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5G小基站网络架构、技术实现、前景未来你想知道的在这里

  小基站(small cell)是一种从产品形态、发射功率、覆盖范围等方面,都相比传统宏站小得多的基站设备,同时也可以看作是低功率的,既可使用许可频率、也可融合WIFI使用非许可频率接入技术的无线米。

  小基站的特征是:小型化、低发射功率、可控性好、智能化和组网灵活。1)小型化方面,从普遍质量上看,在2-10kg之间;2)发射功率来看,一般在50mW—5W之间;3)组网方式来看,支持包括DSL/光纤/WLAN及蜂窝技术在内的多种技术的回传;4)智能化方面,还具备自动邻区识别、自配置等SON功能。

  目前市场上对小基站的分类主要有两种分法:1)按照功率(覆盖范围与功率成正相关),主要分为微基站、皮基站、家庭基站这几种,不同功率大小对应不同覆盖范围;2)按照设备形态,主要分为一体化基站和分布式基站,这里面的主要区别是,通常情况下,一体化基站包括三部分:基带处理单元(BBU)+射频处理单元(RRU)+天馈系统,而分布式基站通常就指小型RRU,需要连接BBU才能使用。

  宏基站的难题。1)宏基站信号存在弱覆盖或者盲点区域,无信号或质量差,不能满足正常需求。宏基站一般位于楼顶和铁塔等高处,但常常受到建筑物、树木的影响,覆盖效果不均匀,且随着信号频率的提升,移动4G乃至未来的5G信号穿透能力更弱,使得信号通过建筑物后衰减的厉害,从而造成大量弱覆盖区域、盲点,这些地方要么无信号,要么信号质量差,无法满足用户正常需求;从用户对国内某运营商的投诉调查来看,无信号和信号质量差占投诉的比重高达80%,说明解决弱覆盖、覆盖盲点,保证建筑密集区的信号质量为运营商首要、主要的问题。2)热点区域容量不足。流量需求本身就存在不均衡性,这是由人的活动分布不均衡造成的。在热点区域,如球场、商场、飞机场、酒店等人群密集、流量需求远高于普通地域的区域,哪怕不存在信号衰减问题,覆盖此区域的宏基站也很难提供足够的流量满足需求。3)然而很难通过密集部署宏基站的方式去解决上述问题。主要原因为:宏基站站址选择需要考虑基站的物理位置、基站的机房要求、基站的天面要求,建站选址困难,物业协调建网成本高,面临传统设备安装位置受限、敷设传输困难、天面资源紧张等难题,导致站址资源有限且珍贵,尤其是在人群密集区,更是难以获取站址。

  小基站解决宏基站的难题。小基站体积小,部署灵活,不用局限于宏基站的站址问题,可以灵活的部署在人群建筑密集的地方,可以有针对的性的补充宏基站信号弱覆盖区域、覆盖盲点,保证信号质量;在热点区域,小基站由于功率小,可以在更小的范围内实行频率复用,提升容量,帮助宏基站分流。

  小基站(Small Cell)脱胎于家庭基站(Femtocell)。而家庭基站诞生的原因与背景如下:随着2G向3G的过渡,1)一方面,信号载波频率由原来的900Mhz(主要指GSM900)提升到2Ghz,载频的大幅提升,造成空间损耗、建筑损耗也大幅提升(损耗与载波频率呈正相关关系),使得室外基站原本可以覆盖到的很多室内区域成为盲区,同时由于3G采用的CDMA所特有的呼吸效应(即随着业务量的增多,单个基站的覆盖范围会缩小)也会导致室内服务质量下降;2)另一方面,无论是语音、还是移动数据业务,70%-80%都发生在室内,室内应用成为用户感知的关键指标;3)为了解决室内信号质量问题,同时兼顾到成本、部署难度(如宏基站、传统室分系统部署麻烦),家庭基站应运而生。

  小基站应用范围愈加宽广,产品系列得到丰富。家庭基站诞生后,广受运营商关注,设备制造商纷纷抓紧开发家庭基站产品,但当时市场缺乏统一、标准的解决方案。为了避免不同设备制造商非标准的解决方案造成市场分裂,3GPP于2007年3月开始进行家庭基站标准制定工作。随着标准的制定与家庭基站商用部署的推进,家庭基站逐渐从家庭应用走上企业、城域热点、农村基站等应用场景,家庭基站也渐渐开始演进出功率更大、覆盖范围更广的微基站、皮基站等,发展到现在,就将这一系列的基站统称为小基站。

