通信，实现对物联传感单元、蓝牙配置信息的双向传递。

（2）2 链路：蓝牙网关和智慧室分设备监控平台的远程数据通信，实现基础数据上报、蓝牙设备远程管理等功能。

（3）3 链路：蓝牙网关和定位服务平台进行通信，被动定位信息的数据收集。

（4）4 链路：蓝牙定位服务和外部业务平台（例如室内定位业务平台）的数据交互。

（5）5 链路：蓝牙网关与物联信息平台进行通信，实现物联信息的收集及传输。

2.2 智慧天线集成方案介绍

智慧室分天线为内置蓝牙信标的室分天线，与近端信源通过射频馈线相连接，基于通直流无源网络实现供电和管控。独立放装式蓝牙信标用于提高室内定位精度而额外增补，与智慧室分天线内置的蓝牙信标相互通信实现管控能力。

图2 为室分网络智慧集成系统链路图：

图2 室分网络智慧集成系统链路图

本文提出的集成蓝牙5.1 标准方案，相比蓝牙5.0 标准[8]最大的变化就是定位精度提升到厘米级别，且引入了寻向功能。

蓝牙5.1 基于AoA 或AoD 技术将定位精度提升到厘米级，它的基本原理就是利用无线电的相位差换算出位置信息。AoA 测量技术通过测试发射器和接收器直接到达方向，然后通过三角定位获得发射器和目的物的方位和距离的技术。AoD 测量也利用了信号相位差技术，它的工作原理是发射器在以阵列排布的有源天线之间切换时，发送特殊的数据封包，而接收器通过单一天线接收信号，然后从接收到的信号中获取IQ 样本，在了解发射器内的天线排布后，通过数据计算得出信号的相对方向和距离。该技术定位精度最小可达到10 cm。

目前室分系统中大量使用到单极化全向吸顶天线，其属于室分系统的信号收发末端。智慧室分天线可选择以此为原型进行蓝牙5.1 的智慧化融合集成，通过内部增加蓝牙模块及基于AoA 的蓝牙阵列天线来进行设计实现。以下将详细介绍该项集成的具体设计及实现原理。

（1）硬件系统结构

图3 为智慧天线硬件集成方案示意图。

图3 智慧天线硬件集成方案示意图

智慧天线的硬件组成，包含了电源部分、耦合器、蓝牙部分、蓝牙阵列天线、室分天线体等部分。

◆电源部分：实现从射频馈缆取电，供整个室分天线的有源器件工作。

◆耦合器：实现将蓝牙信号耦合至主路射频输入信号、蓝牙信号回转至网关的功能。

◆蓝牙部分：由2 颗蓝牙芯片实现，主蓝牙主要实现蓝牙下行广播，物联信息收集及基础逻辑控制；从蓝牙主要实现蓝牙5.1 定位终端广播扫描。

◆蓝牙阵列天线：主要为若干个蓝牙天线振子和射频开关组成，实现采集不同振子间蓝牙信号的到达角度差。

◆室分天线体：采用已经成熟的单极化吸顶天线为基础，进行室内射频通信信号及蓝牙信号的传播及采集。

（2）天线阵列集成设计

行业内对于蓝牙AoA 天线阵列多以16 振子或8 振子为主，若以传统室分天线为原型结构进行集成，8 阵列振子是尺寸最为合适的结构布局方案。以下将介绍采用8阵列振子的智慧天线集成方案设计仿真数据结果。

图4 为蓝牙5.1 智慧天线结构示意图：

图4 蓝牙5.1智慧天线结构示意图

图5 为智慧天线驻波比仿真图。

图5 智慧天线驻波比仿真图

图6 为智慧天线增益仿真图。

图6 智慧天线增益仿真图

图7 为阵列天线驻波比仿真图。

图7 阵列天线驻波比仿真图

图8 为阵列天线增益仿真图。

图8 阵列天线增益仿真图

将以上的智慧天线仿真结果和现有运营商的传统室分天线产品企业标准进行对比，将AOA 阵列天线和行业同类产品指标进行对比后，显示整体指标能够在满足蓝牙集成功能的基础上，同时满足原有运营商对传统室分天线的各项指标。表1 的对比结果说明，智慧集成后的一体化天线产品能够支撑“一网多用”的建网需求。

