從網(wǎng)絡(luò)仿真看LTE網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)部署

劉彥婷，南作用（.中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司，上海0004；.中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京00048）

0 前言

2013年底，國內(nèi)移動(dòng)通信運(yùn)營商相繼開始LTE網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)。而如何合理、科學(xué)地進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，從而將LTE 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)理論速率盡可能淋漓盡致地呈現(xiàn)給用戶，卻好似并未成為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)的主流方向。

2014年5月23日，中央電視臺曝光了工信部電信研究院互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測分析中心的工作人員對某運(yùn)營商北京LTE 網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)測試結(jié)果：在LTE 核心覆蓋區(qū)室外測試峰值速率僅為27.52 Mbit/s，尚未達(dá)到標(biāo)稱理論峰值速率的1/3。

本文基于某運(yùn)營商大量城市初期LTE網(wǎng)絡(luò)方案工參及仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，結(jié)合對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的理解，將無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中“分層”的概念和方法重新提出，并結(jié)合LTE 網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行強(qiáng)化，為將來LTE 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及優(yōu)化提供參考。

1 問題提出

“網(wǎng)絡(luò)分層”并不是一個(gè)新的概念或新的組網(wǎng)模式，其在2008年WCDMA 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)之初即被明確地提出。但由于UMTS R99 業(yè)務(wù)的特點(diǎn)以及快速、大規(guī)模建網(wǎng)等建設(shè)管理方式，其根本的理念和方法并未在UMTS網(wǎng)絡(luò)中得以具體的實(shí)施。

某運(yùn)營商LTE 一期網(wǎng)絡(luò)中多采用與3G 網(wǎng)絡(luò)1∶1建站方式，本文在此基礎(chǔ)上結(jié)合LTE 網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)分析其存在的問題。

首先，從無線網(wǎng)絡(luò)分層的基礎(chǔ)——電磁傳播環(huán)境及目前建網(wǎng)的主要方式對無線網(wǎng)進(jìn)行分層簡析。

a）高層站點(diǎn)：天線掛高通常為45 m（不同城市及城市不同區(qū)域稍有差異）以上，主要進(jìn)行大面積、廣區(qū)域的室外覆蓋。

b）中層站點(diǎn)：天線掛高通常為15～45 m，從目前2G、3G建網(wǎng)來看，該層站點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)延伸覆蓋、吸收容量的主力層，即進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)室外覆蓋和容量的基本面，同時(shí)該層決定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)主要的干擾底噪。

c）低層/深層站點(diǎn)：天線掛高通常為15 m以下，主要在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、容量基本面的基礎(chǔ)上，按照2個(gè)方向進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步拓展。其一進(jìn)行覆蓋的延伸，在基本覆蓋面的基礎(chǔ)上，如遇覆蓋盲區(qū)、弱區(qū)則以Small Cell、RRU 拉遠(yuǎn)、直放站等形式局部、小范圍地對覆蓋進(jìn)行完善或者加強(qiáng)；其二則針對高密度業(yè)務(wù)區(qū)，根據(jù)容量需求，通過天線、功率等方式控制，大幅度地提升容量。從另外一層意義來看，目前的室內(nèi)分布網(wǎng)即是該層網(wǎng)絡(luò)布局的延伸和拓展。

當(dāng)然，由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因素特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)是否分層對其影響表現(xiàn)也相異，如UMTS 網(wǎng)絡(luò)R99 類業(yè)務(wù)與LTE 業(yè)務(wù)相比：由于GSM/GPRS/EDGE、WCDMA R99 業(yè)務(wù)采用固定、低階調(diào)制及編碼，這樣當(dāng)無線環(huán)境提供的載干比或Eb/No 超過一定門限，其承載速率也只能是其預(yù)先設(shè)定的最高調(diào)制/編碼下的承載，如圖1 中PS384 業(yè)務(wù)。而對于HSDPA或LTE網(wǎng)絡(luò)而言，其采用自動(dòng)編碼控制，當(dāng)無線環(huán)境比較好時(shí)，采用高效調(diào)制編碼方案，當(dāng)無線環(huán)境變差時(shí)，將采用低效調(diào)制編碼方案。因此干擾成為決定網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素。對LTE網(wǎng)絡(luò)而言，其主要特征為高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，正是基于這樣的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃思路，對無線網(wǎng)絡(luò)干擾的控制將顯得更加重要。圖2為覆蓋與干擾案例。

圖1 不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)業(yè)務(wù)解調(diào)門限示意圖

