智慧室分系統(tǒng)研究及應(yīng)用

張欣旺，曹景陽，徐飛，王大鵬，閆淵，王東，許靈軍

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

1 引言

伴隨著鐵塔公司成立，運營商在室外站址資源方面的差異逐漸縮小，室內(nèi)信號覆蓋質(zhì)量已成為運營商爭奪用戶的關(guān)鍵因素。據(jù)統(tǒng)計，4G時代80%移動業(yè)務(wù)主要發(fā)生在室內(nèi)環(huán)境，考慮到5G時代移動業(yè)務(wù)的多樣性，該數(shù)據(jù)有望增長到85%[1]，而傳統(tǒng)無源分布系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足運營商對于室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)的智能化需求。

目前室分系統(tǒng)故障多使用駐波儀進行排查，通過分析駐波比發(fā)現(xiàn)并定位系統(tǒng)故障點，測試期間需要閉站處理，對于現(xiàn)網(wǎng)正常運行有一定影響[2~3]。業(yè)界出現(xiàn)過基于“傳感器端子”的監(jiān)控方案[4~5]，由于每段射頻同軸電纜均需要增加“傳感器端子”，造成該方案施工復(fù)雜，成本高昂，并未得到廣泛應(yīng)用。

室內(nèi)弱覆蓋是無源室分系統(tǒng)的主要問題之一[6]，由于設(shè)計不合理、施工不到位，目前室內(nèi)弱覆蓋已經(jīng)是運營商投訴率的高發(fā)區(qū)域。目前業(yè)界廠家通過MR（Measurement Report，測量報告）+OTT（Over The Top）方式進行室內(nèi)弱覆蓋評估，分析粒度僅為建筑物級別，很難滿足網(wǎng)絡(luò)維護需求。

本文提出了智慧室分系統(tǒng)，繼承了無源分布系統(tǒng)的優(yōu)勢，彌補了無源分布系統(tǒng)的劣勢，使其可以滿足運營商智能化室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)需求。

2 主流室內(nèi)覆蓋解決方案

目前室內(nèi)覆蓋解決方案主要分為無源方案和有源方案兩大類。無源方案以無源分布系統(tǒng)為代表，運營商在2G、3G和4G時代廣為使用。2G/3G/4G信源通過合路后饋入無源分布系統(tǒng)，其全部由無源器件組成，包括合路器、功分器、耦合器、負(fù)載、射頻同軸電纜和室分天線。

有源方案以分布式皮基站系統(tǒng)為代表，適用于大容量、空曠的室內(nèi)場景[7~8]。信源端由BBU（Base Band Unit，基帶單元）和集線器組成，信號末端是有源室分天線，信號傳輸媒介替換為LAN（Local Area Network，局域網(wǎng)）網(wǎng)線。表1從不同角度對比分析了兩種室內(nèi)覆蓋解決方案的優(yōu)劣勢[9]：

表1 無源分布系統(tǒng)與分布式皮基站系統(tǒng)優(yōu)劣勢對比

相比分布式皮基站系統(tǒng)，無源分布系統(tǒng)在系統(tǒng)擴展性、故障率和能耗效率三方面處于優(yōu)勢，在可監(jiān)控性、室內(nèi)定位能力和室內(nèi)弱覆蓋分析三方面處于劣勢。本文提出了智慧室分系統(tǒng)，其同時具備無源分布系統(tǒng)和分布式皮基站系統(tǒng)共六方面的優(yōu)勢，為運營商提供一種高性價比的室內(nèi)覆蓋解決方案。

3 智慧室分系統(tǒng)及其主要功能

智慧室分系統(tǒng)是將RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）和BLE（Bluetooth Low Energy，低功耗藍(lán)牙）兩種智能硬件技術(shù)與無源分布系統(tǒng)相融合，使其支持室分系統(tǒng)故障監(jiān)控、室內(nèi)定位能力和室內(nèi)弱覆蓋分析，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。相比于無源分布系統(tǒng)，智慧室分系統(tǒng)僅在信源處增加支持RFID和BLE技術(shù)的智慧網(wǎng)關(guān)，采用支持RFID和BLE通道的新型合路器饋入無源分布系統(tǒng)，并在系統(tǒng)末端處將室分天線替換為支持RFID和BLE的智慧室分天線。對于新建場景而言，系統(tǒng)安裝施工量與無源分布系統(tǒng)幾乎相同；對于改造場景而言，僅需要替換信源端合路器和末端室分天線，改造施工量很小。

