智慧室分系统研究及应用

张欣旺，曹景阳，徐飞，王大鹏，闫渊，王东，许灵军

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

1 引言

伴随着铁塔公司成立，运营商在室外站址资源方面的差异逐渐缩小，室内信号覆盖质量已成为运营商争夺用户的关键因素。据统计，4G时代80%移动业务主要发生在室内环境，考虑到5G时代移动业务的多样性，该数据有望增长到85%[1]，而传统无源分布系统已经无法满足运营商对于室内覆盖网络的智能化需求。

目前室分系统故障多使用驻波仪进行排查，通过分析驻波比发现并定位系统故障点，测试期间需要闭站处理，对于现网正常运行有一定影响[2~3]。业界出现过基于“传感器端子”的监控方案[4~5]，由于每段射频同轴电缆均需要增加“传感器端子”，造成该方案施工复杂，成本高昂，并未得到广泛应用。

室内弱覆盖是无源室分系统的主要问题之一[6]，由于设计不合理、施工不到位，目前室内弱覆盖已经是运营商投诉率的高发区域。目前业界厂家通过MR（Measurement Report，测量报告）+OTT（Over The Top）方式进行室内弱覆盖评估，分析粒度仅为建筑物级别，很难满足网络维护需求。

本文提出了智慧室分系统，继承了无源分布系统的优势，弥补了无源分布系统的劣势，使其可以满足运营商智能化室内网络需求。

2 主流室内覆盖解决方案

目前室内覆盖解决方案主要分为无源方案和有源方案两大类。无源方案以无源分布系统为代表，运营商在2G、3G和4G时代广为使用。2G/3G/4G信源通过合路后馈入无源分布系统，其全部由无源器件组成，包括合路器、功分器、耦合器、负载、射频同轴电缆和室分天线。

有源方案以分布式皮基站系统为代表，适用于大容量、空旷的室内场景[7~8]。信源端由BBU（Base Band Unit，基带单元）和集线器组成，信号末端是有源室分天线，信号传输媒介替换为LAN（Local Area Network，局域网）网线。表1从不同角度对比分析了两种室内覆盖解决方案的优劣势[9]：

表1 无源分布系统与分布式皮基站系统优劣势对比

相比分布式皮基站系统，无源分布系统在系统扩展性、故障率和能耗效率三方面处于优势，在可监控性、室内定位能力和室内弱覆盖分析三方面处于劣势。本文提出了智慧室分系统，其同时具备无源分布系统和分布式皮基站系统共六方面的优势，为运营商提供一种高性价比的室内覆盖解决方案。

3 智慧室分系统及其主要功能

智慧室分系统是将RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）和BLE（Bluetooth Low Energy，低功耗蓝牙）两种智能硬件技术与无源分布系统相融合，使其支持室分系统故障监控、室内定位能力和室内弱覆盖分析，系统架构图如图1所示。相比于无源分布系统，智慧室分系统仅在信源处增加支持RFID和BLE技术的智慧网关，采用支持RFID和BLE通道的新型合路器馈入无源分布系统，并在系统末端处将室分天线替换为支持RFID和BLE的智慧室分天线。对于新建场景而言，系统安装施工量与无源分布系统几乎相同；对于改造场景而言，仅需要替换信源端合路器和末端室分天线，改造施工量很小。

图1 智慧室分系统架构简化示意图

3.1 室分系统故障监控

智慧室分系统基于RFID技术可以提供室分系统故障监控，其原理图如图2所示。智慧网关内部集成RFID读卡器，其发射的轮询信号先后经过新型合路器、耦合器和功分器后送入末端智慧室分天线。智慧室分天线内部集成的RFID标签接收到轮询信号后随即发射应答信号，该信号先后经过功分器、耦合器和新型合路器返回RFID读卡器。由于每个RFID标签具有唯一ID信息，集成了RFID标签的智慧室分天线也具有了唯一ID信息。

中国规定的RFID工作频段分别为840 MHz—845 MHz和920 MHz—925 MHz[10]，而无源分布系统支持频率范围是800 MHz—2700 MHz，完全支持RFID频段。RFID读卡器通过持续发送轮询信号，接收应答信号，判断每个RFID标签是否正常工作，并结合一定拓扑算法定位室分系统故障。针对图2室分系统的特定拓扑图，表2列举了几种可能的故障情况：

图2 室分系统故障监控原理图

3.2 室内定位能力

室内精准定位已经成为开展室内增值业务的基础能力，业界目前大多采用独立放装式蓝牙定位信标，由于缺乏长期供电手段和监控方案，实际定位效果逐年下降，最终沦为“僵尸”网络。通过将蓝牙定位信标与室分天线相集成，运营商的无源分布系统同时具备室内定位能力，图3为基于智慧室分系统的室内定位原理图，智慧网关内部的蓝牙网关可以监控蓝牙信标工作状态，修改其配置信息。

表2 典型故障类型分析

图3 基于智慧室分天线的室内定位原理图

（1）故障1：ANT-1 RFID标签无应答，其余RFID标签有应答，可能故障点为ANT-1天线及其相连的射频同轴电缆。

（2）故障2：ANT-2 RFID标签无应答，其余RFID标签有应答，可能故障点为ANT-2天线及其相连的射频同轴电缆。

（3）故障3：ANT-3 RFID标签无应答，其余RFID标签有应答，可能故障点为ANT-3天线及其相连的射频同轴电缆。

（4）故障4：ANT-1和ANT-2标签无应答，ANT-3标签有应答，考虑到两个天线同时发生故障概率较低，推断其上一级的功分器及其上连同轴电缆发生故障的概率最高。