  追溯完小基站的起源,我们进一步梳理小基站自诞生以来其市场的发展情况。先分析国外,再分析国内。

  从国外来看,小基站市场自3G中崛起,快速增长,全面超越宏基站。小基站自2007年9月在美国商用,自2009年起,英国、西班牙、卡塔尔、意大利等多个国家推出相关业务,至2011年6月,全球3G小基站数量(230万)就已经超过3G宏基站数量(160万),2012年底,全球小基站部署数量累积近640万台,其中美国Sprint建设90万台、AT&T建设60万台,日本软银建设超过12万台。根据小基站论坛统计数据,截止2015年全球小基站出货量达到1330万台,2015年小基站收入达到10亿美元。

  从国内来看,小基站在3G中并没有如国外一般得到规模发展,我们认为主要原因是:从3G到4G,中国运营商对国外运营商的快速追赶,压缩了国内3G小基站发展的资源、时间、必要性。

  1)国外运营商包括日本、韩国、美国、英国、瑞典等,普遍从2000—2003年期间开通3G业务,截止到2008年,3G用户具备一定规模,运营商开始重视深度覆盖(2008年,3G用户渗透率,除了日本在80%左右外,其余国家普遍在30%左右),随后直到2010-2012年国外运营商才开始进行4G网络建设。从08年3G用户具备一定规模、小基站开始商用到4G网络开始建设,中间相隔2-4年的时间为3G网络的优化,也即3G小基站的标准的制定、技术的成熟、商用部署的推广空出资源、时间、必要性;而对比国内来看,中国3G网络的建设时间是2009年,落后于国外6-9年,而建立4G的时间是2013年底,落后于国外2-4年,直至今日,整个4G网络的发展已然站到了国际运营商的最前列,在这个快速追赶的过程中,国内3G小基站的发展被绕过去了。换言之,国内在建设完3G后,又马不停蹄的建立4G,一方面运营商将主要精力放在宏网升级上(运营商在室内覆盖上的投资不足10%,而小基站主要用于室内覆盖),另一方面3G用户存在的时间注定不长,转瞬就被4G用户所替代,并不值得精细化的去部署小基站,反而不如待4G宏网广覆盖完成后,再去进行深度覆盖、网络优化。

  2)从小基站的设备商来看,也恰好印证了这一点。国内3G小基站的设备商主要是中小设备商,主要是京信通信、博威、飞烽。其中博威一家小基站的出货量就占到了国内3G小基站出货量的60%,而主流的电信设备商,如华为、中兴并没有太过涉足,也侧面反映了国内3G小基站的发展确实压缩了。

  国外小基站风云再起,从4G+到5G将迎来加速增长。1)以美国运营商为例,小基站在3G起来一波后热度又开始下降,因为运营商纷纷开始部署4G,且到4G中后期,运营商扩容以新增频谱为主(包括购买新的频谱铺设4G,原有频谱的4G重耕),小基站并没有得到规模应用;然而到2015-2016年,美国运营商新增频谱接近尾声,纷纷表示将进一步将以小基站、WIFI等技术来增加网络密度、扩容(Verizon、Sprint均是在2015年报中首次提出)。如前不久Verizon表示2017年预计投资175亿美元。投资将主要用于包括小基站在内的全国4G网络建设和准备未来的5G服务;2)从4G到5G,载波频率大幅提升,热点区域容量成千倍提升,宏基站越发无力应对(覆盖范围小导致其高成本并不显得划算,且站址资源以难以获取),而小基站将会以密集组网的方式成为5G中的主流。如5G中的关键技术高密集组网就是为小基站的规模部署做准备,因此5G到来会真正带动小基站爆发。根据小基站论坛的预测,2018年全球小基站将达5900万个,小基站收入将达50亿美元。相比全球,我们更关心国内小基站市场未来会如何发展。

  就国内而言,我们认为,虽然3G时代小基站被绕过了,但是从4G到5G,小基站或将必不可少,当前时点,4G广覆盖进入尾声,深度覆盖逐渐成为运营商的重点战略之一,小基站开始登上主流舞台,具体原因如下:1)当前时点,4G宏网建设逐渐结束,国内运营商站到了国际前列,移动流量也迎来爆炸式增长,而主要流量来自于室内,而当前室内覆盖又恰为短板,室内覆盖问题成为影响用户感知的主要因素,因此加大室内覆盖力度就成为当下运营商工作重点之一,而小基站在室内覆盖具有独特的优势;2)国内3G周期较短,很快进入4G建网周期,小基站布设基本绕过,而4G及5G阶段,小基站的重要性越来越强;3)从设备商的动作态势来看,主流电信设备厂商如华为、中兴并没有过多的涉足3G小基站,却开始涉足4G小基站,这也是看好4G乃至5G小基站发展的重要信号。

