Small Cell在異構(gòu)網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用研究

閆文斌

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司廣州市分公司，廣東 廣州 510630）

1 引言

隨著4G的商用，移動(dòng)通信的發(fā)展迎來了一個(gè)新的里程碑。但LTE的部署和商用，仍然會(huì)面臨3G發(fā)展過程中遇到的問題，如數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量的爆發(fā)增長(zhǎng)與所帶來收入的不平衡、局部深度覆蓋差對(duì)用戶體驗(yàn)的影響、基站建設(shè)物業(yè)獲取更加困難、建設(shè)成本不斷提高等。為了解決這些困擾，全球運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備廠家、芯片廠家等都進(jìn)行了很多探索，成立了Small Cell Forum來進(jìn)行相關(guān)政策、產(chǎn)品、架構(gòu)等方面的研究。從目前來看，通過大量部署Small Cell來構(gòu)建多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Multi-Layer HetNets）已經(jīng)成為主流的應(yīng)對(duì)之道。在國(guó)內(nèi)，Small Cell的發(fā)展仍然沒有步入快速軌道，主要是由于對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都有不少困惑，本文通過Small Cell的建設(shè)實(shí)踐來總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為大規(guī)模部署Small Cell做積累。

2 研究背景

2.1 Small Cell業(yè)界進(jìn)展

Small Cell是各種低功耗、小型化、集成化的無線接入點(diǎn)設(shè)備的概稱，它工作于許可頻段，由運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行管理，基于智能化的技術(shù)為傳統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供補(bǔ)充。Small Cell的產(chǎn)品形態(tài)可以是RRU拉遠(yuǎn)單元、微蜂窩、皮蜂窩、Femtocell等。

早在2007年6月份，前Picochip、Ubiquisys、Vodafone等公司在倫敦成立了Femto Forum行業(yè)會(huì)員組織，旨在Femtocell技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和推廣。Femtocell的實(shí)際商用并不如當(dāng)初預(yù)期的那樣理想，主要原因有：技術(shù)層面的不穩(wěn)定性，干擾，頻率規(guī)劃和移動(dòng)性方面的復(fù)雜性，商業(yè)模式的不明確，終端成本一直居高不下，用戶體驗(yàn)不是很良好等。

盡管Femtocell技術(shù)沒有取得預(yù)期的商業(yè)成功，但Femtocell衍生出的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（SON）、寬帶IP回傳、扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及設(shè)備小型化緊湊化等思想成為未來蜂窩通信的技術(shù)主流，直接催生了Small Cell這一產(chǎn)品形態(tài)。因此在2012年2月份，F(xiàn)emto Forum改名為Small Cell Forum，擴(kuò)展了研究范圍，包括中國(guó)聯(lián)通在內(nèi)的67家運(yùn)營(yíng)商和75家產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)商已經(jīng)加入這一論壇。

同時(shí)，3GPP也于2007年開始把Home Node B作為研究方向，并在Relaese8中完成了HNB/HeNB的架構(gòu)定義。從2012年9月開始，LTE標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)已經(jīng)進(jìn)入R12階段。相比之前的版本，R12版本面臨的主要任務(wù)是應(yīng)對(duì)未來全球無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長(zhǎng)。而Small Cell成為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的最主要方式。Small Cell在LTE標(biāo)準(zhǔn)化過程中占據(jù)了重要地位，是R12版本中最重要的標(biāo)準(zhǔn)化方向。隨著智能終端的大量應(yīng)用，根據(jù)預(yù)測(cè)，未來10年無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將有近1 000倍的增長(zhǎng)。面對(duì)這一巨大挑戰(zhàn)，業(yè)界進(jìn)行了大量的交流，基本明確了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的幾個(gè)基本維度：頻譜效率提升、頻譜擴(kuò)展、密集部署及數(shù)據(jù)分流?？紤]到無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生的不均衡性，即大部分業(yè)務(wù)將發(fā)生在熱點(diǎn)及室內(nèi)，Small Cell無疑將成為應(yīng)對(duì)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的最主要方式。3GPP內(nèi)部經(jīng)討論達(dá)成高度共識(shí)，在R12針對(duì)Small Cell進(jìn)行全面增強(qiáng)，使其成為R12最核心立項(xiàng)。