圖1 智慧室分系統(tǒng)架構(gòu)簡化示意圖

3.1 室分系統(tǒng)故障監(jiān)控

智慧室分系統(tǒng)基于RFID技術(shù)可以提供室分系統(tǒng)故障監(jiān)控，其原理圖如圖2所示。智慧網(wǎng)關(guān)內(nèi)部集成RFID讀卡器，其發(fā)射的輪詢信號先后經(jīng)過新型合路器、耦合器和功分器后送入末端智慧室分天線。智慧室分天線內(nèi)部集成的RFID標(biāo)簽接收到輪詢信號后隨即發(fā)射應(yīng)答信號，該信號先后經(jīng)過功分器、耦合器和新型合路器返回RFID讀卡器。由于每個RFID標(biāo)簽具有唯一ID信息，集成了RFID標(biāo)簽的智慧室分天線也具有了唯一ID信息。

中國規(guī)定的RFID工作頻段分別為840 MHz—845 MHz和920 MHz—925 MHz[10]，而無源分布系統(tǒng)支持頻率范圍是800 MHz—2700 MHz，完全支持RFID頻段。RFID讀卡器通過持續(xù)發(fā)送輪詢信號，接收應(yīng)答信號，判斷每個RFID標(biāo)簽是否正常工作，并結(jié)合一定拓?fù)渌惴ǘㄎ皇曳窒到y(tǒng)故障。針對圖2室分系統(tǒng)的特定拓?fù)鋱D，表2列舉了幾種可能的故障情況：

圖2 室分系統(tǒng)故障監(jiān)控原理圖

3.2 室內(nèi)定位能力

室內(nèi)精準(zhǔn)定位已經(jīng)成為開展室內(nèi)增值業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)能力，業(yè)界目前大多采用獨立放裝式藍(lán)牙定位信標(biāo)，由于缺乏長期供電手段和監(jiān)控方案，實際定位效果逐年下降，最終淪為“僵尸”網(wǎng)絡(luò)。通過將藍(lán)牙定位信標(biāo)與室分天線相集成，運營商的無源分布系統(tǒng)同時具備室內(nèi)定位能力，圖3為基于智慧室分系統(tǒng)的室內(nèi)定位原理圖，智慧網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)可以監(jiān)控藍(lán)牙信標(biāo)工作狀態(tài)，修改其配置信息。

表2 典型故障類型分析

圖3 基于智慧室分天線的室內(nèi)定位原理圖

（1）故障1：ANT-1 RFID標(biāo)簽無應(yīng)答，其余RFID標(biāo)簽有應(yīng)答，可能故障點為ANT-1天線及其相連的射頻同軸電纜。

（2）故障2：ANT-2 RFID標(biāo)簽無應(yīng)答，其余RFID標(biāo)簽有應(yīng)答，可能故障點為ANT-2天線及其相連的射頻同軸電纜。

（3）故障3：ANT-3 RFID標(biāo)簽無應(yīng)答，其余RFID標(biāo)簽有應(yīng)答，可能故障點為ANT-3天線及其相連的射頻同軸電纜。

（4）故障4：ANT-1和ANT-2標(biāo)簽無應(yīng)答，ANT-3標(biāo)簽有應(yīng)答，考慮到兩個天線同時發(fā)生故障概率較低，推斷其上一級的功分器及其上連同軸電纜發(fā)生故障的概率最高。

（5）故障5：ANT-1、ANT-2和ANT-3標(biāo)簽均無應(yīng)答，考慮到三個天線同時發(fā)生故障概率較低，推斷其上一級的耦合器及其上連同軸電纜發(fā)生故障的概率最高。