  总结言之,我们认为当前时点,4G建设进入后期,5G曙光已现,国内小基站市场迎来快速发展的契机,本篇报告就是分析未来小基站市场的发展,并从中寻找投资机会。

  需求端:4G深度覆盖拉动小基站市场增长,5G网络架构重构驱动 小基站爆发

  过往几年,移动数据流量迎来爆发,过去7年年均增速为85%。增长的主要原因是:1)智能终端普及,包括智能手机、平板等,为流量爆发奠定基础和载体;2)管道方面,4G网络发力,支持更高的传速速率;3)应用消费方面,互联网生活化,同时流量资费下降,基于互联网的应用如视频直播、社交通讯等越来越多,人们对移动数据流量愈发依赖。从应用消费、智能终端到管道技术发力,三者共振,使得移动数据流量爆发。

  未来移动数据流量还会继续爆发。未来随着云计算、大数据技术的发展,企业网、数据中心规模持续扩大、4K视频、虚拟现实、视频直播等应用逐渐成熟,移动数据流量规模继续呈现爆发态势,根据IDC预测,未来5年国内移动数据流量规模年均增速达49%;

  移动数据流量成为收入增长的主要驱动力,运营商全面步入流量经营时代。1)自2015年开始,中国移动数据业务收入首次超过语音业务,且移动上数据业务收入层上涨趋势,而传统语音业务呈下降趋势。联通和电信的收入结构也呈现相同变化,15年联通数据流量同比增长60.1%,移动数据业务收入在移动业务中占比达到42.9%,15年电信用户移动数据流量同比增长108.1%,移动数据收入在移动业务中占比则达到38.4%。移动数据流量业务已然成为运营商最大的一部分收入,也是运营商收入增长的主要驱动力。2)运营商围绕流量进行数字化转型。一方面出于未来流量的重要性,同时为了应对OTT(over the top,通过互联网向客户提供应用服务)的冲击,运营商正逐步进入以流量为主导的业务、盈利模式转变,三大运营商都开始布局流量经营,搭建流量平台,甚至业务延伸至内容应用服务,潜力巨大。

  目前室内占据移动数据流量的主流需求。整个移动数据流量中,室内约占了70%-80%,所以可以推断近几年移动数据流量的高速增长其实主要来自室内移动数据流量的高速增长;尤其是从目前作为提供室内移动信号的主流技术之一的商业WIFI热点来看,其从出现伊始就高速增长的态势能够更直观的体现室内移动数据流量的增长。

  室内移动数据流量一直被压制,存在巨大爆发潜力。以郑州火车站为例,在对室内覆盖系统进行改造后,一个月后,整个火车站用户流量提升了3倍;海拉尔机场在完成室内覆盖系统改造后,一天之内流量提升了4倍;北京首都机场在完成室内改造一年后,移动流量增长27倍;这些室内场所一旦完成室内改造,流量增长速度远高于全国移动流量速度增长平均速度,说明了室内移动流量需求一直被压制,一旦技术条件满足,将爆发巨大潜力。

  室内信号质量很差,是投诉重灾区,是影响用户体验的主要原因。终端用户对在对运营商的投诉中,对室内覆盖的不满占据了80%的比例,投诉的内容主要是无信号、信号质量差。

  室内信号质量差的主要原因是:1)建筑物对信号衰减厉害,尤其是4G以来,信号频率越高,衰减越厉害,且在建筑密集区域,宏基站选址困难,无法大量增加宏基站;2)以前运营商以语言业务为主要收入,室内覆盖投资回报比低,驱动力不强,用在室内的投资只占10%,主要将投资重点放在广覆盖上。

  从市场需求来看,一方面流量变得愈发重要,主要流量来自于室内;另一方面室内信号质量差,为投诉重灾区,远不能满足用户需求;两者合力推动对室内覆盖的需求。

  从运营商角度来看,4G建设已逐渐完成广覆盖,深度覆盖为接下来的竞争重点,而深度覆盖的主要内容就包括室内覆盖。主要逻辑是:未来流量为重点,以流量为基础的商业模式创新(如流量经营、甚至内容服务等)带来主要收入,把握流量至关重要。而流量主要来自于室内,要把握流量,就必须把握室内覆盖。

  中国移动:2015年7月,中国移动表示未来4G的目标是广覆盖的适度领先、连续覆盖的相对领先、深度覆盖的绝对领先。从绝对二字可以看出,深度覆盖成为未来移动4G的重中之重。

  中国联通:自2016年以来,实施聚焦战略,打造匠心网络,即从客户感知出发,精准建网,聚焦用户网络需求度高的重点地区、重点场景,让用户体验到中国联通极速的上网速率和良好的语言通信。中国联通将在139个重点城市、市县城区及重点楼宇尽快实现4G网络质量领先。