密集部署為3GPP在R12中對(duì)Small Cell進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的最重要內(nèi)容。密集部署是解決未來無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)最重要的維度。隨著業(yè)務(wù)量增加，低功率的密集部署是提升單位面積吞吐量的最有效手段。隨著Small Cell部署數(shù)量提升，干擾管理和移動(dòng)性管理將成為最重要的問題。針對(duì)這2個(gè)問題，Small Cell物理層專門進(jìn)行了小區(qū)開關(guān)和小區(qū)發(fā)現(xiàn)的增強(qiáng)研究，Small Cell高層進(jìn)行了宏基站與Small Cell的雙連接研究。相關(guān)研究成果一旦標(biāo)準(zhǔn)化，將對(duì)Small Cell密集部署帶來巨大的效率提升。

2.2 Small Cell應(yīng)用分析

雖然R12是為L(zhǎng)TE部署而進(jìn)行Small Cell的專題立項(xiàng)，但是其解決思路對(duì)于目前3G網(wǎng)絡(luò)也有很好的借鑒意義，所以大量運(yùn)營(yíng)商和廠商希望在3G頻段部署Small Cell來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。根據(jù)Informa Telecoms and Media的數(shù)據(jù)，小型基站市場(chǎng)規(guī)模將在2016年達(dá)到220億美元，其中73%將來自于公共場(chǎng)所。這使97.5%的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商受訪者相信，小型基站將是未來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

通過Small Cell，希望能實(shí)現(xiàn)如下4個(gè)方面的改善：

（1）Hotspot and Indoor：解決熱點(diǎn)和室內(nèi)的覆蓋和容量；

（2）Higher frequency：利用高頻段來改善局部弱覆蓋覆蓋；

（3）Higher bandwidth：更大帶寬，更高容量；

（4）Higher performance：更好的網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗(yàn)。

簡(jiǎn)單來說，目前Small Cell主要用于零散的小范圍的覆蓋解決方案以及熱點(diǎn)區(qū)域的分流解決方案。

本文結(jié)合本地在Small Cell建設(shè)方案的一些嘗試對(duì)Small Cell的應(yīng)用場(chǎng)景、頻率規(guī)劃、宏微協(xié)同等進(jìn)行一些探索，希望能解決運(yùn)營(yíng)商目前在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中遇到的深度覆蓋難解決、基站建設(shè)物業(yè)難獲取、投資收入剪刀差日趨明顯等困境。

3 建設(shè)實(shí)例

3.1 覆蓋問題解決類

以本地一個(gè)步行街覆蓋為例，無線環(huán)境為狹窄隧道式，兩側(cè)樓宇9層高左右，弱覆蓋路段距離最近的宏站200m左右，該站掛高54m，也有高度優(yōu)勢(shì)，但由于步行街比較狹窄，且周圍商鋪進(jìn)深也比較深，所以道路兩側(cè)的室內(nèi)覆蓋幾乎脫網(wǎng)，道路上的RSCP也在-95dBm以下。

類似這種場(chǎng)景在密集城區(qū)是比較常見的，也不適合以傳統(tǒng)的增加宏站的方式解決，而且高掛高不一定能解決步行街底層的深度覆蓋問題。

解決方案：結(jié)合周圍環(huán)境，確定通過Small Cell來解決。

建設(shè)方式如下：

（1）設(shè)備架設(shè)方式：利舊路邊小靈通水泥桿；

（2）傳輸回傳方式：光纖直連；

（3）供電方式：周圍就近取交流電借電；

（4）頻率規(guī)劃：與周圍宏站采用同頻設(shè)置。

建設(shè)實(shí)例如圖1所示：

圖1 淘金農(nóng)貿(mào)街道站實(shí)際安裝圖

圖2 淘金農(nóng)貿(mào)街道站開通前RSCP

建設(shè)效果：在路測(cè)驗(yàn)證中，開通前后RSCP對(duì)比如圖2和圖3所示，從開通前的平均-95dBm以下提升到-75dBm以上。通過測(cè)量，改善路段在200m左右。

