劉海濤 ，劉洋 ，馮曉麗 ，宗佳穎

(1.中國電信研究院，北京 102209；2.中國電信集團有限公司，北京 100031)

0 引言

近年來，在信息消費極大增長和生產(chǎn)效率不斷提升的需求驅(qū)動下，移動通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，移動網(wǎng)絡(luò)研究及建設(shè)不斷加速。自2015 年9 月第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP)啟動5G新型無線空口(New Radio，NR)的研究到2021 年我國建成100 萬個5G 基站，僅僅用了6 年時間[1]。同時，伴隨著5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)如火如荼地開展，6G 研究也在產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界提上了日程，在先進的感知技術(shù)、人工智能、通信技術(shù)、新材料和新器件的使能下，移動通信新需求將不斷涌出，推動5G 向6G 演進和發(fā)展。預(yù)計3GPP 將于2025年后啟動6G 國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研制，有望在2030 年實現(xiàn)6G商用[2]。

目前，5G 的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投入主要以室外宏基站為主，而根據(jù)5G 三大業(yè)務(wù)場景需求，預(yù)計將有70%以上的業(yè)務(wù)需求來自室內(nèi)[3]。從6G 的應(yīng)用場景(例如人機交互、觸感互聯(lián)、云擴展現(xiàn)實(Extended Reality，XR)及全息通信等)可以預(yù)估，未來的網(wǎng)絡(luò)需求趨勢將繼續(xù)延續(xù)4G/5G的情況，即大部分的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將發(fā)生于室內(nèi)。所以，6G 的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展也將在5G 基礎(chǔ)上進一步拓展和深化室內(nèi)覆蓋，持續(xù)提升現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)能力，不斷發(fā)掘新的業(yè)務(wù)應(yīng)用，服務(wù)于智能化生活的室內(nèi)覆蓋已成為現(xiàn)在和未來的重要場景。

基于以上背景，在當(dāng)下5G 室內(nèi)覆蓋建設(shè)方興未艾、6G 網(wǎng)絡(luò)研究陸續(xù)開展的時候，綜合考慮后續(xù)室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，即在滿足當(dāng)下應(yīng)用的同時，展望面向6G 需求，使之能夠在一定程度上兼顧到未來的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展訴求，為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的平滑演進打下堅實的基礎(chǔ)，無論是對于建設(shè)高質(zhì)量的5G 室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，還是對于業(yè)界正在熱議的6G 關(guān)鍵技術(shù)研究與選擇都有重要意義。

本文首先介紹5G 室內(nèi)覆蓋現(xiàn)狀，包括主流解決方案，然后根據(jù)6G 網(wǎng)絡(luò)需求分析其應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響，以及可能的演進方向；隨后進一步地面向室內(nèi)覆蓋，梳理相關(guān)6G 關(guān)鍵技術(shù)，展望未來室內(nèi)場景網(wǎng)絡(luò)愿景和可能的技術(shù)演進方向。

1 5G 室內(nèi)覆蓋現(xiàn)狀及6G 展望

雖然當(dāng)前5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)迅速，室外宏基站已經(jīng)大規(guī)模部署，提供了較好的5G 覆蓋，但是針對一般室內(nèi)覆蓋建設(shè)還未大規(guī)模鋪開，若要實現(xiàn)精細化覆蓋還需要進一步網(wǎng)絡(luò)投入。在未來的建設(shè)過程中以及未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)選擇過程中，如果能一定程度上考慮網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的平滑升級，實現(xiàn)部分物理資源的重復(fù)利用，則有利于降低網(wǎng)絡(luò)總擁有成本(Total Cost of Ownership，TCO)，提高資源配置效率，這也是目前全球多家運營商都在持續(xù)探索的道路之一。