表1 蓝牙5.1智慧天线仿真结果

（3）方案实现功能

1）通信功能：即天线支持现有主流通信制式和频段，保证室内移动通信信号的收发。

2）室分监控功能：即内部集成蓝牙模块，通过蓝牙芯片产生射频信号回传网关，以实现室分网关根据RSSI（Received Signal Strength Indication，接收信号强度）对天线的射频链路损耗检测功能。

3）蓝牙定位功能：内部集成蓝牙模块和蓝牙阵列天线，支持蓝牙5.1 定位功能，搜集支持AoA 广播的蓝牙定位终端的广播信号，与网关、定位服务器一起完成终端的亚米级精度的坐标定位应用。

4）物联功能：内部集成的蓝牙模块，支持蓝牙扫描接收，可收集外部蓝牙物联传感器信息（如温湿度等）并经由网关，转发至物联服务器。

3 现实应用案例：5G智慧医院

3.1 案例应用背景

上述5G 室分的智慧化融合技术可以契合用户对于室内位置、低成本物联的实际应用需求，其中最为典型的是医院类场景。

为了促进和规范全国医院信息化建设，国家卫生健康委员会规划与信息司于2018 年4 月发布了《全国医院信息化建设标准与规范（试行）》[9]，明确要求三级甲等和乙等医院必须提供院内导航和患者定位服务。2019 年3 月，国家卫生健康委办公厅发布了《医院智慧服务分级评估标准体系（试行）》[10]，再次明确医院需为患者提供院内定位与导航服务。2021 年3 月，国家卫生健康委办公厅发布了《国家卫生健康委办公厅关于印发医院智慧管理分级评估标准体系（试行）的通知》，推动提升医院管理精细化、智能化水平，其中具体提出院内人员及资产信息联动、楼宇及环境等运维管理的要求[11]。

运营商在了解案例中医院的智慧化服务及管理需求后，结合该医院对于5G 室分网络的建设需求，选择5G室分的智慧化融合方案进行一体化建设。

3.2 案例方案简介

运营商基于5G 智慧室分方案，为该医院客户提供“一套室分系统生成多重功能”。该项目依托于5G 和蓝牙的智慧化天线集成技术，充分利用室内天线资源进行集约化建设，为患者和医院提供集5G 通信、室内定位、室内物联于一体的智慧医院室内基础网络。

系统方案为利旧现有DAS 室分网络，在信源处增加网关，采用新型合路器将蓝牙信号馈入无源分布系统，并在系统末端处将室分天线替换为智慧室分天线。

3.3 智慧化功能介绍

本项目通过在案例中医院的实际部署，在实现了运营商智慧室分网络可视化运维管理的同时，也为医院客户实现了智慧导医导诊、人员及资产定位、智慧医院管理等服务功能。

（1）智慧运维管理

本项目利用智慧室分天线的蓝牙技术集成，实现天馈系统的设备端（信源）到通信末端（天线）的蓝牙信号通信传播。而通过收集天馈两端节点的蓝牙射频信号传播损耗，来进行链路损耗的实时信息收集。

“运维网管”通过对设备信息在室分系统拓扑图/ 平面图的绑定，能实时可视化观察图形化界面上的节点位置、运维告警参数状态。同时“运维网管”对故障节点进行拓扑分析,主动发现和上报因连接问题、器件老化或故障、天线被破坏等引起的断路或功率下降问题；显示链路损耗历史变化曲线，图形化显示故障天线点。

1）解决工程建设的难题

可通过运维网管的Web 网页或手机APP，为工程建设人员提供室分施工图纸的在线查询、已施工链路质量数据的即建即查和实施故障监测，通过上述技术手段来降低信息传递成本和工程整改频次，最终提升工程建设质量和建设效率。

2）解决网络优化的难题

结合已实现的蓝牙室内定位功能，可为室内环境的MDT（最小化路测，Minimization of Drive-Test）提供矢量地图信息及位置数据，提升其网络优化的数据准确性和优化判断依据。

3）解决网络运维的难题

在运维网管界面可实时监测室分网络状态参数，并实现故障的主动分析、主动上报。该功能可帮助运营商主动感知室分故障，帮助工程建设及运维人员迅速获取定位故障原因、故障器件信息及故障节点平面图位置，为网络运维工作提供基础数据依据和参考，提升运维效率。

