低成本多功能的智慧5G室内网络解决方案

2022-07-26张婧杨丹杨占春李晋王强

网络安全技术与应用 2022年5期

◆张婧杨丹杨占春李晋王强

低成本多功能的智慧5G室内网络解决方案

◆张婧1杨丹1杨占春2李晋3王强2

（1.中国移动通信集团云南有限公司云南 650000；2.中国移动通信集团设计院有限公司重庆分公司重庆 401121；3.中国移动通信集团云南有限公司大理分公司云南 671000）

本文就目前运营商室内网络面临无源室分故障发现难、无源室分MIMO演进难、有源室分投资高、网络功能单一的四大难题，有针对性地提出了RRU多通道联合收发MIMO、变频MIMO、可视化监控、有/无源融合室分、UWB/蓝牙融合室分五大对策，助力运营商从传统的通信业务提供商向室内定位、物联集成商转型，实现“围绕数字化服务转型，成为综合的数字服务使能者（DSE）”的工作目标。

5G室内网络；低成本覆盖；多功能；室内定位

1 引言

传统无源室分长期存在着故障发现难、5G MIMO演进难的问题，影响了网络质量和客户体验度：（1）目前无源室分DAS系统在现网室分大规模应用，其主要由“哑设备”无源器件组成。现网缺乏有效的监控手段，基本依靠现场巡查、用户投诉等被动发现故障，存在故障发现不及时、代维巡检成本高及问题处理历时长等问题，导致问题定位难，对用户感知影响较大；（2）5G大量垂直行业业务发生在室内，速率要求高，对MIMO需求强烈，但传统无源室分仅以单路为主，以中国移动某省为例，1T1R无源室分DAS系统的存量占比约达90%，无法触发MIMO，难以发挥5G“高速率”的大特性，不能称作真正意义上5G。

新型有源数字室分将成为5G网络重要建网方案之一，但是其网络投资较高，且后续演进能力不足。相比传统无源室分，新型有源室分的建设成本和运维成本一直居高不下，据测算，在空旷场景，5G分布式有源室分覆盖的单平方米造价约为4G分布式微站的2倍，在隔断场景二者投资差异更大。仅适用于高容量场景，很难广泛应用于中低容量场景。对于5G后期可能出现的新频段、新制式，已安装的新型有源室分无法支持，必须更换新设备，造成投资浪费，后续演进能力低。

仅有单一通信功能的网络亟需转型升级，但是现有室内覆盖网络缺乏有效的智能化演进手段。虽然运营商拥有丰富的网络资源，但是现有室内覆盖网络仅仅有通信的单一功能，无法满足各行各业的差异化需求，因此运营商亟需引入智能化技术，提升自身网络能力。目前，众多企业积极布局室内定位和物联采集市场，但普遍存在着网络建设成本高和运维能力差等问题，运营商可以借助5G室内覆盖网络建设契机，引入室内定位和物联采集等全新能力，为拓展垂直行业储备核心竞争力，提升自身网络能力，实现“一张网络赋能多个行业”的目标。

2 无源室分5G MIMO演进难对策

2.1 RRU多通道联合收发MIMO效应

（1）技术原理和关键技术

如图1所示，基于无源室分覆盖的部分场景中，即使室分分布系统是单路的，但是位于楼层n的UE终端能同时接收来自楼层n和楼层n+1的信号，如果此时楼层n和楼层n+1的信源分别来自于双通道RRU的A和B端口，那么 UE就能形成2T2R的“错层MIMO”效应；同理，把图4想象成一个平面，位于区域B的UE终端能同时接收来自区域A和区域B的信号，UE就能形成2T2R的“错域MIMO”效应。我们将上述的错层MIMO和错域MIMO可称之为“RRU多通道联合收发MIMO效应”。但是此MIMO效应的触发需要有严格的链路均衡要求，多路信号链损差异多大会严重影响多流性能。

图1 RRU多通道联合收发MIMO效应

（2）效应触发要素

损耗衰减后双路RSRP差值，双路信号的RSRP的差值越小，上次、下载速率的增益越大，经验证，差值<20dB，增益>50%；差值20～30dB，可获得感知优于单路覆盖效果正增益，增益随差值增加而下降；差值超过25dB后，增益基本在10%以内；差值大于30dB后而产生感知劣于单路覆盖效果负增益。

（3）改造方案

本方案相对于传统的无源室分单改双，在改造成本、施工难易和施工耗时方面具备绝对的领先优势，完全克服了传统方法成本高、难施工的难题，施工成本仅为原有室分单改双的2.79%。基于“5G信源馈入现网室分系统，相邻楼层或相邻区域馈入不同通道的NR信号”原则，本文提供两种改造方案。