目前，5G 室內(nèi)覆蓋解決方案與4G 時代相近，包括宏基站室外覆蓋室內(nèi)、無源室分、有源室分等。其中，由于5G 采用較高頻段部署，室外宏基站覆蓋室內(nèi)的方案性能受限；4G 傳統(tǒng)的無源室分系統(tǒng)對于直接使用高頻段存在改造難、成本高等問題，新建無源室分雖然可以支持3.5 GHz 頻段，在間隔較多場景可發(fā)揮頭端數(shù)量優(yōu)勢，但存在不能有效監(jiān)控管理等問題。相比而言，有源室分方案具有部署方便等優(yōu)勢，不僅能與宏基站搭配部署掃除覆蓋盲區(qū)，還可實現(xiàn)數(shù)字化5G 室內(nèi)覆蓋，滿足服務(wù)的多樣化需求。目前有源室分來主要考慮采用皮基站覆蓋，具體又可以根據(jù)設(shè)備規(guī)格不同劃分為分布式皮基站和擴展型皮基站。

總體上，兩類皮基站方案在形態(tài)上基本相同，如圖1所示，都采用了三級有源分布式架構(gòu)，由基帶處理單元(Building Base band Unit，BBU)、交換機(HUB)及射頻處理單元(Remote Radio Unit，RRU)組成，區(qū)別只是在于產(chǎn)品規(guī)格上有所不同。分布式皮基站針對機場、火車站等大容量的室內(nèi)覆蓋熱點區(qū)域，支持更多的小區(qū)數(shù)和用戶數(shù)；而擴展型皮基站一般針對中低容量場景，支持的小區(qū)數(shù)和用戶數(shù)更少，相應(yīng)的硬件規(guī)格也更低，期望在較低成本下保障覆蓋效果。目前擴展型皮基站的設(shè)備形態(tài)(如圖2 所示)以基于通用硬件為主，其后續(xù)發(fā)展趨勢可與移動邊緣計算(Mobile Edge Computing，MEC)及其他業(yè)務(wù)應(yīng)用共平臺部署形成云化基站形態(tài)，隨著基帶芯片逐步發(fā)展成熟，其組成架構(gòu)中也將引入專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)芯片，形成更低成本低功耗的產(chǎn)品形態(tài)。

圖1 皮基站三級架構(gòu)

圖2 擴展型皮基站設(shè)備形態(tài)舉例

在5G 擴展型皮基站的設(shè)備架構(gòu)可以看出，關(guān)于無線接入網(wǎng)開放的研究與實踐在5G 時代已逐漸興起，無論是基于通用硬件的設(shè)備研發(fā)還是在前傳接口的標(biāo)準(zhǔn)化開放中，都體現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)開放的主旨要素。因此，在考慮室內(nèi)覆蓋的進一步發(fā)展時，也應(yīng)當(dāng)關(guān)注無線網(wǎng)絡(luò)開放組織以及其所期望的開放網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。其中，以開放無線接入網(wǎng)(Open-Radio Access Network，O-RAN)聯(lián)盟及電信基礎(chǔ)設(shè)施項目(Telecom Infra Project，TIP)等為代表，期望新興無線接入網(wǎng)設(shè)備能具備接口開放化、硬件白盒化、軟件開源化和網(wǎng)絡(luò)智能化等特征，以便推動無線接入網(wǎng)架構(gòu)開放與智能[4]。

目前在全球范圍內(nèi)，對于無線網(wǎng)絡(luò)開放設(shè)備的討論受到普遍關(guān)注，運營商、設(shè)備商針對設(shè)備的成本功耗、集成難度以及后期運維提出很多分析和觀點，毋庸置疑的是，產(chǎn)業(yè)鏈正有越來越多的注意力被吸引過來。在無線網(wǎng)絡(luò)開放與智能的研究熱潮中可以看出，由技術(shù)門檻、指標(biāo)要求等先天因素影響，其應(yīng)用場景將主要在室內(nèi)覆蓋領(lǐng)域。從技術(shù)發(fā)展角度，基于通用硬件的網(wǎng)絡(luò)部署將有助于通過軟件升級實現(xiàn)代際更迭，有助于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用的深度融合，接口的開放有助于產(chǎn)業(yè)鏈的繁榮。

