基于扩展型皮基站的5G和家宽融合解决方案研究_缪子晖.pdf

7运营与应用2023.02 广东通信技术DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2023.02.002基于扩展型皮基站的 5G 和家宽融合解决方案研究缪子晖黄泽波贾晓光为解决室内无线信号覆盖需求，运营商通常采用新建室内分布系统的建设方案，然而由于无线和有线专业分工细化，各自规划和建设，存在多次进场施工的情况，带来楼宇物业协调难度大、光缆施工难度大、信号覆盖受阻等问题。为解决以上问题，对一种基于对扩展型皮基站进行改造实现 5G 和家宽融合的方案进行了研究。该方案在最大程度上利用现网存量光缆资源，以低成本的方案实现室内 5G 和家宽信号的同时接入，一方面可提升网络建设效率和节省建设成本，另一方面 5G 和家宽融合也有利于智慧家庭业务的推广。缪子晖昆士兰大学硕士研究生毕业，现就职于中国移动粤港澳大湾区（广东）创新研究院有限公司，主要从事 4/5G 小基站研发、无线新技术研究。黄泽波暨南大学毕业，现就职于中国移动粤港澳大湾区（广东）创新研究院有限公司，主要从事 4/5G 小基站研发、无线新技术研究。贾晓光北京邮电大学毕业，现就职于中国移动粤港澳大湾区（广东）创新研究院有限公司，主要从事 4/5G 小基站研发、无线新技术研究。关键词：有线无线融合 扩展型皮基站 室分建设 智慧家庭摘要1 引言随着室内用户规模的增加及室内业务的快速增长，住宅等中小型场景的 5G 室内覆盖需求更加急迫。而过去运营商一般分别单独规划与建设无线和有线接入，因此运营商通常需要重复协调入场和多专业的反复建设，导致网络施工难度大，部署效率低下。为提升运营商的网络建设效率，本文结合中低容量室内场景，提出了一种基于扩展型皮基站的 5G 和家宽融合解决方案，可复用同一纤芯实现5G 与家宽的同时接入，大大提升网络建设效率和节省建设成本。2 当前运营商室内覆盖建设的特点与存在问题5G 模组技术逐渐成熟，其价格逐渐下降，这带来了5G 终端连接数的爆发式增长。数据表明，5G 终端连接数达到了 3.65 亿，并且继续高速增长，这意味着 5G 基站建8运营与应用运 营 与 应 用设持续推进。根据工信部数据，尽管 5G 宏基站已经基本实现 5G 信号的室外广度连片覆盖，但室内的深度覆盖仍存在巨大的发展空间。从广度覆盖推进到深度覆盖，才能满足爆炸式增长的 5G 终端连接数的应用需求1。考虑业主或物业提出的美观要求，运营商在部署 5G室内覆盖天线等设备时往往会碰到物业协调和施工受阻等难题，除了如商场、场馆等大型开放场景，室内分布系统天线大部分只能部署在走廊区域，无法深入房间。根据工信部数据，我国家宽普及率已达到 96%。若能够复用已有的入户光纤资源，通过更换原有的无线路由器，实现 5G和家宽信号的同时输出，既可实现有效解决管道光纤资源匮乏、天线施工不美观、信号无法入户等问题，也可提升投资效益，达成降本增效目标。3 扩展型皮基站的 5G 和家宽融合解决方案采用扩展型皮基站是用于室内覆盖的一种相对成熟的解决方案，其需要新增基带单元、交换单元和射频单元，通常情况下基带单元与交换单元之间采用光纤连接，交换单元和射频单元之间采用网线连接，施工改造难度不高，成本中等2。由于支持的连接用户数稍低，对比其建设成本，扩展型皮基站更适用于中低容量中小型场景的室内覆盖。针对此类中小型场景，运营商通常将要部署或者已经部署了光纤资源，因此，若能够充分利用已有的入户光纤资源，将 5G 和家宽信号复用到同根光纤中传输，将射频单元同时集成 5G、ONU 和无线路由器等功能，将能实现无线和家宽信号同时入户。我国现在较高的光纤入户普及率，那么可以通过复用光纤，来为基于扩展型皮基站建设5G 信号的室内覆盖提供了极大的便利3。O-RAN 的系统架构及定义指出，扩展型皮基站是未来实现运营商白盒化发展的重要形式及通用硬件。扩展型皮基站复用 PON 网络的这种实现回传方式，可实现 5G 灵活快速建网，缩短建设施工周期4。