一體化皮基站組網(wǎng)性能提升方法

胡應(yīng)添 天津京信系統(tǒng)有限公司廣州分公司高級(jí)工程師

廖禮宇 天津京信系統(tǒng)有限公司廣州分公司工程師

張遠(yuǎn)見 京信通信集團(tuán)高級(jí)副總裁兼集團(tuán)研究院院長

一體化皮基站組網(wǎng)性能提升方法

胡應(yīng)添 天津京信系統(tǒng)有限公司廣州分公司高級(jí)工程師

廖禮宇 天津京信系統(tǒng)有限公司廣州分公司工程師

張遠(yuǎn)見 京信通信集團(tuán)高級(jí)副總裁兼集團(tuán)研究院院長

一體化皮基站作為一種提供室內(nèi)無線覆蓋的有效手段，已經(jīng)被業(yè)界廣泛認(rèn)可。一體化皮基站適用環(huán)境有別于宏站場景，在組網(wǎng)性能提升方面不能一味照搬宏站網(wǎng)優(yōu)經(jīng)驗(yàn)。本文討論了提升一體化皮基站組網(wǎng)性能的幾個(gè)方法，包括下行功率分配、HARQ反饋模式及MIMO模式的配置。外場測試表明，這些方法的使用能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)性能，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

一體化皮基站；網(wǎng)絡(luò)性能；下行功率分配；HARQ反饋模式；MIMO模式

1 引言

伴隨著智能手機(jī)、平板等新式終端的不斷普及，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)正處于急速發(fā)展階段，無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別是移動(dòng)無線業(yè)務(wù)量呈指數(shù)式增長，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要發(fā)生在室內(nèi)。據(jù)預(yù)測，未來室內(nèi)業(yè)務(wù)將占總業(yè)務(wù)量的90%。

傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)以宏基站和室內(nèi)分布系統(tǒng)為主的覆蓋方式，在室內(nèi)場景的應(yīng)用瓶頸日益顯現(xiàn)，對移動(dòng)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提出了挑戰(zhàn)：

（1）部分場景（如密集城區(qū)）站間距接近理論極限，無法繼續(xù)加密站點(diǎn)。

（2）宏站部署及運(yùn)維成本高昂，新增站址、天饋資源難以獲取。

（3）傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)物業(yè)協(xié)調(diào)難度高，建設(shè)和改造成本大，擴(kuò)容能力有限，網(wǎng)絡(luò)管理困難。

（4）2/3G網(wǎng)絡(luò)無線接入容量極限逐漸顯現(xiàn)，無法滿足寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。

（5）可用于廣覆蓋的頻率資源日益匱乏，通過增加頻率資源的方式不可行。

因此，引入新一代移動(dòng)通信技術(shù)（TD-LTE）和小基站（SmallCell）等新站型，成為運(yùn)營商應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的重要考慮。一體化皮基站便是其中重要一員。

2015年9 月，中國移動(dòng)集團(tuán)啟動(dòng)了一體化皮基站集中采購項(xiàng)目，眾多廠家參與，體現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)鏈玩家非?？春靡惑w化皮基站的應(yīng)用前景。

一體化皮基站應(yīng)用于室內(nèi)場景，適用環(huán)境有別于宏站的室外及室外覆蓋室內(nèi)場景，在組網(wǎng)性能提升方面不能一味照搬宏站網(wǎng)優(yōu)經(jīng)驗(yàn)。如何提升一體化皮基站組網(wǎng)的性能，是目前迫切需要解決的問題。

本文給出一體化皮基站規(guī)模組網(wǎng)的性能提升的一些方法與考慮，希望起到拋磚引玉的作用。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

一體化皮站將傳統(tǒng)基站基帶單元、射頻單元及天線集成在一起，形成獨(dú)立的物理實(shí)體。與宏站一樣，一體化皮站也是通過標(biāo)準(zhǔn)的S1/X2接口與核心網(wǎng)相聯(lián)接，在部署時(shí)可以靈活采用PTN、GPON或微波等回傳方式，不需要BBU及機(jī)房。

