关于后5G时代采用Smallcell解决网络深度覆盖的启示

引言

随着5G商用进程的不断加快，5G的三大应用场景（增强移动宽带eMBB、超可靠低时延通信URLLC和大规模机器通信mMTC）中的各种设备变得互联互通。5G的通信频段主要在3.5GHz及以上的部分，因此如果单纯使用5G宏基站进行设备间的通信，会存在通信范围较短、受遮挡衰减明显等问题。对比宏基站而言，5G小基站(Smallcell)能更加有效改善信号覆盖盲点和覆盖弱的问题，从而增加网络容量和提升用户感知能力。由于5G小基站体积小、易于部署的优点，采用“宏基站为主，小基站为辅”的组网方式是当今乃至未来移动通信组网中实现网络深度可靠覆盖的重要手段。

一、后5G时代网络覆盖现状

2019年为中国5G商用元年，5G给人民的生活带来了巨大的便利。工信部最新数据显示，截至2023年9月底，我国已累计建成开通5G基站318.9万个，覆盖所有地级市城区、县城城区，每万人拥有5G基站数达22.6个，基站总量占全球60%以上。在5G商用四年多的时间里，5G应用涵盖交通、医疗等诸多生活领域。5G通信在北京2022冬奥会赛事直播、新冠肺炎防控、远程医疗、车联网自动驾驶、杭州2023亚运会智能场馆等方面发挥着巨大的作用。

在5G建网初期，网络覆盖注重的是广度，随着用户量的增长，热点地区的流量在高峰期会出现激增，导致用户体验下降。步入5G通信后时代，人们对无线通信的传输速度提出了更高的要求，随着5G高频段的部署，导致5G宏站信号传输出现更大的路径损耗，加上建筑物的阻挡，使得室内5G信号覆盖严重不足。于是便出现了目前的两难困境：一是5G的高频段导致室外宏站信号难以抵达室内，二是5G tob和toc时代越来越多的业务和流量需求发生在室内。而单纯增加宏站覆盖的方式，其建站成本太高。针对如上困境，小基站成为破解5G网络痛点的“利器”，为实现5G深度覆盖提供了新的解决方案。“宏基站为主，小基站为辅”的组网模式是后5G时代主要的网络部署方式。

二、Smallell介绍与应用前景

Smallcell起源于Femtocell。Smallcell论坛和3GPP等国际标准组织对femtocell进行了长期研究，在技术标准方面开展了大量的工作。随着Femtocell从家庭基站应用走向企业、室内热点地区等多种应用场景应用，其名称改为Smallcell。Smallcell继承了Femtocell基本标准，又对各种应用场景和新需求进行了拓展，形成了完善的Smallcell技术标准。Smallcell定义主要有两种：一是在3GPP标准中将其定义为比宏基站具有更低发射功率的低功率设备节点，旨在解决室内外热点场景的容量提升以及应对数据流量的井喷式增长。二是Smallcell论坛将smallcell定义为工作在授权频段，由运营商部署的各种低发射功率、小范围覆盖的无线接入设备，助力宏蜂窝网络的覆盖和容量提升，成为运营商高效利用无线频谱资源和数据分流的有益补充。Smallcell设备形态和应用场景如图1所示。

图1 Smallcell设备形态和应用场景图

如图1所示，通过规模部署Smallcell（包括femtocellmicrocellpicocell）可以解决移动通信网络的室内覆盖、热点覆盖、深度覆盖等问题，弥补宏蜂窝的不足，提升频谱效率，提高网络容量，更好地满足未来移动通信业务的发展需求和提升用户体验。总的来说，Smallcell技术的应用前景非常广阔，可以为各个领域的无线通信提供更好的解决方案，推动数字化和智能化进程。

2022年，专业调研机构ABI Research预测，当Massive MIMO宏站无法满足5G容量需求时，室外小站Smallcell部署将在2025年左右开始增加。ABI Research公司和5G移动网络基础设施行业分析师Fei Liu指出：5G小站与宏站相辅相成，提高了网络容量，并且在信号较弱或不可用的密集人口区域扩大了覆盖范围。作为5G宏站的有效补充，5G小站Smallcell应用越来越普遍。根据小基站论坛（Smallcell Forum, SCF）在《SCF market status report July 2020》报告中预测，2019年至2026年，小基站的数量将保持年均13%增长，从270万个到630万个，累计部署3830万个。其中，电信运营商在城市环境的小基站部署年均增长24%，80%集中在企业、工业和学校的室内。企业部署的小基站将年均增长9%，占总量的68%；乡村和偏远地区部署的小基站将保持在19%的年均增长，主要是服务工业和物联网企业，到2026年将安装95.7万个。