2 6G 系統(tǒng)架構(gòu)展望

6G 網(wǎng)絡(luò)受到沉浸式云XR、全息通信、感官互聯(lián)、智能交互、通信感知、智慧內(nèi)生、數(shù)字孿生、全域覆蓋等新業(yè)務(wù)新需求場景的驅(qū)動，需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)技術(shù)(Data Technology，DT)、信息技術(shù)(Information Technology，IT)和通信技術(shù)(Communication Technology，CT)的融合，以聚力驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)變革和能力升級，助力全社會全領(lǐng)域的數(shù)字化智能化發(fā)展。6G 移動網(wǎng)絡(luò)將更充分地引入IT 技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Functions Virtualization，NFV)、容器、軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network，SDN)、基于應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface，API)的能力開放等技術(shù)在系統(tǒng)中獲得充分應(yīng)用[5]，以實現(xiàn)ICDT 的進一步融合發(fā)展，這都將直接導(dǎo)致6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化，尤其是針對新興技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)從外掛式設(shè)計向內(nèi)生設(shè)計的轉(zhuǎn)變。云原生技術(shù)在6G 時代的發(fā)展將促進無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施從核心網(wǎng)到無線接入網(wǎng)的云化進程，將云的思維、架構(gòu)、技術(shù)、特性融合到無線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中。無線接入網(wǎng)將可以采用分布式或者集中式的方式在云端部署，實現(xiàn)網(wǎng)在云中、云網(wǎng)融合，通過無線云網(wǎng)絡(luò)的彈性伸縮、敏捷運維和智能開放，滿足電信業(yè)務(wù)多樣性需求。另外，通過采用去中心化的網(wǎng)絡(luò)和同態(tài)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，以及采用統(tǒng)一的接口協(xié)議體系，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的即插即用。

要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施全面云化，首先要做的是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，特別是在無線接入側(cè)，需要進行網(wǎng)絡(luò)改造，這方面可以參考5G 核心網(wǎng)側(cè)所做的服務(wù)化架構(gòu)(Service Based Architecture，SBA)。為了滿足不同行業(yè)用戶的差異化需求，適應(yīng)新型業(yè)務(wù)快速交付及持續(xù)的迭代更新，5G RAN 已經(jīng)開始了在服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)方面的探索，包括無線架構(gòu)上引入了集中單元(Centralized Unit，CU)和分布單元(Distributed Unit，DU)分離的設(shè)計，CU也通過E1接口實現(xiàn)了控制面/用戶面的分離，但是整體來看依然任重道遠，特別是在網(wǎng)絡(luò)功能模塊化和無狀態(tài)化方面，加上底層虛擬化程度不高，難以支持極低時延的部署，業(yè)務(wù)融合程度較低，這些都約束了無線網(wǎng)絡(luò)提供情境化業(yè)務(wù)的能力[6]。

針對無線接入網(wǎng)進行服務(wù)化改造的進程將深入影響6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展變化，圖3 給出了基于完全虛擬化[7]的服務(wù)化RAN 示例，執(zhí)行傳統(tǒng)協(xié)議棧功能的RAN功能網(wǎng)元通過虛擬化平臺部署在邊緣云上，通過服務(wù)化接口（Service Based Interface，SBI）連接到核心網(wǎng)，屆時傳統(tǒng)意義上的基站形態(tài)將可能只保留天線與射頻部分，為終端提供空口接入。基于這種架構(gòu)，可以有更豐富的組網(wǎng)形態(tài)，資源可以更靈活地編排和定制，通過對多個小區(qū)進行集中調(diào)度和協(xié)調(diào)，實現(xiàn)以業(yè)務(wù)服務(wù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，進而實現(xiàn)移動性和業(yè)務(wù)連續(xù)性大幅增強。總之，這種架構(gòu)有助于最大化地發(fā)揮云網(wǎng)融合的潛能。