  中国电信:15年度,中国电信副总经理高同庆表示4G方面的主要工作是要完成4G全国深度覆盖和4G+网络全国覆盖。

  按照所采用的无线通信技术,室内覆盖技术可分为两大类:基于WIFI的室内覆盖技术、基于3G/4G的室内覆盖技术。而后者又可分为传统室分、小基站技术。目前而言,WIFI占据了主要的移动流量,截止2015年底,69%的智能手机流量来自WIFI。

  简介:WIFI是一种允许电子设备连接到一个无线局域网(wlan)的技术,通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM射频频段。基本原理就是把有线网络信号转换成无线信号,一般通过无线路由器实现,具备WIFI功能的终端便可以接入互联网。WIFI技术所使用的标准是802.11系列,其中目前应用比较广泛的是工作在2.4Ghz的802.11b/g,理想最高速率大约在11mbps\54mbps,而代表未来趋势的802.11ac中,理想最高速率可达到6.93gbps,不过这些理想最高速率是要平摊到同时连接上网的终端上的。室内覆盖范围在30-70米。

  优点:免费、传输速率快、无需布线,不受布线mw,对人体安全。此外终端普及率高,90%的通信终端支持WIFI功能。

  劣势:1)最大的劣势就是用户并发问题,一般的无线路由器只能同时支持一定数量(10-200)的用户连接,当同时上网的用户数量过多,整个网络的质量会下降,经常会出现显示连上WIFI但上不了网的现象,这主要是由WIFI的通信协议CSMA/CA(载波侦听多址接入/碰撞避免 Carrier Sense Multiple Acess/Collosion Avoidance)造成的,也是与LTE最本质的区别。

  2)WIFI的缺点还包括:不支持高速移动、不支持语音业务、安全性低、难以与宏网互操作。WIFI覆盖范围小,当用户终端从一个WIFI热点区域进入另一个WIFI热点区域时,并没有完善的协议机制来保证用户体验,并不能像3G/4G那样做到连续覆盖、无缝衔接、支持终端的移动场景。

  结论分析:就室内覆盖而言,WIFI免费、速率快,但是存在用户并发问题,且不支持高速移动,不支持语音业务、存在安全问题,难以与宏网互操作,适合小型的,并且人口不密集的、且保密性不强、人流量极小的场所。用户并发问题注定了WIFI无法适用于人群密集的地方。

  基于3G/4G的室内覆盖技术主要分为两种:传统DAS(Distribute Antenna System,室内分布系统)、小基站系统。

  传统DAS系统如图18所示,主要有BBU(base band unit,基带处理单元)、RRU(radio remote unit,射频拉远单元)、合路器、功分器、小天线几部分组成。基带信号从BBU出发,通过光纤传输到RRU,将基带光信号转换成射频信号且放大传送出去,通过合路器将不同频段的信号集成,再通过功分器将信号分传到室内不同方位的小天线上。

  然而传统DAS系统存在很多问题:1)施工困难麻烦。信源需要机房等配套设施,设计和施工难度大、周期长,需要多处钻孔走线等,且天线外露,物业协调困难重重;2)无源器件多,故障点多,无法有效监控;某运营商抽样测试了32420个室分站点,问题站点有12878个,占比高达40%;3)支持LTE需进行室分改造,网络演进能力差;4)室内外系统没有协同.

  小基站比DAS更有优势,将替代传统DAS。以基于小基站的华为LampSite系统为例,整个系统分为三部分:BBU、rHub、pRRU。基带信号从BBU出发,经过光纤到达rHub,进行信号的放大与转发,在送入PRRU中转化成无线射频信号发射出去。其中pRRU可同时支持3G/4G/WIFI模式,其内天线R MIMO。相比于传统室分,其优势如下:1)结构简单,施工容易,相比于传统室分系统,器件数量减少80%,施工周期缩短2/3;2)整个系统不存在监控盲区,每个设备的工作状态尽在掌握中;3)扩容方便,小区可远程分裂。在传统室分系统中,一旦要进行小区分裂扩容,每多分裂一个小区,就需要室内改造增加一个RRU,但在LampSite系统中,pRRU的极限状态是One pRRU One Cell,因此可以通过软件配置的方式灵活扩容;4)支持网络演进。pRRU中可支持2G/3G/4G通信制式,甚至可以集成WIFI,支持网络演进,一次部署,长期受益;5)室内外协同自动化。系统可以根据手机邻区测量信息自动增加/删除邻区,依据KPI报告自动调整pRRU导频功率,根据UE历史切换失败原因自动优化调整切换参数。