图2 Smallcell小站增长趋势图

三、Smallcell部署场景

Smallcell部署场景非常多样化，协助运营商满足用户随时随地高速通信需求。一些典型应用场景如下：

a) 室内覆盖

Smallcell可以在大型商场、酒店、办公楼等室内场所提供更好的无线覆盖和容量，提高用户体验。

b) 城市街道

Smallcell可以在城市街道、广场等密集区域提供更好的无线覆盖和容量，满足用户的通信需求。

c) 农村和偏远地区

Smallcell可以在农村和偏远地区提供更好的无线覆盖和容量，弥补传统基站的覆盖盲区，提高通信服务质量。

d) 物联网（IoT）

Smallcell可以用于连接物联网设备，为智能城市和智能家居等领域提供更稳定、高效的通信支持。

e) 交通领域

Smallcell可以在地铁、火车站、机场等交通枢纽场所提供更好的无线覆盖和容量，提高用户体验。

f) 工业领域

Smallcell可以在工业园区、工厂等场所提供更好的无线覆盖和容量，支持工业物联网等应用。

g) 医疗领域

Smallcell可以在医院、诊所等场所提供更好的无线覆盖和容量，支持医疗物联网等应用。

四、Smallcell安全隐患

a) 物理安全隐患

Smallcell小站通常安装在室外或者室内的易受接触的位置，容易受到破坏、盗窃或破坏。未经授权的人员可能会干扰或者损坏设备，导致通信服务中断。

b) 数据安全隐患

Smallcell小站可能存储一些敏感的通信数据，如果未经妥善保护，可能会被黑客攻击或者非法获取，造成用户隐私泄露或者通信信息泄露的风险。

c) 频谱安全隐患

未经授权的频谱使用可能导致频谱干扰，影响周围通信设备的正常工作。

d) 网络安全隐患

Smallcell小站连接到网络，可能受到网络攻击，包括DDoS攻击、恶意软件攻击等，导致通信服务中断或者数据泄露。

为了解决这些安全隐患，需要采取诸如以下措施来确保小站安全合规运行：

a) 设备认证与授权：对Smallcell小站进行认证与授权，确保只有授权人员能够访问和操作设备，实施定期密码重置和权限升级，以防止未授权的访问和操作。

b) 采取频率监管等技术手段监管。

c) 定期对Smallcell小站进行合规审查，确保小站的部署和使用符合当地法规和规定。

d) 访问控制与权限管理：实施严格的访问控制和权限管理，对不同人员的访问权限进行分类和限制。

e) 数据传输安全：保护Smallcell小站设备之间的数据传输安全，采用加密技术对数据进行加密，防止数据泄漏和篡改。

五、总结与建议

小基站诞生于3G时代，但随着5G网络的发展正在发挥自己的作用，Smallell技术解决了后5G时代网络深度覆盖的难题，为不同行业和领域提供了更好的无线通信支持和用户体验，成为蜂窝网络基础设施的重要补充。但随着Smallcell的大规模部署与应用，带来的安全风险也日益突出，例如不法分子利用Smallcell小站窃取用户敏感信息，为网络攻击提供了新的手段。为应对小基站带来的安全隐患，应加强对小基站行业的规范和标准，包括小站的位置选择、功率控制、频谱管理等方面的规定，确保小站的合规性和安全性。

参考文献

[1] Gao, Z., Zhang, S. (2022). Encrypted 5G Smallcell Backhaul Traffic Classification Using Deep Learning. In: Su, C., Sakurai, K. (eds) Science of Cyber Security - SciSec 2022 Workshops. SciSec 2022. Communications in Computer and Information Science, vol 1680. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-19-7769-5_2.

[2] 郭宏刚.广电5G室内覆盖分析与研究[J].无线互联科技, 2022, 19(19):1-4.

[3] 孙召喜,刘超.关于5G网络室内覆盖的研究[J].信息记录材料, 2020, 21(9):2.

[4] 冯琬蓉.蜂窝异构网络中的Small Cell自治愈技术研究[D].北京邮电大学.

[5] 华为Smallcell白皮书《迈向Smallcell 2020的五大趋势》

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作者：高宗宁中国科学院信息工程研究所

责编：郝璐萌

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