一體化皮站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

一體化皮基站可以采用空口偵聽、GPS或1588v2完成頻率和時(shí)間同步。

在供電方面，一體化皮基站可以采用交流市電或通過POE網(wǎng)線供電，降低取電難度。在安裝方面，一體化皮基站通常吸頂或掛墻安裝，對天面空間要求小。

一體化皮基站具有體積小、速率高、回傳靈活、安裝方便等特點(diǎn)，成為未來室內(nèi)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)部署的重要途徑。特別是“熱點(diǎn)話務(wù)”吸收、高端用戶體驗(yàn)、校園/園區(qū)組網(wǎng)等應(yīng)用場景，更是能夠發(fā)揮一體化皮基站作用的用武之地。

3 性能提升方法

圖1 一體化皮基站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

一體化皮基站進(jìn)行同頻組網(wǎng)時(shí)，由于應(yīng)用環(huán)境與宏站應(yīng)用環(huán)境有所區(qū)別，在參數(shù)設(shè)置方法上需要針對一體化皮基站的場景特點(diǎn)進(jìn)行考慮。

3.1 下行功率分配

LTE下行功率分配以每個(gè)RE為單位，控制基站在各個(gè)時(shí)刻各個(gè)子載波上的發(fā)射功率，并且在時(shí)間和頻率上采用恒定的發(fā)射功率，基站通過高層信令指示該發(fā)射功率的數(shù)值。在接收端，UE通過測量該信號(hào)的平均接收功率并與信令指示的發(fā)射功率進(jìn)行比較，獲得路徑損耗的數(shù)值。

在LTE系統(tǒng)中，存在著3個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，即CRS發(fā)射功率、PA、PB。其中，CRS發(fā)射功率是LTE系統(tǒng)中所有下行信道或符號(hào)的功率參考標(biāo)準(zhǔn)，PA是一個(gè)UE級(jí)參數(shù)，PB是一個(gè)小區(qū)級(jí)參數(shù)；在單天線、雙天線、不考慮MU-MIMO情況下，ρB=ρA（ρA表示時(shí)隙內(nèi)不帶有CRS的OFDM符號(hào)上，PDSCH的EPRE與CRS的EPRE的功率比值；ρB表示時(shí)隙內(nèi)帶有CRS的OFDM符號(hào)上，PDSCH的EPRE與CRS的EPRE的功率比值），而PB則表示為小區(qū)專用的比值ρB/ρA（帶有CRS的OFDM符號(hào)上PDSCH的EPRE功率/不帶有CRS的OFDM符號(hào)上PDSCH的EPRE功率），由表1給出其由高層信令通知的小區(qū)專用參數(shù)PB以及eNB配置的小區(qū)專用天線端口數(shù)目決定。

現(xiàn)網(wǎng)中，CRS功率綜合覆蓋、干擾、信道估計(jì)、容量等因素進(jìn)行配置，既要保證覆蓋與容量的平衡，又要保證信道估計(jì)的有效性，還要保證干擾的合理控制，2和4天線端口情形下一般建議配置PA=-3，PB=1。

在CRS功率一定時(shí)，增大PA，會(huì)增加小區(qū)所有用戶的PDSCH的接收功率，提高小區(qū)所有用戶的MCS，但可能造成功率受限，影響吞吐率；反之，降低小區(qū)所有用戶的功率和MCS，降低小區(qū)吞吐率。

表1 小區(qū)專用天線端口數(shù)為1，2或4的小區(qū)專用比值ρB/ρA

PB取值越大，CRS功率在原來的基礎(chǔ)上提升越高，越能獲得更好的信道估計(jì)，增強(qiáng)PDSCH的解調(diào)性能，但PDSCH的發(fā)射功率會(huì)相應(yīng)下降。

在室內(nèi)同頻組網(wǎng)時(shí)，一般室內(nèi)與室外宏網(wǎng)異頻，因此皮基站的干擾主要來自于室內(nèi)同頻鄰區(qū)。由于室內(nèi)有天然的墻體隔斷，如果能夠利用這些隔斷，可以將鄰區(qū)的干擾控制在一個(gè)較小的范圍；另一方面，通過網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃已經(jīng)使得PCImod3不等，基于CRS的信道估計(jì)準(zhǔn)確度很高，沒有必要對CRS進(jìn)行功率提升，CRS功率提升反而會(huì)造成CRS對數(shù)據(jù)信道的干擾，影響用戶體驗(yàn)。