  从效果上看,以北京首都机场为例,中国联通采用华为的LampSite进行改造,1)从性能上看,部署完够室内无线Mbit/s,接近理论最高值,平均速率也达到100Mbit/s,数倍于DAS性能;2)从建设时间上看,每天只有从凌晨0点到4点四个小时的部署时间,只用了3个月的时间就完成了全部项目,为DAS建设周期的1/3;3)从成本上看,为DAS的90%。

  两相对比,小基站系统对传统DAS系统具有全面优势,符合网络演进的发展,将成为室内覆盖的主流技术。

  WIFI技术免费、传输速率快、无需布线,但存在用户并发问题,不支持高速移动场景,不支持语音业务,与宏网没有协同,更适合与小型化的、人口不密集、人流量小的场所,如家庭;

  小基站无用户并发问题,能与宏网协调,支持高速移动场景,支持语音业务,更适合人口密集,或者人流量大的中大型会所、场馆,如商场、飞机场、火车站等。

  结合上述分析,我们认为未来室内覆盖的主流技术为WIFI与小基站,两者各有对方不可替代的优势,应用场景也将不同,各自占据部分室内覆盖的市场。当前时点,4G进入建设后期,深度覆盖尤其是室内覆盖问题变得愈发重要(室内移动流量被强烈压制,用户投诉多),是绕不过去的,运营商的工作重心也逐渐从广覆盖转移到深度覆盖。从短期来看,4G后期,室内覆盖将会拉动小基站市场快速起来。

  从美国运营商Sprint、AT&T对小基站的应用情况来看,几乎都是先布局家庭级小基站,然后布局企业级小基站。我们分别测算家庭级小基站市场空间、企业级小基站市场空间。

  1)家庭级小基站按每户家庭布局一个小基站测算(以苏州移动于2012-2015年布局3G小基站商用网络为例,布局778个小区,共18万台小基站)。根据西南财经大学中国金融调查研究中心的数据,中国城镇住房约有2.196亿户,其中WIFI、传统室分系统占据部分市场,小基站系统按20%-40%的渗透率计算,约有4392万—8784万套小基站,按单价1000元计算,市场空间约为439.2亿元—878.4亿元。

  2)小基站企业级应用场景主要包括写字楼、餐馆等。目前国内既有建筑面积560亿平方米(按国家住建部2008年统计的中国公共建筑总量约53亿平方米,占建筑总量36%的比例估算),其中住宅面积为474亿平方米(西南财经大学中国金融调查研究中心数据),减去后的建筑面积86亿平方米,主要可以看做企业级用地。根据华为的资料,企业级小基站覆盖范围大概是1256平方米,则测算出企业级小基站市场需求个数为684.7万,按单价1000元计算,市场空间约为68.47亿元。

  具体到国内,对于两块市场,企业级市场相对比较确定,而家庭级小基站市场,还需要进一步看市场反应的效果。所以保守估计,企业级小基站有约68亿元市场空间;乐观估计,如果小基站能在家庭级应用场景中铺展开来,按渗透率20%-40%算,整个小基站市场空间为507.67亿元—946.87亿元。

  2.1 从1G到4G的移动网络架构演变分析——扩容是主要驱动力,方式是横向宏蜂窝小区分裂,纵向微蜂窝网络分层

  整个通信系统的演变中,扩容主要基于两个基本原理:增加频谱、提高频谱使用效率。所有的关键技术都是基于这两个基本原理去实现扩容,而网络架构的演变就是基于提高频谱利用率来扩容。整个通信网络架构,可分为有线网络架构和无线网络架构,我们这里主要研究是无线网络架构,即基站的组网方式。

  要想了解基站组网结构的变化,首先得了解基站组网的基本结构——蜂窝网。自1G以来,整个移动网络架构的变化都是以蜂窝网为基础。

  蜂窝网是贝尔实验室在20世纪70年代提出的蜂窝网的概念,即小区制。其主要原理如图22所示,假设将能用的信号频率分为三组:A、B、C。每一组中有若干个信道,每个信道服务于一个用户,信道的数量决定了可同时服务的用户数量。三组之间的信道互不同频,所以在实际通信过程中并不会产生干扰。图中每一个六边形称之为小区,每个小区的中心放置一个基站,小区即是基站的覆盖范围。每一个小区和相邻小区采用不同的频率组来规避彼此干扰,而在离小区较远的另一个不相邻的小区,由于距离较远,彼此干扰强度低,则可以采用同样的频率组。如此做法最大的好处就是可以实现频率复用,即同一个频段在不同的小区被不同的用户使用,可以大大提升对频带资源的使用效率。