圖3 服務(wù)化RAN 示例

3 面向室內(nèi)的6G 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 毫米波及太赫茲通信

面向6G 的關(guān)鍵技術(shù)研究目前主要包括三方面，即6G 新頻段及融合型技術(shù)、6G 無線新空口技術(shù)以及6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在新頻段方面，6G 頻譜需求預(yù)計將在2023年底的世界無線電通信大會(World Radio Communication Conferences，WRC)上正式討論，目前潛在候選頻段中包括太赫茲頻段、毫米波頻段。其中，6G 對超高速率、超大容量的頻譜需求使得毫米波乃至更高的頻段將被充分利用，而隨著產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和成熟，毫米波頻段在6G 時代將發(fā)揮更大作用，其性能和使用效率將大幅提升。太赫茲通信是以太赫茲頻段作為載波實現(xiàn)無線通信的技術(shù)，由于太赫茲頻段具有超大帶寬的頻段資源可供利用，支持超高的通信速率[8]，因此，太赫茲通信被認為是達成6G太比特每秒(Tb/s)通信速率的重要空口技術(shù)備選方案。

與毫米波相比，太赫茲、可見光等更高頻段受傳播特性限制，將重點滿足特定場景的短距離大容量需求?？梢灶A(yù)見到，未來大量對數(shù)據(jù)速率、時延和連接數(shù)等需求呈現(xiàn)數(shù)量級增長的通信業(yè)務(wù)應(yīng)用將在室內(nèi)展開，例如全息通信、高質(zhì)量視頻在線會議、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實、3D 游戲等，而毫米波及太赫茲通信能夠滿足上述技術(shù)需求，可用于為熱點地區(qū)提供超高速網(wǎng)絡(luò)覆蓋，作為宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的補充，提供超寬帶無線通信服務(wù)；再考慮到傳輸損耗及水汽影響和當(dāng)前器件輸出功率發(fā)展的限制，毫米波、太赫茲通信可能更適于先在室內(nèi)場景進行廣泛實踐[9]。

3.2 去蜂窩大規(guī)模天線陣列

無線空口技術(shù)演進方面，針對大規(guī)模天線陣列(Massive Multiple-Input Multiple-output，Massive MIMO)的增強也是熱點之一。針對高容量、高密度的室內(nèi)覆蓋場館，傳統(tǒng)方法通過密集部署室內(nèi)基站以及頻率復(fù)用，提高頻譜資源利用率來滿足高容量需求。但該方式會導(dǎo)致同頻干擾和頻繁的越區(qū)切換問題，并且由于信號衰減，小區(qū)邊緣用戶性能較差。隨著6G 室內(nèi)應(yīng)用規(guī)模和性能要求的增長以及使用頻率的升高，蜂窩架構(gòu)的深度變革是未來值得研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

去蜂窩Massive MIMO 是一種分布式的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，實現(xiàn)以用戶為中心的相干傳輸，以克服蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)間干擾限制，并提供額外的宏分集[10]。具體來看，將大量安裝有一根或多根天線的接入點分布在一定區(qū)域，通過回傳鏈路將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚韱卧⒗孟嗤臅r頻資源為多用戶服務(wù)[11]。分布式大規(guī)模MIMO技術(shù)在5G 已有室內(nèi)場景商用案例，未來去蜂窩大規(guī)模MIMO 技術(shù)可針對接收機算法設(shè)計、信號處理技術(shù)以降低回傳容量要求、準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息、功率控制等方面進行研究[12]，賦能6G 室內(nèi)覆蓋場景。

3.3 新型可重構(gòu)智能表面

在新興技術(shù)方面，可應(yīng)用于室內(nèi)場景的6G 潛在關(guān)鍵技術(shù)之一是可重構(gòu)智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)，它通過對無線信號的可控反射，可以有效提升期望區(qū)域的覆蓋性能。與室外通信場景相比，室內(nèi)的通信環(huán)境更為簡單，通信距離更短，用戶移動性更低，但是無線傳輸面臨著更大的穿透損耗以及更加嚴重的多徑問題。信號能量散開在室內(nèi)空間中，很難實現(xiàn)均勻的覆蓋，不同位置、不同房間的覆蓋性能可能存在較大差異，且難以控制。