方案1：如图2，NR二级末端合路，即在每个楼层二级合路，不改动现网主干馈缆，现网2G/4G室分拓扑不变，但增加合路器较多，新增5G主干馈缆；

方案2：如图3，NR始端合路，增加的合路器数目少，但原有主干馈缆拆除，2G/4G也改造成相邻楼层用RRU不同通道覆盖，2G/4G 主干馈缆长度增加。

2.2 变频耦合MIMO技术

针对前文所述RRU多通道联合收发MIMO效应无法触发又有强烈MIMO需求的单路无源室分站点，建议引入变频耦合MIMO技术，如图4。在5G射频单元信号输入室分系统前增加一台变频近端机，同时将原有无源天线替换为2T2R远端天线。在5G射频单元输出两路信号的基础上，一路5G标准信号（直通路）直接合入室分系统进行传输，另一路标准的5G信号（变频路）通过近端机变频功能，变频至600MHz中频信号后合入原有单路室分系统，不同频率在单路室分中互不影响。有源天线实现远端机功能，将接收到的600MHz中频信号变频还原为一路标准5G信号，与另一路标准5G信号一起组成双路信号，从而带来2T2R的MIMO效应。经核算，与新建2T2R皮基站相比，本方案节约15%～30%的成本。

图2 方案1（NR二级末端合路）

图3 方案2（NR始端合路）

图4 变频耦合MIMO技术

3 无源室分“哑设备”故障发现难对策

针对传统无源室分“哑设备”难监控问题，提出RFID可视化监控技术方案。通过将RFID外贴或内置于天线，同时在RRU信源侧增加智慧网关，如图5，智慧网关通过合路器与2/4/5G信源共同合路进室分分布系统，智慧网关将通过馈线发射轮询信号通过合路器、功分器、耦合器后达到内置或外贴了RFID的天线，收到轮询信号的RFID天线反馈应答信号返回智慧网关，智慧网关通过周期性的发射轮询信号，判断每个RFID是否工作正常，并使用一定的算法预判故障点位，使得故障发现难的天线具备通断状态、链路损耗等信息实时检测能力。

如下表1所示推理算法预判图5故障点位举例，情况1、情况2、情况3仅仅只是单独一个天线出现故障，证明前端功分器、耦合器无异常，判定为未应答天线存在故障；情况4、天线3正常排除耦合器异常，两个天线同时故障概率相对较低，故判断大概率判断功分器故障；情况5、三个天线同时故障概率极低，故判断大概率耦合器故障。

图5 RFID可视化监控技术方案示意图

表1 推理算法预判故障点位举例

天线应答情况1应答情况2应答情况3应答情况4应答情况5 天线1异常正常正常异常异常天线2正常异常正常异常异常天线3正常正常异常正常异常故障判断天线1故障天线2故障天线3故障功分器故障耦合器故障

4 有源室分投资高、后续演进能力不足对策制定

提出有源室分和无源室分融合组网方案，将有源皮基站作为信源，如图6所示，通过新增BLE网关，根据不同的场景需求在外接型的皮基站外接多副无源1T1R、2T2R或4T4R天线，将原需昂贵皮基站覆盖的点位由低廉的无源天线代替，其中外接的天线通过集成BLE信标，不仅继承了有源室分可视化运维能力（即上一章节所述的可视化监控技术能力），还能提供室内的定位和物联能力。皮基站信源依旧拥有弹性扩容的能力，实现有源室分弹性扩容、可视化运维和无源室分低成本、低功耗完美融合，从而大幅降低建设成本和运维成本。同时，BLE网关后端部分，可实现多运营商的共享，甚至网络迭代后仍然可以继续使用，避免5G后期可能出现的新频段、新制式，已安装的新型有源室分无法支持等后续演进能力不足问题。

选取某商场进行试点对比测试，分别在格局一样的1-5楼层进行5种方案的试点对比验证，如表2，得出以下几点小结：（1）原需47台pRRU才能满足覆盖需求的楼层，通过融合组网方案仅需13-15台pRRU即可完成覆盖；（2）融合组网的网络质量并没有出现明显差于纯皮基站组网的情况；（3）融合组网建设成本相对纯Prru-4T4R和纯Prru-2T2R分别约降低37%、20%，运营成本相对纯Prru-4T4R和纯Prru-2T2R分别约降低51%、47%。

图6 融合组网示意图

表2 方案效果和成本对比表

方案纯pRRU-4T4R组网纯pRRU-2T2R组网1拖8融合组网1拖4融合组网楼层 2F3F4F5F 硬件投资pRRU数47471315 5G RRU数---- 效果评估平均下载速率（Mbps）822642648603 平均上传速率(Mmbps)155.18151.48114.7495.66 成本分析建设成本（万元）59.7747.2938.4636.82 运营成本（万元/年）6.896.463.353.43

5 网络功能单一且缺乏有效的智能化演进手段对策

针对网络功能单一、缺乏有效的智能化演进手段的现状，提出5G-UWB/蓝牙融合室分系统的室内定位方案，如图7所示，将 UWB、蓝牙等室内定位基站与 5G基站结合共同部署，例如前文所述的有源室分和无源室分融合组网方案，就是一种蓝牙融合5G基站低成本多功能的有效应用。定位基站复用 5G 基站站址资源、供电资源和传输资源，打破5G缺乏智能化演进手段的难题；同时结合边缘计算、大数据等领先进技术，让感知层赋能执行层，提供米级、亚米级定位精度，能够满足智慧园区、交通枢纽、工业制造、大型展馆等室内场景下的各种定位业务需求，提供集“通信.导航.物联”一体的解决方案，打破网络功能单一的局面，实现运营商从普通的通信业务提供商向室内定位提供商转型。