柳叶刀:5G室内分布系统建设面临重重挑战/2019-11-05

2019年11月5日09:04:26 发表评论
10月31日,在2019中国信息通信发展高层论坛上,中国铁塔股份有限公司副总经理刘国峰指出,5G频段高,传播和穿透损耗大,难以通过室外覆盖室内,5G室分(室内分布系统)将面临建设规模大、建设成本高、落地实施难三大挑战,5G室分更需要进一步加大共享。

中国铁塔股份有限公司副总经理 刘国锋
对于中国铁塔公司有些读者并不了解,该公司五年前成立,主要从事通信铁塔基站建设(包括移动网络室内分布系统),其职责相当于一个基建公司,中国铁塔建好铁塔、盖好塔下机房、布置好电源线路,三家运营商直接拿着通信设备“拎包入住”。
除了建设室外基站,中国铁塔还担负建设移动网络室内分布系统的任务,这种室内分布系统的部署在4G时代就已经展开。很多大型楼宇由于隔墙很多,室外的4G信号那以覆盖深度的覆盖室内(如地下停车场),所以就必须建设4G的室内分布系统。而5G时代这样的需求更为强烈,因为5G频段更高,传播距离和穿墙性能受到限制,将面临更大规模的5G室内建设。

5G室内分布系统建设不容忽视
在2019年的IMT-2020(5G)峰会上,中国铁塔技术部无线技术总监邹勇就提到,室内是5G重要应用场景,室内的业务占比越来越高,据相关统计,4G时代的70%业务发生在室内,而5G将超过85%的应用发生在室内。
目前,我国5G频段主要包括2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz,未来还有毫米波。相比现在4G主流频段,5G频段比较高,频段越高,传输损耗包括网络穿透损耗都会很大。相关的数据表明,4G的sub-3GHz可穿透两堵砖墙,C-Band只能穿透一堵砖墙,毫米波不具备穿墙能力。重要的5G室内场景都会有5G室分(室内分布系统)的建设要求,建设的重要性也就更加突出。
4G时代,移动网络使用场景主要还是集中于个人消费者,通过软件看电影、刷抖音、刷微博、语音或视频社交等。5G网络的到来会让室内应用更加多样化,对网络的要求更高的,比如云、VR、AR、8K高清、智能制造、无线医疗,这些业务将主要发生在室内。不过,在未来的5G应用中,个人消费者所占的比重不会太大,而涉及到工业互联网的企业级应用才是重要部分。
笔者前段时间受邀参访的很多5G应用试点中,最切合实际的还是发生在企业工厂内部,利用5G移动网络的优势借助AI技术,提高产品的制造效率,像基于5G的机器人厂内巡检、无人车厂内转运货物等,给企业带来了效益,企业也愿意为5G买单。而这些应用企业级应用就是发生在室内的。

笔者参观浙江新凤鸣集团,厂内的IGV小车正在沿着规定的路线搬运丝饼,丝饼位于下方白色长筒状,小车受5G网络控制,在厂区车间移动

室内分布系统  无源与有源
室内分布系统的建设可以分为两种类型,一种是无源分布系统,另一种是有源分布系统。前者是较为传统的一种室分系统,在3G和4G时代就开始了采用这种方式,技术成熟,成本低。
3G网络大量使用分布式基站架构,在RRU(射频拉远模块)和BBU(基带处理单元)之间用光纤连接。一个BBU可以支持多个RRU,采用BBU+RRU多通道方案,可以很好地解决大型场馆的室内覆盖。

BBU+RRU+天线的基本概图,非多通道
通常大型建筑物内部的层间有楼板,房间有墙壁,室内用户之间有空间分割,当采用BBU+RRU多通道的方案时,BBU集中放置在机房内,RRU可安装至楼层,之后RRU还要通过馈线接至能收发信号的天线上。而RRU连接到天线的过程中,就涉及到合路器的概念(POI技术),因为在室内分布系统建设中涉及到三家运营商,为了避免重复投资,就需要利用合路器将三家的信号融合到一起,通过同一天线收发,这也就是传统无源室分系统的基本概念。