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋與干擾案例

從圖2 數(shù)據(jù)可以明顯得出，商用網(wǎng)在RSRP=-84 dBm 時(shí)出現(xiàn)峰值，且在RSRP=-60 dBm 時(shí)，RSRP 占比區(qū)間圖上出現(xiàn)小峰值，而標(biāo)桿網(wǎng)絡(luò)在RSRP=-90 dBm時(shí)出現(xiàn)峰值，且呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)衰落。而從RS SINR來看，標(biāo)桿網(wǎng)絡(luò)有一定比例的RS SINR≥20 dB的區(qū)域，而商用網(wǎng)絡(luò)基本沒有，且標(biāo)桿網(wǎng)絡(luò)RS SINR高質(zhì)量區(qū)域占比明顯多于商用網(wǎng)。

對商用網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析。選取某運(yùn)營商一線城市核心區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分層分析，其高層、低層站點(diǎn)分層統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

圖3 某地三環(huán)內(nèi)LTE網(wǎng)絡(luò)分層站點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從圖3 可以看出，該地網(wǎng)絡(luò)并未呈現(xiàn)嚴(yán)格的分層。經(jīng)了解，其高層站及低層站主要因?yàn)槭苷军c(diǎn)建設(shè)環(huán)境所限，并未從規(guī)劃理念、思路上進(jìn)行主觀的分層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。其86%的站點(diǎn)仍以中層站點(diǎn)為主。從扇區(qū)站距的角度進(jìn)一步分析其站點(diǎn)分布狀態(tài)如圖4所示。

從圖4 可以看出，該區(qū)域LTE 網(wǎng)絡(luò)理論站距約430 m，而該區(qū)域內(nèi)絕大部分站距在此理論合理站距之下。其結(jié)果即為圖2 所示RSRP 與RS SINR 出現(xiàn)矛盾的情況。在這種情況下，對應(yīng)LTE 網(wǎng)絡(luò)在50%負(fù)載時(shí)下行應(yīng)用層速率如圖5所示。

從圖5可以看出，該區(qū)域內(nèi)4G網(wǎng)絡(luò)大部分區(qū)域速率較低，下行應(yīng)用層速率基本沒有超過50 Mbit/s 的區(qū)域，這樣一張網(wǎng)絡(luò)大部分速率與HSDPA網(wǎng)絡(luò)相近。在這樣對比下可以看出，運(yùn)營商雖建了一張LTE網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)質(zhì)速率卻與同等條件下HSDPA網(wǎng)絡(luò)無異。

經(jīng)以上分析可知，鑒于LTE 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)特點(diǎn)和業(yè)務(wù)特征，LTE 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)引入網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)才能真正顯現(xiàn)其4G技術(shù)的本質(zhì)。

2 理論分析及分層部署

討論網(wǎng)絡(luò)分層，首先應(yīng)調(diào)整對于矮站/低層站的定位與建網(wǎng)思路，現(xiàn)從電磁傳播基礎(chǔ)理論來做基本分析。

現(xiàn)考察從信號發(fā)射源開始至覆蓋2 km，且假設(shè)Small Cell/矮站覆蓋半徑100 m 以內(nèi)，天線掛高15～45 m，其常規(guī)站距為430 m（對應(yīng)覆蓋半徑r約300 m）；由于涉及到近場，且自由空間電磁傳播是所有傳播模型的基礎(chǔ)以及直達(dá)徑是電磁傳播主要決定者，故本文主要選擇自由空間電磁傳播模型進(jìn)行分析。

式中：

d——損耗路徑距離（km）

f——載波頻率（MHz）

L——路徑損耗（dB）

在一定的載波頻率下，路徑損耗L與距離d的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)前中、高層站點(diǎn)其損耗隨著距離變化已趨于平緩，其幅度區(qū)間約20 dB。而當(dāng)距離小于300 m時(shí)，只要距離稍有調(diào)整，損耗就可能出現(xiàn)劇烈的變化，其區(qū)間可達(dá)150 dB，而有效的調(diào)整區(qū)間也會達(dá)到50 dB。

RS SINR 是決定LTE 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的重要因素，其計(jì)算公式如下：

圖4 某商用網(wǎng)三環(huán)內(nèi)站點(diǎn)扇區(qū)站距分析

圖5 某商用網(wǎng)下行應(yīng)用層速率（50%負(fù)載）分布

圖6 路徑損耗與傳播距離示意圖

式中：

C——RS信號的接收功率

I——RS所占RE上接收到的鄰小區(qū)功率之和

N——噪聲功率

從式2可知，當(dāng)I+N一定時(shí)，RS SINR與RS信號的接收功率成正比，如圖6 所示，在此情況下，當(dāng)d 小于300 m時(shí)，d稍微變化，則會大幅提升RS SINR。