结合运营商目前的网络现状，为解决 5G 规划部署过程中遇到的种种问题，本文探讨并提出了一种基于扩展型皮基站的 5G 和家宽融合解决方案。3.1 基本原理本文所述的 5G 和家宽融合解决方案，是基于对扩展型皮基站（包括基带单元、交换单元和射频单元三级架构）的改进5。如图 1 所示，基带单元 BU 安装在 OLT 机房内，交换单元 EU 安装于分光器弱电间内，用户家中的光猫替换为一个融合 ONU、WIFI 和 IPTV 功能的 5G 射频头端 RU。另外，在原 EU 单元上增加一个 PON 信号合路点，使入户光纤同时能够传输 5G 信号和家宽。在家庭端处增加一个 RU 单元，这个 RU 单元即为集成 ONU、5G、WIFI、IPTV 等功能的 5G 射频头端。这种架构的改进，可以实现 5G 信号和家宽的传输和发射。这种技术改进方法无须新增或改动光纤。图 1 基于扩展型皮基站的融合改造原理框图3.2 系统方案设计基于上述对扩展型皮基站的融合改造原理，结合GPON 链路的特点，以及现有的家宽等有线资源的现状，提出一种新的网络系统设计方案。该方案能够在不改变现有 GPON 网络的情况下，将 RU 部署到家庭等中小型场景中，可以实现 5G 信号和家宽等已有部署的光纤信号共用1 根光纤输出。具体网络设计方案如图 2 所示。图 2 5G 和家宽融合改造方案设计图为了进一步阐述图 2 中的系统方案具体设计，结合上述基本原理，对方案作以下详述。首先，在传输机房中建立 5G BU 基站，5G BU 基站接入 5G 核心网和宽带业务数据光纤，5G BU 基站分别对 5G 业务和宽带业务分别处9运营与应用基于扩展型皮基站的 5G 和家宽融合解决方案研究2023.02 广东通信技术理后重新组帧与分布式下一级设备 EU 进行通信。5G 设备采用 option7-2 架构，5G BU 与分布式下一级设备 EU 通信使用光纤以太网协议，每个 5G BU 有 4 个光口，可以带 4个 5G 双通道小区。通过光纤将 5G 和宽带业务拉远传输到需要 5G 覆盖的小区，在进入户的竖井或弱电井中增加光宽 5G 融合扩展设备 EU。每个 EU 有 12 个向下分发的光口，其中 1 个光口可以作为级联光口，可以向下再级联一级 EU，这样一个 BU 最大可以接入 92 个入户 RU 设备。该方案可以实现同一根入户光纤同时为家庭提供 5G无线信号和家庭宽带等有线业务。该方案的亮点在于 5G信号和光宽信号采用合波方式，RU 融合 5G 和 ONU、IPTV、WiFi 功能。此外，在硬件设计上，BU 采用标准1U 服务器结构，可安装在室内或有防护能力的室外机柜中。EU 是一个标准的 19 英寸宽、1U 高版本的小型化盒式设备，可安装在室内、弱电井或有防护能力的室外机柜中。而 RU 采用模块化结构，对外接口简洁，指示灯集中在正面，可摆放在室内。3.3 系统设计性能验证3.3.1 现网试点方案设计为了验证系统设计的性能表现，本方案于 2021 年 12月于深圳市福田区嘉洲富苑试点应用。基于现有家庭宽带系统，增加 BU、EU 设备。其中，BU 设备安装于 B3F 机房，EU 设备安装与 13F 弱电井，并用融合 WIFI、ONU和 IPTV 的 5G RU 设备替换原光猫设备。该试点处的系统改造施工原理图如图 3 所示。设备安装点位于客厅，系原室内覆盖最弱区域。在升级改造前，室内 5G 覆盖偏弱，存在宏站干扰，且部分区域存在覆盖效果较差，并存在盲区。现网升级改造后，新的系统设计方案能够使室内 5G 覆盖 RSRP 由平均-95 dBm 提升为平均-80 dBm 左右，且 SINR 均在 24 左右，并使得综合覆率达到 100%，覆盖效果良好，特别是原室内覆盖最弱的客厅区域的信号情况有了极大改善。室内下载速率平均提升31.03%，上传速率平均提升34.43%，速率提升效果显著。EPSFB 语音总体感知良好，室内外切换测试正常。