因此，需要綜合考慮皮基站覆蓋、干擾及速率體驗(yàn)來給出適合于皮基站的功率分配參數(shù)配置。

現(xiàn)網(wǎng)測試不同功率參數(shù)配置效果如表2所示。相對于現(xiàn)網(wǎng)PA=-3、PB=1的配置，PA=3的配置能夠提升PDCP速率約25%。PB=1的配置也有一定的影響，但影響較小。因此，在皮基站發(fā)射功率允許，并且能滿足覆蓋要求的前提下，適當(dāng)提升PA參數(shù)值對于一體化皮基站能夠帶來系統(tǒng)性能提升。

表2 下行功率分配參數(shù)設(shè)置效果對比

3.2 HARQ反饋模式

LTE中，HARQ反饋方式分為HARQ綁定和HARQ復(fù)用。

HARQ綁定

將同一小區(qū)的多個(gè)下行子幀的對應(yīng)同一碼字的ACK/NACK做邏輯與操作，最終得到1bit（非空分復(fù)用，使用PUCCH format 1a）或2bit（空分復(fù)用，使用PUCCHformat1b）的ACK/NACK信息，具體參見圖2。

圖2 HARQ綁定示意圖

HARQ復(fù)用

將同一小區(qū)的同一下行子幀發(fā)送的兩個(gè)碼字對應(yīng)的ACK/NACK做邏輯與操作，得到1bit的ACK/NACK信息。做HARQ復(fù)用操作的是屬于同一HARQ反饋窗口內(nèi)的下行子幀，UE根據(jù)有多少個(gè)子幀發(fā)送了下行數(shù)據(jù)，或M值的大小，來決定發(fā)送多少比特的ACK/ NACK信息，具體參見圖3。

式中：K是相機(jī)的內(nèi)參矩陣；R和T分別為相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系間變換的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量；fu和fv為兩個(gè)方向的焦比；(u0,v0)為主點(diǎn)坐標(biāo)?？紤]到鏡頭畸變對成像的影響,若記真實(shí)像點(diǎn)與理想像點(diǎn)(u,v)之間的關(guān)系可表示為

可以看出，一個(gè)上行子幀反饋多個(gè)下行子幀的ACK/NACK時(shí)，同等條件下，HARQ復(fù)用相對HARQ綁定需要重傳的數(shù)據(jù)更少，但是需要反饋的信息比特會(huì)更多。

UE根據(jù)自身的解調(diào)能力和測量的下行SINR，選擇出10%BLER對應(yīng)的最高CQI反饋給基站。假設(shè)UE靜止不動(dòng)，信道情況恒定不變，UE每個(gè)碼字在每個(gè)子幀有10%的概率誤塊，假如UE每個(gè)下行子幀都有調(diào)度，且反饋窗M=4，HARQ綁定模式下，基站統(tǒng)計(jì)到的下行BLER為：1-(1-10%)4= 34.39%；HARQ復(fù)用模式下，基站統(tǒng)計(jì)到的下行BLER為：1-(1-10%)2= 19%。若實(shí)際UE的BLER為5%，則綁定與復(fù)用模式下，基站統(tǒng)計(jì)到的下行BLER分別為1-(1-5%)4= 18.55%及1-(1-5%)2=9.75%。

圖4顯示了反饋窗M=4時(shí)，綁定及復(fù)用反饋模式在UE側(cè)及基站側(cè)統(tǒng)計(jì)的BLER對比?？梢姡赨E相同BLER時(shí)，基站統(tǒng)計(jì)的BLER在復(fù)用模式下比綁定模式下要小。BLER對于性能的影響是應(yīng)用層數(shù)據(jù)速率的損失。因此，在復(fù)用模式下比綁定模式下的數(shù)據(jù)速率要大。

此外，當(dāng)基站統(tǒng)計(jì)下行BLER大于10%時(shí)，會(huì)啟動(dòng)外環(huán)AMC，調(diào)低下行的MCS，因此HARQ綁定模式下，外環(huán)AMC調(diào)低MCS概率會(huì)更大，MCS也可能調(diào)得更低，從而影響UE實(shí)際吞吐量。