業(yè)務(wù)量分析：將覆蓋同一區(qū)域的Small Cell和宏站小區(qū)組成簇進(jìn)行話務(wù)分析，統(tǒng)計(jì)開通前后一周的數(shù)據(jù)流量。在假定其他條件不變的情況下，開通后宏站小區(qū)的流量下降100MB左右，可以假設(shè)為這部分流量被Small Cell進(jìn)行了分流吸收，通過統(tǒng)計(jì)，Small Cell挖掘出的潛在業(yè)務(wù)為3 249MB。統(tǒng)計(jì)如表1所示：

表1 覆蓋區(qū)域Small Cell開通前后業(yè)務(wù)量對(duì)比

從實(shí)際開通效果看，Small Cell有效解決了深度覆蓋的問題，將原來因覆蓋差而流失的潛在的業(yè)務(wù)進(jìn)行了挖掘。從建設(shè)成本分析，因沒有高投資的配套，所以單站建設(shè)成本非常低，尤其是節(jié)省了可觀的物業(yè)租金，有效降低了運(yùn)營(yíng)成本。

3.2 熱點(diǎn)容量解決類

3G業(yè)務(wù)熱點(diǎn)主要集中在商業(yè)密集區(qū)、交通樞紐、校園、集團(tuán)客戶所在地，這其中尤其是校園，因?yàn)橛脩糸L(zhǎng)期穩(wěn)定聚集在一片區(qū)域，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的挑戰(zhàn)非常大。

圖3 淘金農(nóng)貿(mào)街道站開通后RSCP

案例呈現(xiàn)：以某校園為例，如圖4所示，學(xué)校面積300m×300m左右，校園中心食堂已有宏站1個(gè)，從覆蓋角度看，學(xué)校面積不大，所以整體覆蓋良好。主要存在問題是容量需求，校園迎新后，該站擴(kuò)到4 載頻，但BBU 主控板負(fù)荷頻繁超過80%，導(dǎo)致告警閃斷，嚴(yán)重影響用戶感知，同時(shí)關(guān)于網(wǎng)速慢的投訴也很多，法定頻率已經(jīng)用完，無法通過擴(kuò)容解決，而且擴(kuò)容后BBU處理能力也受限。

解決方案：在流量高發(fā)的宿舍區(qū)、教學(xué)區(qū)就近用戶位置安裝一定數(shù)量的Small Cell來進(jìn)行容量分流和挖掘。以原有基站S1范圍教學(xué)區(qū)和教工宿舍區(qū)為例，如圖5所示，原宏站小區(qū)PSC為78，新增3個(gè)Small Cell的PSC分別為257、258、259。

建設(shè)方式：

（1）設(shè)備架設(shè)方式：掛墻安裝；

（2）傳輸回傳方式：光纖直連；

（3）供電方式：就近交流電；

（4）無線頻率配置：因?yàn)橐呀?jīng)擴(kuò)到4載波，法定頻段已經(jīng)用完，所以仍然采用與宏基站同頻設(shè)置，未做異頻設(shè)置。

建設(shè)效果：對(duì)比“部署Small Cell前的宏小區(qū)”和“宏小區(qū)加Small Cell形成的簇”這2項(xiàng)在Small Cell部署前后的KPI。

（1）覆蓋提升：如圖6所示，對(duì)比原宏小區(qū)和宏微簇的RCSP MR覆蓋率，可見覆蓋區(qū)域的弱覆蓋（小于-90dBm）區(qū)域減少13%，良好覆蓋（大于-80dBm）區(qū)域增加8%。