智慧室分天線內(nèi)部集成了藍(lán)牙定位信標(biāo)，假設(shè)目標(biāo)物體的室內(nèi)坐標(biāo)為（x, y），三個智慧室分天線的室內(nèi)坐標(biāo)分別為（x1, y1），（x2, y2）和（x3, y3），目標(biāo)物體通過接收三個藍(lán)牙定位信標(biāo)發(fā)射的廣播信號功率值計算出三個相對距離d1，d2和d3，那么根據(jù)三邊測量法可以計算出目標(biāo)物體的室內(nèi)坐標(biāo)如公式(1)所示：

相比于獨立放裝式藍(lán)牙定位系統(tǒng)，智慧室分系統(tǒng)具有如下三方面優(yōu)勢，為運營商提供了一張“電信級”室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)。

（1）低成本：藍(lán)牙定位信標(biāo)集成在室分天線內(nèi)部，運營商在搭建室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)過程中同時完成了室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)搭建，大幅降低了施工安裝成本。

（2）高可靠：藍(lán)牙定位信標(biāo)集成在室分天線內(nèi)部，有效避免了人為損害的情況，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)可以實時監(jiān)控藍(lán)牙信標(biāo)工作狀態(tài)，確保定位網(wǎng)絡(luò)正常運行。

（3）長壽命：室分天線內(nèi)部有大量空間用于安裝大容量電池組件，確保藍(lán)牙定位信標(biāo)長期正常工作，延長室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)使用壽命。

3.3 室內(nèi)弱覆蓋分析

內(nèi)置藍(lán)牙定位信標(biāo)的智慧室分天線提供了室內(nèi)位置信息，終端借助時間戳將收集到的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)與室內(nèi)位置相關(guān)聯(lián)，最終獲得室內(nèi)弱覆蓋分析數(shù)據(jù)。如表3所示，假設(shè)某一時刻，終端收集到三個藍(lán)牙定位信標(biāo)的MAC地址和RSSI（Received Signal Strength Indication，接收信號強度指示）值，以及網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)RSRP和SINR。根據(jù)小區(qū)定位原理，RSSI值越大表示距離對應(yīng)藍(lán)牙信標(biāo)位置越近，可以近似看作屬于該小區(qū)范圍內(nèi)。根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，T1時刻終端處于藍(lán)牙信標(biāo)1的小區(qū)范圍內(nèi)，獲得的RSRP1和SINR1對應(yīng)該小區(qū)網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)?；谏鲜龇桨?，室內(nèi)弱覆蓋分析精度從原先建筑物級別大幅提升到室分天線級別，提升了室內(nèi)弱覆蓋分析精度。

4 智慧室分系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用效果

4.1 室分系統(tǒng)故障監(jiān)控

智慧室分系統(tǒng)僅需要更換系統(tǒng)末端室分天線，施工便捷，目前已經(jīng)應(yīng)用于全國9個省份的實際現(xiàn)網(wǎng)中，累計安裝561副智慧室分天線，發(fā)現(xiàn)了27處現(xiàn)網(wǎng)無源器件故障，充分驗證了監(jiān)控效果。考慮到無源分布系統(tǒng)從信源至室分天線口的鏈路損耗通常不大于27 dB[11]，智慧室分系統(tǒng)最大可支持的鏈路損耗值為30 dB，留出3 dB設(shè)計余量?？紤]引入智慧室分系統(tǒng)后不要影響現(xiàn)網(wǎng)KPI（Key Performance Indicator，關(guān)鍵性能指示）指標(biāo)，智慧室分天線的技術(shù)指標(biāo)（例如不圓度、駐波、互調(diào)等）與現(xiàn)有無源室分天線的技術(shù)指標(biāo)保持一致。表4、表5為某省引入智慧室分系統(tǒng)后，現(xiàn)網(wǎng)2G和4G的KPI指標(biāo)測試數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)智慧室分系統(tǒng)對于現(xiàn)網(wǎng)KPI無影響。