（5）故障5：ANT-1、ANT-2和ANT-3标签均无应答，考虑到三个天线同时发生故障概率较低，推断其上一级的耦合器及其上连同轴电缆发生故障的概率最高。

智慧室分天线内部集成了蓝牙定位信标，假设目标物体的室内坐标为（x, y），三个智慧室分天线的室内坐标分别为（x1, y1），（x2, y2）和（x3, y3），目标物体通过接收三个蓝牙定位信标发射的广播信号功率值计算出三个相对距离d1，d2和d3，那么根据三边测量法可以计算出目标物体的室内坐标如公式(1)所示：

相比于独立放装式蓝牙定位系统，智慧室分系统具有如下三方面优势，为运营商提供了一张“电信级”室内定位网络。

（1）低成本：蓝牙定位信标集成在室分天线内部，运营商在搭建室内通信网络过程中同时完成了室内定位网络搭建，大幅降低了施工安装成本。

（2）高可靠：蓝牙定位信标集成在室分天线内部，有效避免了人为损害的情况，蓝牙网关可以实时监控蓝牙信标工作状态，确保定位网络正常运行。

（3）长寿命：室分天线内部有大量空间用于安装大容量电池组件，确保蓝牙定位信标长期正常工作，延长室内定位网络使用寿命。

3.3 室内弱覆盖分析

内置蓝牙定位信标的智慧室分天线提供了室内位置信息，终端借助时间戳将收集到的网络性能参数与室内位置相关联，最终获得室内弱覆盖分析数据。如表3所示，假设某一时刻，终端收集到三个蓝牙定位信标的MAC地址和RSSI（Received Signal Strength Indication，接收信号强度指示）值，以及网络性能参数RSRP和SINR。根据小区定位原理，RSSI值越大表示距离对应蓝牙信标位置越近，可以近似看作属于该小区范围内。根据表3数据可知，T1时刻终端处于蓝牙信标1的小区范围内，获得的RSRP1和SINR1对应该小区网络性能参数。基于上述方案，室内弱覆盖分析精度从原先建筑物级别大幅提升到室分天线级别，提升了室内弱覆盖分析精度。

4 智慧室分系统现网应用效果

4.1 室分系统故障监控

智慧室分系统仅需要更换系统末端室分天线，施工便捷，目前已经应用于全国9个省份的实际现网中，累计安装561副智慧室分天线，发现了27处现网无源器件故障，充分验证了监控效果。考虑到无源分布系统从信源至室分天线口的链路损耗通常不大于27 dB[11]，智慧室分系统最大可支持的链路损耗值为30 dB，留出3 dB设计余量。考虑引入智慧室分系统后不要影响现网KPI（Key Performance Indicator，关键性能指示）指标，智慧室分天线的技术指标（例如不圆度、驻波、互调等）与现有无源室分天线的技术指标保持一致。表4、表5为某省引入智慧室分系统后，现网2G和4G的KPI指标测试数据对比，可以发现智慧室分系统对于现网KPI无影响。

表3 室内弱覆盖收集数据

表4 某省引入智慧室分系统前后2G网络KPI数据对比

表5 某省引入智慧室分系统前后4G网络KPI数据对比

4.2 室内定位能力

智慧室分系统基于BLE技术可以提供室内定位能力，图4为进行室内定位精度测试的室内平面图，其中红色数字圆圈（1~18号）为智慧室分天线布放位置，蓝色数字圆圈（19~37号）为补充测试点位置。通过室内路测获取测量位置数据，并与真实位置数据进行对比，分析出来1~37号测试点位的室内定位精度，如图5所示。其中，1~18号测试点的误差均值小于0.1 m，可以看作“好点”；21、22、24、26、29、30、32、33号测试点的误差均值小于7 m，可以看作“中点”；19、20、23、25、27、28、31、34、35、36、37号测试点的误差均值大于7 m，可以看作“差点”。

图4 室内定位精度测试环境地图

图5 室内定位精度测试结果

4.3 室内弱覆盖分析

基于智慧室分系统提供的室内位置锚点信息，通过智能终端就可以实现室内弱覆盖数据收集，某省测试结果如图6所示。以收集到BLE广播信号的RSSI值为判断依据，路测数据被分配到对应智慧室分天线覆盖区域内，可以获取到每个室分天线附近的信号覆盖情况，相比现有方案其分析精度大为提升，可指导现网人员进行室内弱覆盖排障，大幅提升了弱覆盖定位效率。

图6 某省室内弱覆盖测试结果

4.4 经济效益测算

根据某省反馈情况，智慧室分系统从维护和优化方面降低了人工成本，产生了较好的经济效益。按照普通规模的室内站点代维巡检以及室分故障排查的费用测算，一年费用约为2500元，人工优化测试费用一年500元左右，按照全区5000多个室分站点测算，每年可以节约人工维护成本约150万元。

5 结束语

本论文分析了智慧室分系统提供的室分系统故障监控、室内定位能力和室内弱覆盖分析三个主要功能，介绍了三个现网应用案例，验证了智慧室分系统为运营商带来的实际收益。由于更换天线改造成本大，建议在新建场景中引入智慧室分系统，对于重点保障场景，可以进行局部改造以提升网络质量保障能力。现阶段室内定位和弱覆盖分析还需要通过终端APP支持，目前3GPP TS 37.320、36.331和36.306 R15版本已经完成了室内MDT标准工作，未来商用终端可以通过信令层面上报位置信息。

面向运营商5G建网需求，智慧室分提供的室分系统故障监控功能可以提高运营商对于室分系统质量的监控能力，提升室内覆盖网络质量；室内定位能力可以帮助运营商转型为室内定位网络服务商，为室内大数据挖掘储备位置能力；室内弱覆盖分析能力可以帮助运营商精细化分析室内覆盖质量，不断提升室内覆盖质量。