4G建网初期，室内覆盖网络主要以无源DAS方案为主，其具备频段扩展性强、建网成本低等优势，但是其大部分为单路系统，网络容量偏低，且不具备可视化运维和室内定位能力。为了满足包括交通枢纽、体育场馆、会展中心等高容量场景需求，4G建网中期引入了分布式皮基站，其网络容量高，且具备可视化运维和室内定位能力，但是其建网成本偏高。为了降低网络成本，4G建网后期引入了扩展型皮基站和一体化皮基站，其网络容量和建网成本适中。4G时代室内覆盖主要方案如表1所示，每种方案都有其适用场景及各自特点。
5G室内覆盖面临的四大挑战
当前，5G室内覆盖面临诸多挑战，本文从频谱、成本、产业、网络等维度，分析5G室内网络部署面临的四大挑战，剖析5G室内网络演进的驱动力。
一是频率选择。以中国移动为例，中国移动5G频段包括2.6GHz和4.9GHz。如果室内和室外均采用2.6GHz频段，在室内浅层区域存在同频干扰问题，导致网络性能下降。如果室内采用4.9GHz频段，虽然同频干扰问题不存在了，但4.9GHz相比2.6GHz的链路损耗增大6-10dB。因此，中国移动在频段选择上面临着2.6GHz同频干扰，4.9GHz损耗较高的挑战。
二是设备成本激增。相比于4G室分设备而言，5G设备在工作频段、载波带宽、通道数量和发射功率方面均有大幅提升。如表2所示，工作频段从2.3GHz提升至2.6GHz;载波带宽从20MHz提升至100MHz，双载波模式下总带宽达160MHz;分布式皮基站的通道数从2通道提升至4通道，扩展型皮基站依然是2通道;无源室分的单通道发射功率从20W提升至100W~160W(双载波)，有源室分的单通道发射功率从0.125W提升至0.25W~0.4W(双载波)。综合考虑上述4个方面的因素，在5G室分建网初期，设备成本将会较大幅度增长。
三是产业成熟度有待提升。5G无源室分系统需要大功率两通道RRU设备，目前单通道160W功率放大器和收发开关器件产业尚不成熟。虽然部分厂家推出了采用多拼功率放大器和级联收发开关实现方案，但是其性能及功耗均有待进一步提升。白盒小站是5G有源室分的技术发展趋势之一，目前产业界以X86 CPU+FPGA实现方案为主，存在着功耗过大，成本较高问题。虽然部分芯片厂家计划推动ASIC(专用集成电路)方案，以降低设备功耗及实现成本，但是研发进度需要进一步加快。
四是室内专网存在差异化需求。大部分垂直行业应用发生在室内环境，对于室内专网将提出差异化需求，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。此外，室内公网与室内专网的结合方式，2.6GHz和4.9GHz使用策略等问题尚需深入研究。
5G室内覆盖网络需精细化建设
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，三类场景对应着不同的具体需求。如图1所示，覆盖场景对于网络速率/容量需求低，可接受CAPEX和OPEX值低，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值适中，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，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。
5G无源室分覆盖方案
由于无源室分覆盖方案在2G、3G和4G时代被广泛使用，运营商拥有规模庞大的无源室分网络资源。据不完全统计，中国移动现网中存量无源室分天线约1亿面，利旧现有基础设施是运营商建设5G网络的高效手段，仅需在无源室分系统信源处增加5G NR信源即可，建设成本和建设周期最低。根据调研数据，运营商现网中无源室分网络最早可以追溯到2005年，在网运行已达15年。一方面说明无源室分系统具备长期稳定工作及后续演进能力，另一方面说明大部分无源室分系统已经超期服役。对于不支持2.6G NR的无源室分站点，可以通过室分整改替换部分无源器件和室分天线。对于确有高流量需求的站点，可以新建更高容量的室分系统。
对于新建场景和具备升级改造条件的利旧场景，可以采用5G无源室分覆盖方案，如图2所示。相较于传统无源室分而言，新方案重点解决了无源室分长期存在的故障不可监控问题，同时提供室内定位能力，保留了低成本、低功耗、易于扩展等优势。
5G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3所示，由三级结构组成，包括BBU、Hub和RF Unit。从BBU设计方案角度划分，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/4G/5G多模设备。有源室分覆盖方案优势在于具备弹性扩容能力，满足以高效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，并且具备精细化人流量分析能力。
5G融合组网覆盖方案
5G融合组网覆盖方案结合了无源室分的低成本、低功耗、易于扩展等优势，和有源室分弹性扩容能力优势，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。第一代融合组网覆盖方案如图4的左图所示，4通道分布式皮基站作为信源，其输出射频信号经过4功分器后两两合并，再分别接入8副双极化天线，可提供下行双流速率体验能力。第二代融合组网覆盖方案如图4的右图所示，4通道分布式皮基站作为信源，其输出射频信号经过蓝牙网关内置功分器后实现四路合一路，再通过四合一集束1/6线缆外接8副4T4R有源室分天线，可提供下行四流速率体验能力。
5G融合组网覆盖方案具备三大优势。