表3 室內(nèi)弱覆蓋收集數(shù)據(jù)

表4 某省引入智慧室分系統(tǒng)前后2G網(wǎng)絡(luò)KPI數(shù)據(jù)對比

表5 某省引入智慧室分系統(tǒng)前后4G網(wǎng)絡(luò)KPI數(shù)據(jù)對比

4.2 室內(nèi)定位能力

智慧室分系統(tǒng)基于BLE技術(shù)可以提供室內(nèi)定位能力，圖4為進行室內(nèi)定位精度測試的室內(nèi)平面圖，其中紅色數(shù)字圓圈（1~18號）為智慧室分天線布放位置，藍(lán)色數(shù)字圓圈（19~37號）為補充測試點位置。通過室內(nèi)路測獲取測量位置數(shù)據(jù)，并與真實位置數(shù)據(jù)進行對比，分析出來1~37號測試點位的室內(nèi)定位精度，如圖5所示。其中，1~18號測試點的誤差均值小于0.1 m，可以看作“好點”；21、22、24、26、29、30、32、33號測試點的誤差均值小于7 m，可以看作“中點”；19、20、23、25、27、28、31、34、35、36、37號測試點的誤差均值大于7 m，可以看作“差點”。

圖4 室內(nèi)定位精度測試環(huán)境地圖

圖5 室內(nèi)定位精度測試結(jié)果

4.3 室內(nèi)弱覆蓋分析

基于智慧室分系統(tǒng)提供的室內(nèi)位置錨點信息，通過智能終端就可以實現(xiàn)室內(nèi)弱覆蓋數(shù)據(jù)收集，某省測試結(jié)果如圖6所示。以收集到BLE廣播信號的RSSI值為判斷依據(jù)，路測數(shù)據(jù)被分配到對應(yīng)智慧室分天線覆蓋區(qū)域內(nèi)，可以獲取到每個室分天線附近的信號覆蓋情況，相比現(xiàn)有方案其分析精度大為提升，可指導(dǎo)現(xiàn)網(wǎng)人員進行室內(nèi)弱覆蓋排障，大幅提升了弱覆蓋定位效率。

圖6 某省室內(nèi)弱覆蓋測試結(jié)果

4.4 經(jīng)濟效益測算

根據(jù)某省反饋情況，智慧室分系統(tǒng)從維護和優(yōu)化方面降低了人工成本，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益。按照普通規(guī)模的室內(nèi)站點代維巡檢以及室分故障排查的費用測算，一年費用約為2500元，人工優(yōu)化測試費用一年500元左右，按照全區(qū)5000多個室分站點測算，每年可以節(jié)約人工維護成本約150萬元。

5 結(jié)束語

本論文分析了智慧室分系統(tǒng)提供的室分系統(tǒng)故障監(jiān)控、室內(nèi)定位能力和室內(nèi)弱覆蓋分析三個主要功能，介紹了三個現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用案例，驗證了智慧室分系統(tǒng)為運營商帶來的實際收益。由于更換天線改造成本大，建議在新建場景中引入智慧室分系統(tǒng)，對于重點保障場景，可以進行局部改造以提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保障能力?，F(xiàn)階段室內(nèi)定位和弱覆蓋分析還需要通過終端APP支持，目前3GPP TS 37.320、36.331和36.306 R15版本已經(jīng)完成了室內(nèi)MDT標(biāo)準(zhǔn)工作，未來商用終端可以通過信令層面上報位置信息。

面向運營商5G建網(wǎng)需求，智慧室分提供的室分系統(tǒng)故障監(jiān)控功能可以提高運營商對于室分系統(tǒng)質(zhì)量的監(jiān)控能力，提升室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量；室內(nèi)定位能力可以幫助運營商轉(zhuǎn)型為室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商，為室內(nèi)大數(shù)據(jù)挖掘儲備位置能力；室內(nèi)弱覆蓋分析能力可以幫助運營商精細(xì)化分析室內(nèi)覆蓋質(zhì)量，不斷提升室內(nèi)覆蓋質(zhì)量。