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5G室内数字化发展规划及建议

作者:中国储能网新闻中心 来源:通信世界网 发布时间:2020-03-23 浏览:
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随着5G网络的商用化部署和5G行业应用的深入开展,越来越多的业务发生在室内,这对运营商室内网络覆盖、速率和容量提出巨大需求,传统室内分布系统难以满足日益增长的业务需求,运营商亟需通过室内数字化网络部署提升业务服务能力。

在网络强国战略和提速降费要求下,运营商需要探索新的网络建设和运营模式,提升5G网络的效益和资产运行效率,网络共建共享成为电信运营商5G运营新模式,室内网络共享也对数字化室分产业带来了新的需求和挑战。当前数字化室分产业尚处于发展初期,需要行业和运营商联合推进产业的繁荣发展。

两大需求驱动室内数字化产业发展

需求一:业务需求

移动互联网的高速发展带来了流量需求的持续爆发性增长。新业务层出不穷,网络高清视频、小视频应用、物联网、AR/VR等应用的兴起,对网络流量及带宽提出巨大的需求。伴随5G业务种类持续增多和行业边界不断扩展,新增各种应用需求包括智能家居、智慧城市、AR/VR、自动驾驶、远程医疗、工业自动化、游戏云应用、高可靠应用、超高清视频等,这些业务大多发生在室内场景。

根据业界预测和实际统计,未来超过80%的业务发生在室内场景,例如无线工厂、触觉互联网、移动AR/VR、同步视频等,这些业务对网络的带宽、速率、时延、可靠性等方面都提出了较高的要求,现有的传统室内分布系统网络难以满足多样化的业务需求,需要通过室内数字化技术方案满足日益增长的数据业务需求。

需求二:网络演进

移动通信系统的发展呈现出由低频向高频、由窄带向宽带演进的趋势,从800MHz/900MHz的2G通信系统到2.6GHz/3.5GHz及未来可能的26GHz毫米波频段的5G系统,从2G系统的200KHz带宽到3G的5MHz,再到4G的20MHz以及5G系统的100MHz和毫米波的200MHz及400MHz带宽,系统带宽和频率高度持续提升,这也对室内覆盖带来了巨大挑战。

首先,更高频段带来了传统蜂窝组网下覆盖能力不足的问题,在用传统室外宏站来覆盖室内场景的时候面临更大的链路损耗问题,导致室内深度覆盖严重不足;其次,对于传统的室内射频分布系统而言,更高的频率带来了更大的链路损耗,越来越多的能量浪费在线缆和器件损耗上,造成了覆盖效率的低下;最后,传统射频分布系统也带来了多通道部署的局限性,从而使得5G高阶MIMO的增益难以发挥,室内系统的速率和容量较低,难以满足大带宽、高容量场景的部署需求。

为了满足室内业务的需求,运营商需要考虑多样的部署方案,包括数字化室分设备、现有频率重耕合路DAS系统、社会化小站等。但是越来越多的场景为满足5G业务需求及保证用户口碑,需要通过室内数字化产品进行覆盖。

室内数字化产品呈现五大发展趋势

设备宽带化

为应对5G典型室内业务对移动网络的大带宽需求,如初级AR要求下行带宽50Mbit/s、入门级VR要求下行带宽100Mbit/s,室内数字化设备必须满足宽带化的演进需求,原4G数字化室分的20MHz带宽已难以满足eMBB业务高速率和大容量的需求,因此数字化室分设备至少要支持100MHz的系统带宽,以满足室内基础数据业务需求。

随着5G网络共建共享的推进,运营商也提出了在室内200MHz以及300MHz带宽共享的需求,这将进一步推进室内数字化产品的宽带化需求,数字化室分设备需要满足200MHz以及300MHz带宽的共享需求。

产品多样化

室内产品数字化演进是大势所趋,5G数字化室分设备部署规模将明显提升,但多样化室内场景有多样化网络需求,5G数字化室分设备需支持多种形态。

根据业务场景的需求,高价值、高流量大型场景以室内高性能产品为主,具备数字化运营、弹性扩容能力;容量需求适中的中小场景以室内中低性能产品为主;容量需求低的小微场景需要低成本的数字化室分产品。