无源室分系统,合路器将信源传来的信号融合,通过馈线传输到天线上,目前的泄露电缆可以将馈线和天线替代
而在5G室分建设中,这种天馈系统(天线和馈线)就被泄露电缆替代。以地铁隧道场景为例,泄露电缆的作用就相当于把原来的天线拉长,沿着隧道放置,在隧道中均匀的收发信号,适用于狭长的区域场景,相比于点源天线,泄露电缆接收信号强度是均匀缓变的。
与无源室分系统相比,有源室分系统主要上由BBU、RHUB、pRRU三部分组成,BBU基带处理单元首先连接到RHUB上,RHUB就类似于一个集线器(或交换器),可以连接多个pRRU,这里的pRRU可以看做传统基站上的RRU的“小型化”,而收发天线就集成在pRRU内部。实际上,这样的组网方式也叫做“分布式皮基站”。与此相对应的是“一体化皮基站”,也就是把BBU、pRRU集合成一体。一般来说,“一体化皮基站”覆盖较小的简单区域,“分布式皮基站”对于复杂的区域,扩展方便。

有源室分系统,分布式皮基站,pRRU外边看起来是一个盒子,里面集成了天线

无源室分与有源室分 如何选择
相比于传统的无源泄漏电缆室分方式,部署皮基站设备成本高。目前,三家运营商的皮基站无法共享,都“各自为政”,像华为、中兴这样的大厂家本来是可以将三家运营商的信号融合到同一个皮基站,技术上难度不大,但是出于利润的考虑,设备厂商没有动力这样去做,道理很简单,假如一台设备一万元,三家运营商三台设备就三万元,如果将其融合成一台设备让三家共用,这一台设备也卖不了三万元,设备制造商得不偿失。

华为的Lampsite室分系统解决方案,属于有源室分,PRRU5921是安装在楼宇里面的“小盒子”,它是Lampsite解决方案的一部分,,而支持的多频多模,笔者猜测很大可能是针对一家运营商2G/3G/4G/5G
不过,笔者通过咨询也得知,在一些展会上出现了共享型皮基站(同时支持三家运营商),但不是华为、中兴推出的,而是铁塔公司联合其他厂商研制的,这样做的目的是,一旦市场上有人跳起来说一台设备能同时支持三家运营商,那么大厂商也只能被动地推出皮基站共享产品。
虽然皮基站容量大,但是因为设备成本较高,其部署场景需要是人流量非常高的地方。业内人士向笔者介绍,像新建的北京大兴机场就部署了皮基站,因为这种场景下,有价值的客户比较多,可以勉强进行布设抵消成本。如果在人流量小的地方建设皮基站,成本太高,运营商可能难以承担。
但皮基站可以接入运营商的网络管理系统,可以实现对设备的管控,很多信息是可以回传的,比方说,可以在网络管理系统上看到pRRU是否掉线,是否出现故障等,能够做到设备运行的可视化。而泄露电缆就无法做到这一点,因为它是无源的,没有电,无法回传电信号,如果想要时间监控,就得在泄露电缆外添加传感器。
传统的室内分布系统(包括泄露电缆),是可以共享的,用合路器(POI技术)将三家运营商的信号融合在一起,并且POI技术保证几十个频段隔离度减少干扰,再将信号传输到泄露电缆中,泄露电缆将三家运营商的所有频段的信号全部辐射出去,这样通过泄露电缆实现三家运营商的共享,节约室内空间资源,降低了建设成本。
目前有一些新型的泄露电缆开始支持5G(2.6GHz与3.5GHz)信号,在郑州、石家庄、济南等地得地铁内也进行了相关建设。铁塔公司相关负责人表示,“这些项目还是处于试点阶段,没有大规模的推广开。这些试点实际上是铁塔公司联合相关厂家实地调试设备,之前设备不支持5G,现在与设备制造商合作进行技术攻关,调试设备的应用效果。但有些频段还没有完全打通,因为5G分为2.6GHz、3.5GHz、4.8GHz几个频段,这些频段有的已经打通,有的还在攻关。”