4）将新增智慧化设备纳入智慧运维管理

在系统集成上，相比原有智慧室分方案，运维网管新增了对蓝牙集成天线及外部设备（补充蓝牙节点、蓝牙物联设备等）的实时参数查询、配置及升级等功能，真正实现了智慧化融合技术方案所有网络层设备及终端的全物理节点参数监控、可视化运维界面呈现。

（2）智慧导医导诊

1）医院室内地图科室分布展示

蓝牙定位业务平台提供了覆盖多建筑、多楼层的3D 地图建模，通过细致的场景构图，还原医院建筑架构，医院内外部地图随意切转，为患者提供精准便捷的搜索服务。

2）医院室内地图路径指示

通过患者分诊信息，规划导航路线，提供最便捷的分诊、导诊服务。

基于患者当前定位的位置，为患者推荐附近卫生间、问询台、电梯、医院自助机器等设施，提升患者的就诊体验。

3）智能导诊后的到科室的导航

通过信息检索功能，为患者提供精准可靠的位置服务，实时播报的路线指引让患者直达科室/设施。

4）院内位置共享

医生可通过位置分享功能向患者发送位置、患者根据分享位置导航前往对应科室或窗口，提升患者就诊效率；同时适用于医院同事、患者亲属间的实时位置共享，通过位置共享功能可相互导航前往。

（3）病患及工作人员精细化定位管理

1）实时定位监控

通过给重症病患以及特殊病患（精神病患、抑郁症患者、脑退化患者等）佩戴定位胸牌或手环，可实时定位病患位置。

2）轨迹查询

能够记录被定位人员的移动轨迹，可以进行回溯和分析。用于发生特殊事件时，可以追溯事件经过。

3）电子围栏

对被定位的病患提供可定制化的电子围栏设定服务，可以针对每个病患划分电子围栏区域，病患离开电子围栏区域及时告警。一旦发生越界应当及时告警，避免危险事故发生。

4）一键告警

为被定位的病人提供一键告警服务，在需要帮助或者发生危险时，能够及时向医院工作人员寻求帮助。医院工作人员可以快速定位告警病人所在位置，快速到达现场提供帮助和救援。

（4）医院智慧管理

项目将蓝牙定位技术、物联网技术与室分通信网络深度融合，可以为院区的设备资产、重要人员等提供定位、物联等多种服务能力，通过提高资产配置效率，降低综合投入，增加设备使用效益，降低管理风险，从而直接提高医院的管理能力及效率。

1）医院资产管理和运营调度

项目能够对所有被定位的资产在定位系统上进行清算盘点，能够看到每一个被定位资产所在的位置，并且应该显示包括但不限于是否在合理位置、是否处于正常使用状态等信息，能够准确显示清算资产所在的位置。

2）室内物联应用于智慧医院管理

医院作为医疗服务场所，掌控环境参数有利于预判能（空调）管理、人员（保安、保洁）调度、应急处理、物品保存（血液、药品、器材）等具有重要作用。

项目能够采用蓝牙温湿度传感器，对环境进行温湿度检测及告警推送，同时对支持蓝牙物联的节点进行工作状态检测，例如重要仪器仪表的电源开关状态、电压电流使用参数、耗能历史分析等参数。

3.4 方案优势总结

基于运营商通信网络基础之上，利用“通信&导航&物联”一体化功能智慧室分天线，打造的室内定位和物联网信息收集网络，是对于庞大电信级无线通信网络能力的深度挖掘，提升资产使用的效率。其具体的建设优势如下：

（1）智慧室分系统一次施工即实现多套系统的能力，降低物业协调成本和难度，提升网络建设的效率。

（2）电信级通信网络的高可靠性为智慧室分系统的可靠性提供保障。

（3）庞大通信网络可转化成智慧室分系统网络，市场空间巨大，有利于产品的规模化，摊薄产品的研发成本，进一步降低造价。

（4）智慧室分定位系统的建设标准和覆盖性能要求与电信及通信网络的高标准一致。

4 结束语

本文首先对5G 室分的智慧化融合的应用背景、运营商建设需求进行了介绍，接下来详细介绍了基于传统室分天线的蓝牙智慧化集成系统方案，并以融合集成蓝牙5.1 的智慧天线为例，介绍了该智慧天线的硬件系统设计原理和射频仿真指标，最后以技术的现实应用案例（5G智慧医院），详细介绍了5G 室分智慧化融合在智慧医院提供智慧运维管理、智慧导医导诊、病患及工作人员精细化定位管理、医院智慧管理等功能服务的应用情况。