因此，對于HSDPA 或LTE 網(wǎng)絡(luò)而言，在一定的干擾情況下，如何有效地利用近距、直達(dá)電磁傳播將給無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)帶來巨大的提升空間。因此如何提升近距的效率則成為組網(wǎng)的關(guān)鍵。

在天線掛高h(yuǎn)與距離d確定的條件下（見圖7），其覆蓋半徑計(jì)算方法如下：

式中：

r——覆蓋半徑（m）

d——電磁傳播距離（m）

h——天線掛高（m）

圖7 不同天線高度覆蓋半徑與距離示意圖

根據(jù)公式（3），可得出站高與覆蓋半徑的關(guān)系圖（見圖8）。

圖8 不同站高覆蓋半徑與損耗示意圖

從圖8可以看出，如低層站點(diǎn)覆蓋距離在200 m以下時(shí)，越趨近百米內(nèi)，掛高為10 m 的站點(diǎn)的效率將遠(yuǎn)優(yōu)于掛高為40 m的站點(diǎn)。

從以上分析可以看出，對于高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)通信組網(wǎng)，低層站點(diǎn)的效率將遠(yuǎn)高于2G、3G網(wǎng)絡(luò)中的中高層站點(diǎn)。

在此無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)模式下，其網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)分層結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 移動(dòng)通信網(wǎng)分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

對當(dāng)下的各運(yùn)營商而言，在擁有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)制式以及不同業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)模式下，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的定義更為宏觀，即廣義的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)為多制式的網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，將網(wǎng)絡(luò)制式、頻點(diǎn)、業(yè)務(wù)、負(fù)荷及站址、站型、站高進(jìn)行合理設(shè)置。在這樣的功能定義下，針對某一種制式的網(wǎng)絡(luò)，才是常規(guī)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即狹義的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：宏蜂窩、微蜂窩、Small Cell、室分系統(tǒng)、直放站等綜合運(yùn)用下，根據(jù)業(yè)務(wù)種類、業(yè)務(wù)量、無線環(huán)境及場景將站址、站高和站型進(jìn)行合理設(shè)置。廣義的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)側(cè)重從策略、業(yè)務(wù)等方面宏觀定義，而狹義的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則側(cè)重于單制式下網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)布局建設(shè)。本文主要針對狹義的網(wǎng)絡(luò)分層。在這種思路下，LTE 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分層宏觀布局應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)。

a）功能定位分離化：在保證高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量前提下，首先搭建長期、持續(xù)、穩(wěn)定的覆蓋層，確立在用戶主要活動(dòng)區(qū)域提供基本的數(shù)據(jù)速率覆蓋，并逐步規(guī)劃建設(shè)富有彈性、可快速擴(kuò)展、提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的容量層。

b）網(wǎng)絡(luò)層次立體化：以中層網(wǎng)為核心，利用地形物貌、載波、參數(shù)控制，構(gòu)建多層次、立體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有針對性地解決不同層次的覆蓋和容量問題。

c）容量配置均衡+熱點(diǎn)化：中層站點(diǎn)均衡容量，熱點(diǎn)區(qū)域快速、集中、靈活部署，并根據(jù)容量需求規(guī)劃容量熱點(diǎn)區(qū)域的組網(wǎng)模式及站點(diǎn)。

d）低層覆蓋控制精準(zhǔn)化：低層網(wǎng)絡(luò)確?；A(chǔ)覆蓋，根據(jù)盲區(qū)、弱覆蓋區(qū)域情況，快速、靈活、強(qiáng)化、細(xì)化、精準(zhǔn)進(jìn)行局部區(qū)域覆蓋。

e）中層以網(wǎng)絡(luò)覆蓋為主，不必要求高容量、高配置，應(yīng)著重控制整網(wǎng)RS SINR，對于連續(xù)覆蓋，可進(jìn)一步采用低層網(wǎng)進(jìn)行加強(qiáng)。

f）從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)而言，前期以中層網(wǎng)覆蓋為主，中后期快速進(jìn)行低層覆蓋補(bǔ)充及容量擴(kuò)增。