根据应用场景划分,公共场景需要运营商部署分布式及扩展型微站设备,2B类场景需要企业级微站设备,2H场景需要家庭级微站设备。

根据应用环境划分,空旷场景需要高功率一体化产品,隔断场景需要外接天线型产品,小微场景需要低成本一体化产品等。

室内应用场景的多样化带来了室内数字化产品的多样化,需要结合应用场景推进室内数字化产品的演进。

网络共享化

随着运营商网络覆盖的深入和用户网络质量需求的日益提升,室内网络建设的投资占比越来越高,成为运营商网络投资和建设的主要瓶颈,室内多运营商共享技术可以帮助运营商在建设高性能数字化网络的同时,获得更好的ROI(投资回报率),共享投资成本,同时还可以缓解站址资源短缺和物业协调难度大等问题,同时降低建设和维护成本,因此运营商间网络共享正逐渐成为5G网络建设的新模式。

目前国内多家设备厂商先后推出了室内数字化多运营商共享解决方案,依赖强大的全带宽能力,满足运营商超高速室内移动宽带建网和多个运营商共建共享等多种需求。

管理智能化

5G商用时代的开启使得数据流量激增,面向各垂直行业领域的应用需求,网络复杂度不断提高,给传统的网络运维工作带来巨大挑战,现有的管理模式已经难以适应5G网络部署全面云化、智能化的需求,未来的运维将从关注稳定性、安全性转向应用需求和用户体验,急需引入AI、大数据等新技术,推动网络运维的自动化、智能化发展。

2017年,3GPP在R15引入网络数据分析功能(NWDAF),其有望成为网络功能的AI引擎,同年ETSI成立ZSM工作组,旨在实现自动化智能化网络运维,业界已对应用人工智能技术实现5G网络智能化达成共识。

能力开放化

5G 2B业务的发展,使得网络能力的需求进一步扩大,针对不同的业务类别,其网络能力需要也差异巨大,大带宽、低时延、高精定位、室内导航等都需要网络提升更多的边缘处理能力和业务集成能力,需要将5G网络与MEC、网络切片等技术相结合,支持更灵活的组网和更丰富、优质的业务,提供第三方开发服务满足室内用户的多元化业务需求。同时针对第三方应用开放API接口,有助于吸引到更多的第三方开发者进入室内生态圈中,丰富系统应用形态,形成良性循环,促进室内产业更快、更好发展。

共享经济下,室内数字化建设呈现两种应用模式

运营商间共享模式

国家十三五规划提出“创新、协调、绿色、开放、共享”发展新理念,以共享单车为代表的共享经济在近几年得到了飞速发展,共享经济能够大幅提升社会资源的效率,从而降低整体的资本投入和运营成本。

为响应国家十三五规划的发展新理念,减少网络建设和运营成本,提升5G网络的效益和资产运行效率,国内运营商积极开启了5G网络共建共享的模式,实现互利共赢的发展,同时推进国家绿色经济发展。

目前,运营商网络共建共享主要采用无线接入网共享的方式,该方式支持多运营商共享,为不同运营商配置不同的移动网络号(PLMN ID),用户通过自动识别不同的网络号来分别接入各自的核心网。下面以A、B两家运营商共享方案为例,双方核心网各自独立、基站共享,单个共享基站同时虚拟为A和B两个基站,通过基站回传网络分别接入各自的核心网,同时为双方用户服务(如图1所示)。

图1 接入网络共享方案示意图

接入网共享方案中,虽然在物理上只有一个共享的基站,但在逻辑上同时存在两个逻辑基站和物理核心网,共享双方各自拥有一张逻辑上的端到端可管可控安全的5G网络,网络的开户、计费、策略控制均由归属运营商进行管理。接入网共享方案既保障了共享双方用户和业务的独立性,同时减少了投资占比最大的无线基站设备的数量,使网络建设和运维的成本大幅降低。

面向室内共建共享需求,数字化室分产品应满足接入网络共享功能,能够同时广播多个运营商的PLMN并且根据PLMN进行小区参数及互操作配置功能,同时考虑运营商现有带宽需求,需要支持200MHz及300MHz带宽配置,满足多运营商共建共享需求。

行业共享模式

运营商间的网络共建共享能够最大限度地提升网络建设和运营效率,满足室内用户数字化业务的需求,目前主要针对2C用户和公共场景下的网络覆盖模式。针对2B类行业应用,不同行业客户的需求差异巨大,许多行业对设备和数据的本地化有强烈的需求,更加倾向于自建行业专网的模式,但面临着专网建设成本高、频率资源少、跨地域互通难、运营维护成本高等问题。