图 3 试点应用实地改造施工原理图图 4 改造试点前后信号强度打点图此外，经调试，在进行改造升级后，家庭宽带等功能可正常使用，对正常原有业务无影响。WIFI 功能经测试正常，通过在近点位与远点位分别测试，测得改造后近点位 WIFI 场强-32 dBm，远点位 WIFI 场强-48 dBm，与改造前近点位 WIFI 场强-31 dBm，远点位 WIFI 场强-48 dBm，改造前后近乎无差别。IPTV 功能正常，经测试，连续 3 小时播放电视直播节目，无卡顿。结合室内场景的房屋结构及用户通常的使用习惯，此处的“近点位”为距离 RU 单元直视可见、且相距 2 到 3 m 的范围，在本次试点测试中，为此试点安装 RU 设备的客厅；“远点位”为距离 RU 单元直视不可见（如隔墙）、且相距 3 到 5 m 的范围，在本次试点测试中，为靠近客厅的房间，即“房间图 5 试点各房间改造前后信号强度对比3.3.2 试点测试情况改造前后相关信号强弱对比如图 4、图 5 所示。5G RU 10运营与应用运 营 与 应 用3.4 方案试点测试结果分析在深圳市福田区嘉洲富苑的现网试点测试，充分验证了该方案的技术优势。首先，本方案可实现有线无线的协同规划建设，一次进场实现 5G 和家宽网络的开通，还可以将 ONU、无线路由器、IPTV 盒子和无线设备集成在一起，减少家庭场景的设备类型和数量，便于设备管理。其次，通过现网试点的信号强度测试前后对比，不难发现，有家宽但手机信号弱的存量楼宇场景，通过改造，在弱覆盖区域新增 5G RU，即可显著提升 5G 信号强度。但由于5G RU 为小信号覆盖，从试点的 3 个房间的信号强度的提升幅度中可以发现，信号存在明显的穿墙损耗，因此本方案主要适用于住宅与部分中小型场所的室内 5G 信号提升。3.5 使用场景建议本方案于深圳市住宅场景的试点，完成了方案设计、现网施工及测试。测试 5G 无线、WIFI 和 IPTV 等各项指标均满足预期，并取得良好效果。后续可广泛适用于中低容量室内场景的信号覆盖，譬如家庭住宅、临街商铺、超市、小型写字楼；或用作美容、酒吧、健康中心、麻将馆、茶庄、KTV、电影院、三星级以下酒店、宾馆等餐饮娱乐场所室内信号覆盖提升。4 结束语基于扩展型皮基站的 5G 和家宽融合解决方案，通过复用一根入户光纤，实现有线无线的有机协同。此方案有利于有线无线同步规划和同步建设，避免二次施工，减少物业协调难度，降低网络施工阻力，实现网络快速部署，节省网络投资和建设时间，大大提升了建网效率。在传统家庭网络中，产品类型多、管理难度大，家庭室内存在 ONU、无线路由器、IPTV 盒子、无线主设备和天线等多种设备，故障点多，网络运维和管理难度较大。基于对扩展型皮基站的 5G 和家宽融合解决方案，能够将多种设备集成在一起，减少家庭场景的设备类型和数量，便于设备管理智慧家庭业务的快速推广。未来还可以考虑对方案进行一步迭代升级，在 5G RU 端加入智慧家庭网关功能，利用 5G 高安全性、本地分流和边缘计算特点，提高家庭数据安全性，减少网络数据传输压力。参考文献1 李民.浅析5G时代室内分布系统发展趋势研究J.电子世界,2018(24):42+44.DOI:10.19353/ki.dzsj.2018.24.019.2 彭丽，苏雷，张沛.5G室内覆盖发展浅析J.数据通信,2020(01):7-8+54.3 杜喆，韦炜，张德智.室内场景下的 5G 前传承载方案研究 J.电子技术应用,2020,46(07):24-28.DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.200505.4 吴祖辉，杨一帆，甘浩等.扩展型皮基站室内覆盖应用研究J.广东通信技术,2019,39(12):32-38.5 马颖，史辛宁，程日涛.5G 室内覆盖解决方案研究 C/.5G网络创新研讨会（2019）论文集,2019:184-187.（收稿日期：2022-11-24）1”（如图 4，图 5 所示）。如表 1 所示，系改造升级前后的有关指标对比，含无