截图自河南日报网
不过,室内设置皮基站还是由运营商自己主导,按照原来国家工信部相关文件,关于共享共建的的指导性意见,约定了对于机场、大型场馆、多业主商务楼宇等场景,天馈(天线、馈线)系统以及泄露电缆由铁塔公司共建,而信源部分(包括pRRU,BBU等)由运营商构建,通俗的理解就是,通信天线由铁塔公司建设,从BBU到RHUB再到PRRU属于信源,由运营商负责。当然,也有个别地区的铁塔公司特别受到运营商认可,运营商购买设备让铁塔公司帮忙施工。
对于未来5G室分建设,中国铁塔技术部无线技术总监邹勇也指出,无源和有源室分互有缺点,在5G时代也是扬长避短、优势互补的关系。将来的5G室分建设将会在成本和性能中取得一个平衡,有源室分主要应用在高容量区域,无源室分作为低成本技术方案主要应用在一些其他地区,两者互为补充。

5G室分系统建设  高额入场费拉高成本
现在不论是室外建设基站,还是室内建设分布系统,都要和业主打交道,业主都要收取费用,不会免费的提供建设场地。目前只有公共的绿地、设施等,靠政府出台的红头文件,便宜或者免费租给铁塔公司使用,其他地方还是需要收取高额费用的。
业主收费的名目比较多,比如说,入场协调费、场租费等。实际上,最终目的就是为了要钱。以给地铁安装移动信号发射设备为例,地铁运营方要价特别高,有时甚至不让外界公司进入内部进行建设,地铁公司考虑自己建设,因为相关设备可以在市场上买到,部署的技术方案难度也不大,自己建好之后将来以高价租给运营商收取租金。这里需要说明一点,地铁的场景比较特殊,要么有信号,要么绝对没信号。与楼宇场景不同,可以从在一栋楼宇上建设基站向对面楼宇辐射信号,而地铁隧道只能放置泄漏电缆,只能和地铁公司一家谈判。不过也可以理解,因为地铁建设成本高,收入也处于亏损状态,它也要想办法赚钱,弥补资金亏损。

室分系统与WiFi  谁将淘汰谁
WiFi是将宽带转换为一种无线接入,但是家里的带宽速率还是有限的,而5G无线接入的速率肯定比wifi高的多。在家里面有4G信号,一般情况下也很少连接WiFi。而且在不同房间里的WiFi需要来回切换认证,有时速率还赶不上4G。
其实,中国移动在2011年到2012年进行过大规模的WiFi建设,那个时候是因为移动的TD-SCDMA技术上面存在缺陷,导致移动的3G比较落后,为了进行补充,所以在很多公共区域、高校场所建设WiFi进行覆盖,走到那里就可以搜索到ChinaMobile进行连接。那个时候,WiFi可以弥补移动的3G不足,但是到了2013年,开始上4G的时候,移动马上就减少了WiFi的投资规模。
现在对于信息安全持谨慎态度的人,基本上不会连接别人的WiFi,笔者的朋友就遇到过这样的情况,在一家饭店吃饭,登录了饭店的WiFi,结果QQ账号被盗,在所有的工作群发一些乱七八糟的消息。
确实有些学者也指出室内WiFi建设成本相对较低,但是面对高容量场景,WiFi还是不能应对的。相对于5G,WiFi毕竟还是“轻量级选手”, 而WiFi的场景可以用技术成熟、成本低的传统有源室分系统替代。从笔者与一线项目统筹人士的交流情况看,运营商和铁塔公司对于建设性能有限的WiFi也没有激情。

结束语
5G的室内分布系统建设确实面临极大的挑战,有限传播距离和穿墙性决定了其需要大规模部署,而建设成本高也让铁塔公司和运营商“压力山大”。在进行实际部署时,还需要精细规划,选择合适的室分类型,联合厂家开发低成本可共享的5G设备,同时避免运营商“各自为政”,以铁塔公司统筹,加大共建共享力度,从各个方面进行降本增效。

 

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