5G网络通过端到端切片、边缘云部署、UPF下沉、网络共享等技术为行业专网与公网的融合提供了新的技术方案和共享模式。行业用户可以借助运营商的产业链和运营能力搭建公专一体化的网络,通过自建数字化室分设备实现行业覆盖,共享运营商的频率资源提供高带宽业务保障,控制面通过运营商的核心网实现全程全网的互通,用户面通过UPF下沉及边缘云部署在本地,实现设备和数据的安全可控。运营商通过端到端网络切片实现专用和公网资源的隔离,在满足行业需求的基础上实现公网的覆盖,达到运营商与行业客户之间的双赢。

随着5G网络的大规模部署和行业应用百花齐放,相信未来会有更多的行业共享与合作模式创新,从而推进行业应用更加蓬勃发展。

产业发展仍处初期

需多方协调推进

当前5G数字室分产业尚处于发展的初期,相关技术和产品实现方案主要包括以下3种。

一是基于ASIC架构方案。ASIC即专用集成电路,是为专业用途定制的芯片。ASIC芯片技术所有接口模块(包括控制模块)都连接到一个矩阵式背板上,通过ASIC芯片到ASIC芯片的直接转发,可同时进行多个模块之间的通信,其特点是结构简单专一、性能强、功耗低、尺寸小,主要缺点在于灵活性差、软件可编程能力低,产业相对封闭。

二是基于x86架构方案。此方案由通用的x86服务器和FPGA加速卡实现基站的所有协议栈处理,其中,x86服务器实现NR空口协议栈以及部分物理层功能,FPGA加速卡实现PHY的部分比特级加速功能以及系统同步、授时和前传等功能。其优点在于硬件通用性高,便于和MEC集成,应用扩展能力强,利于和垂直行业应用结合;主要缺点是系统效率偏低,基带单元硬件功耗相对稍高、成本较高。

三是基于SoC架构方案。SoC芯片提供5G NR物理层(PHY)解决方案,上层协议(L2/L3)采用第三方NPU(推荐多核ARM处理器)通过PCIE接口互联,前传通过FPGA与射频前端互联。基带单元硬件功耗相对较低、成本低,其缺点主要是硬件通用性差、应用扩展能力弱。

在5G数字化室分设备产业发展方面,目前产业链尚未成熟完善,主设备厂商依然采用ASIC架构提供高性能的数字化室分设备满足5G初期大容量场景的部署需求,社会化微站厂商缺少ASIC的集成能力,主要采用了x86架构提供扩展型微站设备,目前尚未达到商用化的水平;在4G中广泛应用的SoC方案尚未成熟,还需要进一步的产业推动。

数字化室分产业推进建议

相比采用ASIC和SoC技术方案的4G数字化室分产业链,5G数字化室分产业链发展相对单一,目前主要是基于x86架构向白盒化的演进方向,主要的处理器、FPGA等核心器件主要依赖国际产业链,在国内自主可控方面存在很大不足,目前设备成本和功耗等性能方面也尚未达到大规模商用化的需求,还需要进一步推进相关产业的发展,要从国家和行业的角度推进核心芯片和器件的自主研发,培育自主可控的产业链,推进更加低成本、高效能的产品以满足5G千行百业的应用需求。

数字化基础设施推进建议

5G室内数字化网络的部署不仅是满足运营商面向2C用户的网络覆盖需求,也是面向千行百业的行业数字化转型的重要基础,是网络强国和数字经济战略的重要组成部分,需要国家、行业、运营商协调推进。

随着国家城市化的快速发展,城市楼宇数量巨大,数字化、智能化楼宇需求强烈,但运营商受限于业务与收入增长的“剪刀差”,室内数字化投资建设乏力,仅能聚焦重点城市、重点行业、重要场景下的楼宇覆盖,难以支撑楼宇全覆盖的需求,需要借助国家和行业的力量共同推进室内数字化网络建设。希望在基础设施建设中,我国能将室内数字化通信系统作为基本的建设需求,形成水电气网一步到位的实施模式,通过室内网络共享提供差异化的数字服务,加快国家的数字化发展进程。

随着5G网络的商用化推进和行业应用的深入开展,室内数字化网络建设日益重要,需要加快推进5G数字化设备向宽带化、多样化、共享化、智能化方向演进,推进室内共建共享网络建设。目前,数字化室分产业链尚处于发展初期阶段,需要国家、行业、运营商协力推进,共同促进5G行业发展,加快国家数字化发展进程。

关键字:5G

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