  扩容驱动小区分裂。通常提升系统容量有两个基本方式:增加带宽、提升频谱复用效率。增加带宽由相关机构组织分配,与网络架构关联性不大,这里不做重点讨论;提升频谱复用效率的方法有很多,如改善调制技术、通信协议算法等,落实到蜂窝小区这个层面,主要有两种方式:小区分裂、划分扇区。划分扇区主要与天线的定向有关,与小基站组网结构的变化关联不大,这里暂不讨论;真正与小基站组网结构变化相关的是小区分裂。

  小区分裂的原理如图24所示,将原来的小区再次划分成更小的小区,每一个小区都有自己的基站,并相应的降低天线高度和减少发射功率,如此单位面积的小区数量增多,则单位面积内的频段资源也会增大,整个系统的容量随之上升。

  从1G到4G,对于宏蜂窝结构而言,小区不断分裂,小区的半径越来越小,基站的数量及密度上升。然而小区分裂也有极限,不可能无限制分裂,理由如下:小区太小,同频干扰就会变得严重。所以为了提升系统的容量,除了宏基站本身横向小区分裂,还有纵向网络分层。

  如果说横向小区分裂是将一张网越织越密,那纵向网络分层则是构筑另一张网与原来的网络进行叠加。横向分裂与纵向分层的本质区别就是新建基站所用频段与宏网频段是否独立:小区分裂中,新的小区基站依旧用的是与宏网同样的频段,属于宏网的一部分;而纵向分层中的小区基站则是单独使用不同于宏网的另一段专门的频段(通常与宏网频率正交),保证与宏网信号无干扰,这些基站自己组成另一个网络,采用独立广播信道,与宏网相对独立。

  微蜂窝技术就是纵向网络分层的主要方式。(当然,微蜂窝中也有部分与宏蜂窝工作在相同频段,这类微蜂窝本质上还属于宏蜂窝的一部分,依旧是小区分裂,下文有详细解释)微蜂窝的原理与组成结构与宏蜂窝类似,都是一个基站覆盖一个小区,小区相连形成连续覆盖。不同于宏蜂窝的是:微蜂窝的基站更小,基站天线低于屋顶高度,小区覆盖半径在30-300m,远低于宏蜂窝小区半径。

  微蜂窝与宏蜂窝协同构成多层网络,宏蜂窝进行大面积的覆盖,作为多层网的底层,微蜂窝则小面积连续覆盖叠加在宏蜂窝上,构成多层网的上层。工作方式是两个微蜂窝之间的通信通过切换到宏蜂窝是来实现。一般而言,微蜂窝用在盲点和热点区域。从效果上看,一般对于半径在1km左右的宏蜂窝小区,若在每个扇区的热点采用6-8个半径在100m左右的微蜂窝组成微蜂窝层,就可以使得网络容量提高3-4倍。

  1G时代,只有宏蜂窝;2G/3G/4G时代出现了宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝并存的局面,一方面宏基站的数量一直在增加,另一方面微蜂窝、微微蜂窝的比重也在逐渐加大,结合上述分析,我们可以得到结论:纵观整个无线G的移动网络架构变化路径可以概括如下:不去考虑提高载频、带宽等其他提升容量的技术手段,就基站的网络组成来看,演变的驱动力是提升容量,简言之,就是提升单位面积可用信道数量,或者说提升频率复用的效率,其演变的方式是,一、横向小区分裂,即提升宏基站密度;二、纵向网络分层,基于新的频段,构筑独立的网络与宏网协调使用。

  同时我们可以判断未来网络演变的进一步变化:横向小区分裂为辅,纵向网络分层会成为主要技术手段,承担提升网络容量的重责。原因如下:1)小区分裂有极限,小区小到一定程度,同频信号干扰就会很严重;而微蜂窝基站因为发射功率小,干扰就没那么严重,可以实现更小区域内的频率复用;2)且宏基站站址资源不方便获取,部署困难,微蜂窝基站则可以灵活部署。

  2.2 从4G到5G,移动网络架构该如何演变?——超密集组网驱动小基站爆发

  要了解4G到5G网络架构的变化,首先得了解5G的需求。我国IMT-2020推进组将5G的应用场景主要分为:连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠。

  四种场景分别对应5G的高、低频资源。5G中的频谱资源分为高频、低频。其中的低频资源主要用于连续广覆盖、低时延高可靠、低功耗大连接等应用场景,其主要载体是宏基站;而高频段资源则主要对应于热点高容量(高频意味着可以分配更多带宽),可以明显的看到,相比于3G到4G的微末载频提升,4G到5G有一个10-40倍的大幅度频率提升。而高频对于宏基站而言,覆盖范围太小,使得成本过高,再加上宏基站部署困难,站址资源不容易获取,因此在5G中,高频段资源将不再使用宏基站,微蜂窝将成为主流,形式是以小基站为基本单位,进行超密集组网,即小基站的密集部署。

