當前，5G室內覆蓋面臨諸多挑戰，本文從頻譜、成本、產業、網絡等維度，分析5G室內網絡部署面臨的四大挑戰，剖析5G室內網絡演進的驅動力。
4G建網初期，室內覆蓋網絡主要以無源DAS方案為主，其具備頻段擴展性強、建網成本低等優勢，但是其大部分為單路系統，網絡容量偏低，且不具備可視化運維和室內定位能力。為了滿足包括交通樞紐、體育場館、會展中心等高容量場景需求，4G建網中期引入了分佈式皮基站，其網絡容量高，且具備可視化運維和室內定位能力，但是其建網成本偏高。為了降低網絡成本，4G建網後期引入了擴展型皮基站和一體化皮基站，其網絡容量和建網成本適中。4G時代室內覆蓋主要方案如表1所示，每種方案都有其適用場景及各自特點。
5G室內覆蓋面臨的四大挑戰
當前，5G室內覆蓋面臨諸多挑戰，本文從頻譜、成本、產業、網絡等維度，分析5G室內網絡部署面臨的四大挑戰，剖析5G室內網絡演進的驅動力。
一是頻率選擇。以中國移動為例，中國移動5G頻段包括2.6GHz和4.9GHz。如果室內和室外均採用2.6GHz頻段，在室內淺層區域存在同頻干擾問題，導致網絡性能下降。如果室內採用4.9GHz頻段，雖然同頻干擾問題不存在了，但4.9GHz相比2.6GHz的鏈路損耗增大6-10dB。因此，中國移動在頻段選擇上面臨著2.6GHz同頻干擾，4.9GHz損耗較高的挑戰。
二是設備成本激增。相比於4G室分設備而言，5G設備在工作頻段、載波帶寬、通道數量和發射功率方面均有大幅提升。如表2所示，工作頻段從2.3GHz提升至2.6GHz;載波帶寬從20MHz提升至100MHz，雙載波模式下總帶寬達160MHz;分佈式皮基站的通道數從2通道提升至4通道，擴展型皮基站依然是2通道;無源室分的單通道發射功率從20W提升至100W~160W(雙載波)，有源室分的單通道發射功率從0.125W提升至0.25W~0.4W(雙載波)。綜合考慮上述4個方面的因素，在5G室分建網初期，設備成本將會較大幅度增長。
三是產業成熟度有待提升。5G無源室分系統需要大功率兩通道RRU設備，目前單通道160W功率放大器和收發開關器件產業尚不成熟。雖然部分廠家推出了採用多拼功率放大器和級聯收發開關實現方案，但是其性能及功耗均有待進一步提升。白盒小站是5G有源室分的技術發展趨勢之一，目前產業界以X86 CPU+FPGA實現方案為主，存在著功耗過大，成本較高問題。雖然部分芯片廠家計劃推動ASIC(專用集成電路)方案，以降低設備功耗及實現成本，但是研發進度需要進一步加快。
四是室內專網存在差異化需求。大部分垂直行業應用發生在室內環境，對於室內專網將提出差異化需求，包括低時延、高上行、高可靠及室內定位等，對於室分設備、網絡優化、組網方式等都提出了全新要求。此外，室內公網與室內專網的結合方式，2.6GHz和4.9GHz使用策略等問題尚需深入研究。
5G室內覆蓋網絡需精細化建設
5G室內場景根據容量需求可以劃分為覆蓋場景、體驗場景和容量場景，三類場景對應著不同的具體需求。如圖1所示，覆蓋場景對於網絡速率/容量需求低，可接受CAPEX和OPEX值低，5G室分網絡以1T1R為主;體驗場景對於網絡速率/容量需求適中，可接受CAPEX和OPEX值適中，5G室分網絡以2T2R為主;容量場景對於網絡速率/容量需求高，可接受CAPEX和OPEX值高，5G室分網絡以4T4R為主。三類室內場景均需要具備可視化運維、室內定位、弱覆蓋分析、人流量分析、易於擴展和彈性擴容等基本能力。
圖1：5G室內覆蓋網絡差異化場景及需求分析
5G無源室分覆蓋方案
由於無源室分覆蓋方案在2G、3G和4G時代被廣泛使用，運營商擁有規模龐大的無源室分網絡資源。據不完全統計，中國移動現網中存量無源室分天線約1億面，利舊現有基礎設施是運營商建設5G網絡的高效手段，僅需在無源室分系統信源處增加5G NR信源即可，建設成本和建設週期最低。根據調研數據，運營商現網中無源室分網絡最早可以追溯到2005年，在網運行已達15年。一方面說明無源室分系統具備長期穩定工作及後續演進能力，另一方面說明大部分無源室分系統已經超期服役。對於不支持2.6G NR的無源室分站點，可以通過室分整改替換部分無源器件和室分天線。對於確有高流量需求的站點，可以新建更高容量的室分系統。