在具體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃操作實(shí)施時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

a）城市逐步建設(shè)“覆蓋立體化”“容量熱點(diǎn)化”的四維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

b）主力層應(yīng)嚴(yán)控結(jié)構(gòu)和站距，確保RS SINR保持良好。

c）RS SINR不應(yīng)看門限值，而應(yīng)看分布區(qū)間占比，可基于此提網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)向性指標(biāo)，側(cè)重引導(dǎo)LTE 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)的方向。

d）RSRP滿足門限即可，切莫要求其過強(qiáng)，一定條件下，可舍棄中層網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋而保證RS SINR 在良好的水平，作為保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的必要條件。

e）在此基礎(chǔ)上城區(qū)增強(qiáng)深度覆蓋，外圍擴(kuò)展廣度覆蓋，不同城市、不同區(qū)域部署時(shí)，不一定按照嚴(yán)格的3 層、2 層結(jié)構(gòu)，單層的低層網(wǎng)也可是網(wǎng)絡(luò)的主要分布狀態(tài)。

f）低層：熱點(diǎn)補(bǔ)容，盲區(qū)補(bǔ)漏，弱區(qū)增強(qiáng)等。如無線環(huán)境復(fù)雜、容量密集，可作為局部網(wǎng)絡(luò)的主要結(jié)構(gòu)。

g）高層：靈活運(yùn)用室分和Femto；高站暫時(shí)優(yōu)化，最終退網(wǎng)。

以上即為針對LTE 網(wǎng)絡(luò)建議的分層部署結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，還應(yīng)根據(jù)各本地網(wǎng)的具體形態(tài)，靈活運(yùn)用才能構(gòu)筑功能豐富、組網(wǎng)靈活的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

3 案例仿真及效果

本文以中層網(wǎng)布局為例分析不同結(jié)構(gòu)下的LTE網(wǎng)絡(luò)性能。

中層網(wǎng)布局案例將以現(xiàn)有UMTS 網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)為基礎(chǔ)，分析中層網(wǎng)如何部署?，F(xiàn)選取某市密集市區(qū)/市區(qū)環(huán)境5.3 km2區(qū)域，現(xiàn)網(wǎng)UMTS網(wǎng)絡(luò)部署36個(gè)站點(diǎn)。現(xiàn)以區(qū)域中心為起始點(diǎn)，逐步拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋及容量，至最終的36個(gè)站點(diǎn)，其LTE網(wǎng)絡(luò)性能變化如圖10所示。

圖10 基于UMTS網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)分析LTE網(wǎng)絡(luò)中層網(wǎng)布局

按照前面所述策略及判定方法，則：

a）作為網(wǎng)絡(luò)接入門限，RSRP≥-100 dBm 即可，則站點(diǎn)在13個(gè)站點(diǎn)以后即可滿足90%區(qū)域的業(yè)務(wù)接入。

b）RS SINR≥0 dB 時(shí)，由于其計(jì)算是在RSRP≥-100 dBm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，故當(dāng)站點(diǎn)很少時(shí)，面積占比也呈現(xiàn)高比例。隨著站點(diǎn)的增加，面積占比呈現(xiàn)下降趨勢。RS SINR≤0 dB占比增加，其在36個(gè)站點(diǎn)時(shí)，也滿足90%的區(qū)域面積占比。

c）RS SINR≥10 dB 時(shí)，整體而言當(dāng)其在12～22 個(gè)站點(diǎn)區(qū)間，面積占比呈明顯下降趨勢。

d）RS SINR≥20 dB 時(shí)，整體而言當(dāng)其在10～20 個(gè)站點(diǎn)區(qū)間，面積占比呈明顯下降趨勢。

綜合以上因素，考慮前面所述方法，中層網(wǎng)在該區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)取定15 個(gè)站點(diǎn)左右。其性能與1∶1 建站的36個(gè)站點(diǎn)具體對比情況如圖11所示。

圖11 不同策略下建網(wǎng)性能對比

從圖11可以看出，當(dāng)站點(diǎn)數(shù)為15時(shí)，其性能符合分層組網(wǎng)策略及方法的要求，而網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比1∶1 建站扁平網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的一半還少。此時(shí)站距經(jīng)核算為425 m，與相關(guān)LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)理論推導(dǎo)相一致。

4 結(jié)束語

分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對于LTE 而言至關(guān)重要，如仍按照UMTS網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃建設(shè)方法，對運(yùn)營商而言，將耗費(fèi)巨資，同時(shí)將引入大量的干擾底噪，LTE網(wǎng)絡(luò)所追求的高頻譜利用率也將成為空談。網(wǎng)絡(luò)分層并不是新概念、新組網(wǎng)模式，而是無線網(wǎng)絡(luò)最為基本的結(jié)構(gòu)和模式，望其能逐漸地深入到LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)中。

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