RIS 技術(shù)為室內(nèi)覆蓋解決方案提供了一種新的思路。一方面，由于RIS本身由無源或近無源器件組成，且占用空間較小，可以打消人們對于電磁輻射的顧慮；另一方面，RIS 易于部署在室內(nèi)墻面上，不需要額外的布線，且可通過室內(nèi)裝飾的方式呈現(xiàn)，不會有突兀的視覺觀感。通過在室內(nèi)部署多個RIS，可以將室外基站信號反射到各個屋內(nèi)，提升室內(nèi)覆蓋性能。另外，RIS 也可以很好地與其他室內(nèi)覆蓋方案相結(jié)合，作為室內(nèi)覆蓋增強方案的額外補充[13]。由此可見，得益于RIS 低成本、輕體量等特性，可重構(gòu)智能表面在6G 室內(nèi)覆蓋中具備很大的潛力。

3.4 內(nèi)生智能促進云網(wǎng)融合

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，上一節(jié)中討論的5G 室內(nèi)覆蓋現(xiàn)狀以及云化基礎(chǔ)設(shè)施中都指出無線網(wǎng)絡(luò)開放以及無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化在未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中的重要作用，而如果要進一步利用無線接入網(wǎng)的開放數(shù)據(jù)推進本地化業(yè)務(wù)應(yīng)用，以實現(xiàn)無線接入網(wǎng)的能力開放，構(gòu)建新的生態(tài)和以用戶為中心的業(yè)務(wù)體驗，離不開內(nèi)生人工智能(Artificial Intelligence，AI)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。內(nèi)生AI 將充分利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信、計算和感知能力，使得6G 網(wǎng)絡(luò)能夠原生支持各類AI 應(yīng)用。將智能從應(yīng)用和云端走向網(wǎng)絡(luò)，在云網(wǎng)間實現(xiàn)多維資源(包括頻譜、計算、存儲等)的智能適配，將提升總體效能。而當(dāng)云網(wǎng)走向智能融合的時候，處在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的無線接入網(wǎng)也必須考慮對云原生、AI智能化等的內(nèi)生設(shè)計需求[14]，室內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)若要依托邊緣設(shè)施構(gòu)建，需要從6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計初期即開始探索基于開放式架構(gòu)的RAN，并基于此進一步探索內(nèi)生智能的實現(xiàn)方式，將促進云網(wǎng)在部署、架構(gòu)和服務(wù)上的深度融合，賦予6G 網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)覆蓋能力之外廣闊的發(fā)展前景。

4 結(jié)論

隨著我國5G 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)全面鋪開以及5G 商用進程的不斷加快，面向室內(nèi)覆蓋的解決方案已逐步成為熱點問題，其中擴展型皮基站作為無線接入網(wǎng)開放的產(chǎn)業(yè)實踐逐步走進大眾視野。面向未來網(wǎng)絡(luò)演進，無線接入網(wǎng)開放所涉及的云化及智能內(nèi)生等架構(gòu)革新將是6G的重要方向。展望6G 室內(nèi)覆蓋技術(shù)發(fā)展，一方面將是基于現(xiàn)有架構(gòu)面向6G 網(wǎng)絡(luò)需求，通過探索RAN 側(cè)的全面云化和開放，推進邊緣云網(wǎng)融合；另一方面則是關(guān)注6G 關(guān)鍵技術(shù)面向室內(nèi)場景的研究和測試進展，在室內(nèi)覆蓋建設(shè)時，充分考慮未來技術(shù)的引入和兼容，最終實現(xiàn)5G 到6G 網(wǎng)絡(luò)的平滑升級。本文對室內(nèi)覆蓋的現(xiàn)狀進行了總結(jié)與展望，對6G 討論中與室內(nèi)場景密切相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用進行了梳理分析，并展望了未來室內(nèi)場景網(wǎng)絡(luò)愿景和可能的技術(shù)演進方向。