對於新建場景和具備升級改造條件的利舊場景，可以採用5G無源室分覆蓋方案，如圖2所示。相較於傳統無源室分而言，新方案重點解決了無源室分長期存在的故障不可監控問題，同時提供室內定位能力，保留了低成本、低功耗、易於擴展等優勢。
圖2：5G無源室分覆蓋方案
5G有源室分覆蓋方案
5G有源室分覆蓋方案與4G方案基本保持一致，如圖3所示，由三級結構組成，包括BBU、Hub和RF Unit。從BBU設計方案角度劃分，有源室分可以分為基於X86 CPU架構的擴展型皮基站和基於ASIC架構的分佈式皮基站。從RF Unit支持模式角度劃分，有源室分可以劃分為5G單模設備和2G/4G/5G多模設備。有源室分覆蓋方案優勢在於具備彈性擴容能力，滿足以高效園區和會展中心為代表的網絡容量需求大或潮汐效應明顯的室內覆蓋場景需求，並且具備精細化人流量分析能力。
圖3：5G有源室分覆蓋方案
5G融合組網覆蓋方案
5G融合組網覆蓋方案結合了無源室分的低成本、低功耗、易於擴展等優勢，和有源室分彈性擴容能力優勢，同時還可以提供人流量分析、弱覆蓋分析、室內定位和可視化運維能力。第一代融合組網覆蓋方案如圖4的左圖所示，4通道分佈式皮基站作為信源，其輸出射頻信號經過4功分器後兩兩合併，再分別接入8副雙極化天線，可提供下行雙流速率體驗能力。第二代融合組網覆蓋方案如圖4的右圖所示，4通道分佈式皮基站作為信源，其輸出射頻信號經過藍牙網關內置功分器後實現四路合一路，再通過四合一集束1/6線纜外接8副4T4R有源室分天線，可提供下行四流速率體驗能力。
5G融合組網覆蓋方案具備三大優勢。
- 一是安裝便利，由於採用外拉無源室分天線，皮基站作為信源無需外置於天花板外，其安裝位置選擇更加靈活，可降低安裝成本和美化成本。
- 二是靈活演進，當通信制式更迭或者頻譜變更時，融合室分方案僅需要更換少量的皮基站，功分器、室分天線、射頻饋線均可以複用，迭代和演進的靈活性更高。
- 三是共建共享，在為多家運營商客戶提供通信服務時，融合室分方案只需要在信源處安裝各家設備，通過合路器、功分器和室分天線即可實現共建共享的目標。
圖4：5G融合組網覆蓋方案
三種室分覆蓋方案對比分析
根據上面的分析，三種室分覆蓋方案綜合對比結果如圖5所示。其中無源室分覆蓋方案在CAPEX、OPEX、易於擴展方面優勢明顯，有源室分覆蓋方案在eMBB、彈性擴容和人流量分析方面優勢明顯，融合組網覆蓋方案的各項指標均位於無源和有源室分覆蓋方案中間，綜合優勢明顯。
圖5：三種覆蓋方案對比分析
5G室內覆蓋網絡需智能化演進
5G時代，運營商業務對象從ToC為主轉向ToC和ToB並重。在探索全新商業模式過程中，運營商需要聚焦於自身的核心優勢資源。
根據國際運營商轉型的成功經驗，全新業務領域具備以下4個特點：一是該領域業務已經形成了規模化需求，覆蓋用戶數眾多，可以發揮運營商的規模化優勢;二是該領域業務需要一定的資產投入，可以發揮運營商已有的重資產優勢;三是該領域業務需要將線上和線下相結合，可以發揮運營商的實體渠道優勢;四是該領域業務需要“高信譽度”，可以發揮運營商的良好社會認知度。
運營商擁有規模龐大的室內覆蓋網絡，基於該網絡優勢更易於探索出全新的數字化業務領域。但是，現有室分網路末端節點僅僅具備移動通信能力，無法支撐運營商拓展全新的數字化業務領域。接下來將分別介紹兩種室分網路末端節點的智能化演進思路：AaaS和Smart Box。
智能化演進思路一：AaaS
AaaS(Antenna as a Service：天線即服務)是一種室內通信網絡全新概念，將定位網、物聯網和通信網深度融合，形成室分故障監控、室內弱覆蓋分析、室內精準定位、精準營銷和物聯信息採集五大核心能力。