  超密集组网驱动小基站爆发。1)首先只有小基站才能够密集部署,主要原因是:小基站功率小,同频干扰信号之间的距离压得很低,从而可以提升单位空间内的频段密度;而且小基站体积小,可灵活部署。2)在5G超密集组网场景中,小基站之间的间距很小(10-20米),对比宏基站最短间距也要达到500米,可以测算出,小基站要实现连续覆盖,其数量规模将远远高于宏基站。

  5G小基站市场空间测算。根据工信部官网数据,截止2016年度,我国累积4G用户7.7亿户,覆盖主要用户,对应4G宏基站的数量为263万个。我们假设未来5G宏基站也是这个数据,并以此来测算5G小基站的数量。1)首先根据统计数据,约20%的宏基站承担80%的流量,而小基站密集部署不可能对所有的宏基站进行补充,我们认为主要是对这20%的热点宏基站进行补充;2)测算单个热点宏基站需要多少小基站补充。单个热点宏基站极限距离为500米,小基站密集部署,间距为10-20米(以20米做保守估计),那根据面积测算,单个热点宏基站需要625个小基站;3)但是单个热点宏基站覆盖区域内,不可能所有面积都需要小基站补充,我们假设单个热点宏基站下20%-50%的区域需要小基站补充,则最终测算出市场空间为658-1644亿元。

  就供应端而言,与市场最贴近的就是产品及解决方案。目前国内做小基站产品及解决方案的包括中小设备厂商、主流电信设备厂商、ODM厂商等。以其中的主要代表企业为切入口,分析小基站在供应端的发展情况。代表厂商主要有华为、中兴、大唐移动。整理其小基站相关材料如下:

  华为:华为自2012年左右介入小基站领域,2013年推出AtomCell系列,可应用于室内外覆盖;同样是2013年推出LampSite产品,针对室内覆盖;2014年9月推出LampSite 2.0,2016年推出LampSite3.0,将于2017年下半年向全球市场销售;目前LampSite成为市场上小基站室内覆盖的主流方案之一;2015年,LampSite在新型室内覆盖领域占有90%的市场份额,在全球范围内为超过100家运营商实现规模部署,国内已经进入29个省份,为各地标志性建筑提供优质的4G网络覆盖,其典型的应用案例包括北京首都国际机场、国家大剧院、法国依云皇家酒店、郑州火车站、四川传媒学院等。

  中兴:2012年,中兴通讯业界首家发布4G一体化小基站,提供包括一体化小基站网关/网管在内的全网元端到端解决方案,并率先在无锡移动、浙江移动大规模商用部署Nanocell小基站全网元商用网络;2014年9月,中兴通讯推出Qcell多模多频室内深度覆盖解决方案;2016年新年伊始,中兴通讯迅速启动了江苏、内蒙古、福建、湖南、河南等省份的Nanocell小基站全网元商用网络的部署。

  大唐移动:2014年9月推出NEOsite双模一体化皮基站方案,主要用于能够使网络覆盖半径达到70m,平均下载速率有明显提升,可有效解决了用户的室内覆盖需求。适合底商、营业厅、小型酒店、咖啡馆、便利店等小型企业区域;2015年7月,大唐移动推出Cubesite、Padsite、Pinsite三款小基站产品。Cubesite适合用于城区无机房无站点区域的补充覆盖;padsite主要解决住宅小区、高层楼宇等室内的LTE信号深度覆盖需求;pinsite支持TDD+FDD双模,适合用于高arpu值的大面积、高容量室分场景。

  分析结论:从以上几段材料中,可以得到如下结论:1)小基站应用成熟,亟待运营商规模推广。几家厂商都是从13年左右发布小基站解决方案,而如今华为、中兴的接近于方案已然应用在全国各地很多实际项目中,如华为的小基站解决方案LampSite已成功用于北京首都机场、郑州火车站等,而中兴在2016年迅速启动江苏、内蒙古、福建、湖南、河南等省份的部署,可见国内的小基站应用已然成熟;2)几家的小基站解决方案主要都是针对室内覆盖场景,也印证了室内覆盖为小基站的主要市场。

  中国移动发布小基站建设指导意见,完成第一批小基站集采。2014年底,中国移动发布小基站系统建设指导意见,明确指出:经过前期总部计划建设部、研究院和试点省公司的大力推进和规模试点,4G小基站已基本具备全网规模部署推广的条件。2015年,中国移动启动一体化小基站集采项目,集采规模为96414个。且对比指导意见的内容来看,这一批基站应该是用于数百到数千平米的室内场所覆盖。