- 一是安装便利，由于采用外拉无源室分天线，皮基站作为信源无需外置于天花板外，其安装位置选择更加灵活，可降低安装成本和美化成本。
- 二是灵活演进，当通信制式更迭或者频谱变更时，融合室分方案仅需要更换少量的皮基站，功分器、室分天线、射频馈线均可以复用，迭代和演进的灵活性更高。
- 三是共建共享，在为多家运营商客户提供通信服务时，融合室分方案只需要在信源处安装各家设备，通过合路器、功分器和室分天线即可实现共建共享的目标。
三种室分覆盖方案对比分析
根据上面的分析，三种室分覆盖方案综合对比结果如图5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，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，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中间，综合优势明显。
5G室内覆盖网络需智能化演进
5G时代，运营商业务对象从ToC为主转向ToC和ToB并重。在探索全新商业模式过程中，运营商需要聚焦于自身的核心优势资源。
根据国际运营商转型的成功经验，全新业务领域具备以下4个特点：一是该领域业务已经形成了规模化需求，覆盖用户数众多，可以发挥运营商的规模化优势;二是该领域业务需要一定的资产投入，可以发挥运营商已有的重资产优势;三是该领域业务需要将线上和线下相结合，可以发挥运营商的实体渠道优势;四是该领域业务需要“高信誉度”，可以发挥运营商的良好社会认知度。
运营商拥有规模庞大的室内覆盖网络，基于该网络优势更易于探索出全新的数字化业务领域。但是，现有室分网路末端节点仅仅具备移动通信能力，无法支撑运营商拓展全新的数字化业务领域。接下来将分别介绍两种室分网路末端节点的智能化演进思路：AaaS和Smart Box。
智能化演进思路一：AaaS
AaaS(Antenna as a Service：天线即服务)是一种室内通信网络全新概念，将定位网、物联网和通信网深度融合，形成室分故障监控、室内弱覆盖分析、室内精准定位、精准营销和物联信息采集五大核心能力。
基于AaaS平台的室内定位方案如图6所示，蓝牙定位信标与无源室分天线实现一体化集成，蓝牙信标发射的定位参考信号耦合到室分天线振子内并发射出去。蓝牙网关接入到室内通信网络中，一方面通过功分器/耦合器为室分天线内部集成的蓝牙信标供电，另一方面时刻监控蓝牙信标的工作状态。蓝牙信标通过不断发送携带自身MAC地址的广播信息给终端实现精准定位服务，为了避免该广播信息被盗用，蓝牙网关会定期修改室分天线内部蓝牙信标的MAC地址。
基于AaaS平台的物联采集方案如图7所示，室内传感器将采集到的信息(例如：温湿度值、烟雾报警)以广播包形式对外发送，无源室分天线内置蓝牙信标接收到周围蓝牙传感器发送的广播包信息，并将其通过功分器/耦合器回传至蓝牙网关，蓝牙网关将包含传感器数据的信息传输至云平台进行数据解析，最终呈现出每个传感器检测到的各类室内环境信息。
基于AaaS平台，未来还可以在有源室分末端的皮基站内部集成无线充电模块，解决现有无线充电技术距离短的问题，还可以集成可见光通信模块，提升运营商网络通信服务速率。
智能化演进思路二：Smart Box
Smart Box是面向“数字孪生城市”的室内通信网络全新概念。“数字孪生城市”作为智慧城市概念的新思路，意在将真实物理城市的全量数据进行动态连续映射到虚拟模型中，从而提供全新的区域性管理模式，进而催生诸如城市智慧工业、城市规划仿真等新的技术应用。
中国信通院发布的《数字孪生城市研究报告(2019年)》白皮书中提出了数字孪生城市三横两纵的总体架构，“三横”包括新型基础设施、智能运行中枢、智慧应用体系，“两纵”包括城市安全防线、标准规范，在智慧城市的基础上对技术覆盖范围和超级应用提出了更高要求。室内环境是信息交换最为频繁的场景，未来势必有更多的感知设备应用于室内环境。蜂窝网、局域网、短距通信等多种通信制式共存，造成信息采集的难度和成本大幅增加。Smart Box作为新型基础设施的重要环节之一，意在实现室内3GPP和非3GPP协议数据的全量采集功能。
Smart Box的连接关系如图8所示，与4G/5G等3GPP协议数据一样，Smart Box将外部智能设备的数据采集至运营商的室分系统，该数据通过BBU、核心网传输至各自业务平台进行处理。Smart Box则通过POE接口对外部智能设备进行直流供电和参数配置。Smart Box可以接入包括蓝牙信标、摄像头、ZigBee传感器、UWB基站在内的多种通信制式设备，具有灵活的扩展性。
Smart Box一方面帮助运营商有效地拓展了室内数据采集范畴，另一方面也解决了非3GPP协议设备在应用过程中存在的3个痛点。
在物业施工方面，运营商具备多年施工建设和物业协调经验，且Smart Box和外部智能设备可以跟皮基站一同进场施工安装，节省了智能设备的施工成本。
在设备供电方面，大多数非3GPP协议的智能设备采用电池供电或POE供电，前者会限制续航能力，后者需要单独部署较长的网线。Smart Box通过POE接口可以为外部智能设备提供稳定的直流供电能力。
在数据回传方面，Smart Box为接入设备提供统一的IP数据回传通道，依托于5G网络的传输资源优势，可以提供稳定可靠的高数据量传输能力。
5G室内覆盖面临着工作频段升高、设备成本激增、产业链成熟度不足和需求差异化等多重挑战，需要根据覆盖、容量、成本等需求进行精细化建设，同时推动系列化产品研发以及低成本融合室分应用。为了拓展室内全新业务领域，运营商需要依托室分网络资源优势开展智能化技术演进，积极打造包括AaaS和Smart Box在内的室内新型基础设施。
关于作者：
中国移动通信有限公司研究院：张欣旺 王东 邓伟 丁海煜