基於AaaS平臺的室內定位方案如圖6所示，藍牙定位信標與無源室分天線實現一體化集成，藍牙信標發射的定位參考信號耦合到室分天線振子內併發射出去。藍牙網關接入到室內通信網絡中，一方面通過功分器/耦合器為室分天線內部集成的藍牙信標供電，另一方面時刻監控藍牙信標的工作狀態。藍牙信標通過不斷髮送攜帶自身MAC地址的廣播信息給終端實現精準定位服務，為了避免該廣播信息被盜用，藍牙網關會定期修改室分天線內部藍牙信標的MAC地址。
基於AaaS平臺的物聯採集方案如圖7所示，室內傳感器將採集到的信息(例如：溫溼度值、煙霧報警)以廣播包形式對外發送，無源室分天線內置藍牙信標接收到周圍藍牙傳感器發送的廣播包信息，並將其通過功分器/耦合器回傳至藍牙網關，藍牙網關將包含傳感器數據的信息傳輸至雲平臺進行數據解析，最終呈現出每個傳感器檢測到的各類室內環境信息。
基於AaaS平臺，未來還可以在有源室分末端的皮基站內部集成無線充電模塊，解決現有無線充電技術距離短的問題，還可以集成可見光通信模塊，提升運營商網絡通信服務速率。
圖 6：基於AaaS平臺的室內定位方案
圖 7：基於AaaS平臺的物聯採集方案
智能化演進思路二：Smart Box
Smart Box是面向“數字孿生城市”的室內通信網絡全新概念。“數字孿生城市”作為智慧城市概念的新思路，意在將真實物理城市的全量數據進行動態連續映射到虛擬模型中，從而提供全新的區域性管理模式，進而催生諸如城市智慧工業、城市規劃仿真等新的技術應用。
中國信通院發佈的《數字孿生城市研究報告(2019年)》白皮書中提出了數字孿生城市三橫兩縱的總體架構，“三橫”包括新型基礎設施、智能運行中樞、智慧應用體系，“兩縱”包括城市安全防線、標準規範，在智慧城市的基礎上對技術覆蓋範圍和超級應用提出了更高要求。室內環境是信息交換最為頻繁的場景，未來勢必有更多的感知設備應用於室內環境。蜂窩網、局域網、短距通信等多種通信制式共存，造成信息採集的難度和成本大幅增加。Smart Box作為新型基礎設施的重要環節之一，意在實現室內3GPP和非3GPP協議數據的全量採集功能。
Smart Box的連接關係如圖8所示，與4G/5G等3GPP協議數據一樣，Smart Box將外部智能設備的數據採集至運營商的室分系統，該數據通過BBU、核心網傳輸至各自業務平臺進行處理。Smart Box則通過POE接口對外部智能設備進行直流供電和參數配置。Smart Box可以接入包括藍牙信標、攝像頭、ZigBee傳感器、UWB基站在內的多種通信制式設備，具有靈活的擴展性。
Smart Box一方面幫助運營商有效地拓展了室內數據採集範疇，另一方面也解決了非3GPP協議設備在應用過程中存在的3個痛點。
在物業施工方面，運營商具備多年施工建設和物業協調經驗，且Smart Box和外部智能設備可以跟皮基站一同進場施工安裝，節省了智能設備的施工成本。
在設備供電方面，大多數非3GPP協議的智能設備採用電池供電或POE供電，前者會限制續航能力，後者需要單獨部署較長的網線。Smart Box通過POE接口可以為外部智能設備提供穩定的直流供電能力。
在數據回傳方面，Smart Box為接入設備提供統一的IP數據回傳通道，依託於5G網絡的傳輸資源優勢，可以提供穩定可靠的高數據量傳輸能力。
圖 8：Smart Box平臺
5G室內覆蓋面臨著工作頻段升高、設備成本激增、產業鏈成熟度不足和需求差異化等多重挑戰，需要根據覆蓋、容量、成本等需求進行精細化建設，同時推動系列化產品研發以及低成本融合室分應用。為了拓展室內全新業務領域，運營商需要依託室分網絡資源優勢開展智能化技術演進，積極打造包括AaaS和Smart Box在內的室內新型基礎設施。
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