（2）干擾情況：對(duì)比Small Cell部署前后，宏小區(qū)的Ec/Io變化情況如圖7所示。

通過統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)宏小區(qū)的Ec/Io在Small Cell開通前后基本保持穩(wěn)定。

（3）業(yè)務(wù)分流和挖潛：分別統(tǒng)計(jì)開通Small Cell前后宏小區(qū)的數(shù)據(jù)流量和用戶數(shù)以及Small Cell后3個(gè)微基站組成的微cluster的數(shù)據(jù)流量和用戶數(shù)。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，如圖8～圖11所示，Small Cell部署后挖掘出了潛在的業(yè)務(wù)和用戶，CS業(yè)務(wù)量增加18%，HSDPA 吞吐量增加6 0%，HSUPA吞吐量提升36%，HSDPA用戶數(shù)增加10%，HSUPA用戶數(shù)增加30%。

圖4 安裝Small Cell前校園站點(diǎn)分布

圖5 機(jī)械技校安裝Small Cell位置分布

圖6 機(jī)械技校Small Cell開通前后覆蓋區(qū)域覆蓋率變化

圖7 機(jī)械技校Small Cell開通前后宏站Ec/Io對(duì)比

（4）用戶感知：對(duì)比開通Small Cell前后宏小區(qū)的單用戶上傳和下載平均吞吐率以及開通Small Cell后微cluster的單用戶上傳和下載平均吞吐率。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖12、圖13所示，Small Cell部署后，宏小區(qū)內(nèi)HSDPA 用戶平均吞吐量提升6 0%，HSUPA用戶平均吞吐量基本持平。

（5）其他KPI：部署Small Cell后，原基站的主控板CPU負(fù)荷從80%以上降低到68%左右，RTWP減低0.9dB，下行負(fù)荷降低6.5%左右。

圖8 機(jī)械技校范圍內(nèi)HSDPA吞吐量

圖9 機(jī)械技校范圍內(nèi)HSUPA吞吐量

圖10 機(jī)械技校范圍內(nèi)HSDPA用戶數(shù)

圖11 機(jī)械技校范圍內(nèi)HSUPA用戶數(shù)

圖12 機(jī)械技校HSDPA單用戶平均吞吐量

圖13 機(jī)械技校HSUPA單用戶平均吞吐量

綜合以上統(tǒng)計(jì)，部署Small Cell后，由于將原有集中在一個(gè)宏小區(qū)的用戶進(jìn)行了卸載，所以原宏小區(qū)的各項(xiàng)KPI都有改善，尤其是用戶體驗(yàn)有了極大的改善。而微基站的加入，并不僅僅是將原有的宏小區(qū)的業(yè)務(wù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分流，而是通過覆蓋的有效控制和增強(qiáng)，在給原有小區(qū)減負(fù)荷的同時(shí)，挖掘出了潛在的業(yè)務(wù)需求，這些業(yè)務(wù)需求由于之前的擁塞或者覆蓋不足而無法滿足，現(xiàn)在通過低成本的Small Cell部署，釋放了這部分需求。

4 Small Cell優(yōu)勢(shì)及部署建議

通過若干試點(diǎn)，驗(yàn)證了Small Cell在解決無限容量和覆蓋方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其是應(yīng)用在一些傳統(tǒng)建設(shè)方式無法解決的場(chǎng)景。

以上文覆蓋類場(chǎng)景的建設(shè)為例，在解決這類型問題時(shí)，以往的解決方案不外乎是就近建設(shè)基站，按照傳統(tǒng)的基站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，需要建設(shè)普通板狀天線或者美化天線，建設(shè)電源和配套設(shè)施，這在站距已經(jīng)很近的密集市區(qū)幾乎很難做到。而且如果基站建設(shè)到樓頂，因?yàn)椤盁粝潞凇钡脑颍访婧蛢膳越咒伒纳疃雀采w仍然無法解決。通過Small Cell，靈活利用公共設(shè)施，可以低成本地解決此類難點(diǎn)。