  1)2015年4月中国联通正式发布LTE技术创新与网络演进解决方案(LIGHT-Net),主要目的是通过宏微基站紧密协同、网络融合、智能化手段构建灵活、高效、绿色的轻资产精品网络;

  2)LIGHT-Net研究计划可以分为三个步骤,第一阶段,基于干扰协调的LIGHT- Net微站部署:引入微站部署,吸收热点区域的宏网数据流量;引入干扰协调技术,解决小区增多带来的干扰问题。第二阶段,增强协作处理,实现宏微互通:推进宏微小区、微微小区间的协同处理,提升小区边缘覆盖性能和用户接入体验。第三阶段,接入融合,多流合并:理想回传载波聚合、非理想回传双链接技术、宏微间HSAP/LTE异系统多流合并。

  3)研究进度,目前处于第三阶段。通过与华为、中兴、爱立信、诺基亚、贝尔等厂商合作研发,1、截止2015年9月,LIGHT-Net研究计划已推出多个频带、满足室内室外不同应用场景、支持一体化站和分布式多种产品形态的9个系列20个型号产品,以适应实际网络部署中多种场景应用需求;2、截止2016年5月,LIGHT-Net项目计划已完成了多个厂家多款设备内场测试及功能验证,并已在重庆、武汉、长沙、天津等多个城市启动了外场试验评估,并且在5月份Small Cell世界峰会上公布下一步研究计划:立体化组网、密集化协同组网,富形态产品推动,以及能力开放,具体内容如表17所示。

  中国电信打造4G+,合作华为、中兴部署小基站,四川电信率先试用。1)中国电信于2015年8月1日上线G更快,下行峰值速率可达300Mbps,拉动对小基站的部署,华为、中兴等为其提供解决方案;2)四川电信是国内领先部署小基站的试点。其在成都、德阳、绵阳、南充、达州等多个地市的办公楼、医院,工业园区、政企事业单位、星级酒店、交通枢纽等重要室内场景通过华为LampSite 对室内网络进行了数字化升级,截止2016年4月,四川电信在全省部署小蜂窝数量已达到6万只,预计2016年将会达到9万只。此外四川电信还希望以小蜂窝为切入口,提供更多创新的增值应用。如目前已部署的LampSite网络可以实现室内3-5米的定位精度。

  分析结论:1)目前三大运营商都在试水小基站,但侧重点和发展阶段又各有不同。中国移动4G小基站侧重于室内应用,试点阶段已经过去,进入大规模推广阶段,2016年完成了首批一体化皮基站的集采项目;中国联通在小基站方面布局更加深远,其侧重宏蜂窝与微蜂窝的协同组网,显然是为未来5G的部署做准备,其推出的LIGHT-Net计划分为三个阶段,目前已经进入第三阶段;中国电信则是在四川深度试用,不但部署小基站数量领先国内,并且要基于此提供更多的增值应用,构筑生态系统;2)运营商规模化部署小基站趋势明显。中国移动发布指导意见明确表示要规模推广,而中国联通的LIGHT-Net是要构筑囊括宏基站在内的精品网络,电信未来也是要在全国范围内上线G+,且中国电信技术创新中心副主任杨峰义也表示未来要发展宏微协同异构网络,希望可以做十万成片吸热和室内吸热,因此二者未来要在全国范围内规模化部署小基站趋势明显无疑。

  小基站芯片为小基站产业中不可缺少的一环,自2013年开始,各大芯片就厂商就纷纷推出小基站芯片解决方案,然而小基站芯片对研发实力要求较高(通常需要集成载波聚合、集成LTE与WIFI、高容量的基带处理器等功能等),一般都是大芯片厂商如高通、三星、华为、博通等才有实力去做芯片,因此从投资角度来讲,其实投资机会并不大,这里便不做重点讨论。

  小基站设备厂商领域的竞争格局如下:中小设备厂商、主流电信设备厂商、ODM厂商。

  中小设备厂商是最早进入小基站领域,如京信通信、博威(后被邦讯技术收购)、飞烽等就是从3G时代培育起来的主流小基站设备厂商。从前一阵子中国移动4G小基站招标情况来看,目前这类中小设备厂商依旧是主流。这类厂商的优势是:具有前期技术积累优势、客户资源优势、品牌优势,生产工艺成熟,有丰富的项目运作经验和流程优势,能够提供从网关到小基站端到端的产品和方案(网关的作用是连接小基站和核心网);劣势是:后续发展的资金规模、研发实力不见得能跟上主流电信设备厂商。

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