而對(duì)于熱點(diǎn)容量分流型的場(chǎng)景，往往也是基站站距已經(jīng)過近，超過場(chǎng)景平均水平，不適合繼續(xù)部署宏基站，干擾問題會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率。通過Small Cell將覆蓋區(qū)域的容量需求打散到若干小功率的Small Cell設(shè)備上，就近精準(zhǔn)的吸收業(yè)務(wù)，降低對(duì)周圍宏基站的干擾，提升整個(gè)區(qū)域的業(yè)務(wù)承載能力。而且Small Cell因?yàn)橥庥^美觀，有別于傳統(tǒng)基站，物業(yè)的接受度高，可以不按照基站進(jìn)行物業(yè)租賃，可以低成本高密度進(jìn)行建設(shè)。

4.1 Small Cell建設(shè)的優(yōu)點(diǎn)

通過若干Small Cell建設(shè)案例總結(jié)，Small Cell相比傳統(tǒng)的宏站建設(shè)方式有如下特點(diǎn)：

（1）物業(yè)獲取難度大大降低：Small Cell設(shè)備形態(tài)都是高度集成的，體積小、重量輕、偽裝程度高，適合在各種公共場(chǎng)所或者物業(yè)敏感場(chǎng)所進(jìn)行部署。

（2）施工周期短：無線側(cè)施工量少，傳輸條件具備后，可以在半個(gè)工作日內(nèi)完成安裝、調(diào)試和開通。

（3）傳輸方式靈活：除了采用傳統(tǒng)的光纖直連方式外，也可以利用已經(jīng)部署的GPON固定網(wǎng)絡(luò)的傳輸資源，做到資源復(fù)用，降低建設(shè)難度和成本。

（4）大幅降低建設(shè)成本：由于沒有復(fù)雜的配套設(shè)備，且小型化設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)低租金甚至零租金建設(shè)，極大地降低了OPEX和CAPEX。

4.2 Small Cell部署場(chǎng)景建議

經(jīng)過現(xiàn)有安裝場(chǎng)景總結(jié)，建議安裝場(chǎng)景如下：

（1）市區(qū)非主干街道覆蓋；

（2）步行街、商業(yè)街等底層商鋪深度覆蓋；

（3）大型封閉式樓盤內(nèi)部覆蓋；

（4）集客、工廠、寫字樓局部等小范圍覆蓋；

（5）校園、商圈等高業(yè)務(wù)密集場(chǎng)所分流。

4.3 Small Cell建設(shè)方式建議

部署Small Cell的初衷就是為了低成本的解決網(wǎng)絡(luò)問題，所以在建設(shè)方式上要靈活處理，盡量避免產(chǎn)生物業(yè)租賃費(fèi)用，利用公共基礎(chǔ)設(shè)施，采用資源置換等方式，利用政府政策支持，降低建設(shè)成本和運(yùn)維成本，提高網(wǎng)絡(luò)效益，這才是Small Cell能真正投入運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

現(xiàn)階段及在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，3G和4G的零碎化弱覆蓋需求和局部熱點(diǎn)高業(yè)務(wù)集中都是運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)，雖然Small Cell還不是常規(guī)的建網(wǎng)模式，但是其低成本、靈活快速、按需部署的特點(diǎn)，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來說無疑是有效提高網(wǎng)絡(luò)效益、改善用戶感知的利器。雖然Small Cell大規(guī)模部署還需要在移動(dòng)性管理、干擾控制、頻率規(guī)劃等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面再做進(jìn)一步研究和規(guī)范，但從全球運(yùn)營(yíng)商和產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)注程度來看，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商必須積極跟進(jìn)Small Cell建設(shè)模式，解決建設(shè)過程中碰到的技術(shù)、管理等方面的問題，以期通過Small Cell異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)降低整體網(wǎng)絡(luò)CAPEX和OPEX，提高運(yùn)營(yíng)商盈利能力。

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