現(xiàn)網(wǎng)一般建議反饋模式為綁定模式，主要考慮的是綁定容錯(cuò)性更好，目的是為了優(yōu)先保證邊緣用戶的性能。

圖3 HARQ復(fù)用示意圖

表3是一體化皮基站同頻組網(wǎng)時(shí)，HARQ綁定和復(fù)用模式的性能對比。可見，對于一體化皮基站，大部分UE能享受到較好的信道環(huán)境，碼字出錯(cuò)的概率比較小，BLER一般會(huì)比較低，無論UE處于何種位置，當(dāng)MCS固定時(shí)，采用HARQ復(fù)用模式基站統(tǒng)計(jì)的BLER小于HARQ綁定模式，因此使得MCS固定的情況下，綁定相對比復(fù)用速率損失嚴(yán)重，吞吐量上低于復(fù)用；當(dāng)AMC開啟時(shí)，AMC的目標(biāo)是將基站的BLER控制在10%以內(nèi)，由于2∶7配置下，假如UE的BLER固定時(shí)，HARQ采用綁定時(shí)的基站統(tǒng)計(jì)的BLER要遠(yuǎn)大于采用復(fù)用模式。因此，當(dāng)下行子幀數(shù)較多時(shí)，采用復(fù)用模式的吸熱效果要明顯好于綁定模式的效果，更能發(fā)揮皮基站數(shù)據(jù)容量的優(yōu)勢。

圖4 反饋窗M=4時(shí)，綁定及復(fù)用反饋模式對比

表3 HARQ綁定和復(fù)用模式性能測試結(jié)果對比

3.3 MIMO模式

MIMO技術(shù)可以把空間域作為一種新資源。在追求更高頻譜效率的要求下，MIMO技術(shù)已經(jīng)成為最基本的解決方案之一。MIMO技術(shù)有3種主要的增益（相對SISO），分別為分集增益、陣列增益和空間復(fù)用增益。其中：

分集增益：利用多天線提供的空間分集來改善多徑衰落情況下傳輸?shù)慕研浴?/p>

整列增益：通過預(yù)編碼或波束成形使能量集中在一個(gè)或多個(gè)特定方向。這也可以在不同方向的多個(gè)用戶同時(shí)提供業(yè)務(wù)（所謂的多用戶MIMO）。

空間復(fù)用增益：在可用天線組合所建立的多重空間層上，將多個(gè)信號(hào)流傳輸給單個(gè)用戶。

3GPP協(xié)議規(guī)定了下行9種傳輸模式，不同的傳輸模式適用于不同的場景。其中，TM2-TM9都可以回退到發(fā)射分集，而不需要改變傳輸模式，這樣可以應(yīng)付信道短時(shí)間內(nèi)發(fā)生惡化，保證通信可靠性，也可以在模式間切換時(shí)，有一種共同的傳輸模式進(jìn)行過渡。

MIMO自適應(yīng)可以分為模式間自適應(yīng)和模式內(nèi)自適應(yīng)。模式間自適應(yīng)根據(jù)UE的場景變化，自適應(yīng)選擇最合適的當(dāng)前場景的傳輸模式，并通過RRC重配置為UE改變傳輸模式；模式內(nèi)自適應(yīng)根據(jù)UE的信道狀態(tài)信息，在主模式和回退模式快速切換，并通過DCI下發(fā)給UE，使UE得到最大的下行頻譜效率。模式內(nèi)自適應(yīng)使用最多，并且效果最好。

以TM3模式內(nèi)自適應(yīng)為例，詳細(xì)說明自適應(yīng)過程。模式內(nèi)自適應(yīng)要獲知UE的下行信道，目前技術(shù)上獲知下行的信道狀態(tài)信息可以通過UE反饋的量化CSI，如CQI、PMI、RI等。TDD系統(tǒng)也可以根據(jù)信道互易性獲知下行的信道狀態(tài)信息，該方法難度大，估計(jì)準(zhǔn)確性低，對于皮基站更是不會(huì)考慮。一般MIMO自適應(yīng)算法使用UE反饋的CQI和RI進(jìn)行模式內(nèi)自適應(yīng)，CQI反映UE的接收SINR，RI反饋下行信道的相關(guān)性，CQI越大反映UE的接收SINR越高，RI反饋越大說明信道的相干性越低。當(dāng)CQI高于一定門限，且RI大于1時(shí)，使用復(fù)用模式，當(dāng)CQI低于一定門限或RI等于1時(shí)，使用回退模式發(fā)射分集。

在外場中，找到幾個(gè)鄰區(qū)信號(hào)相當(dāng)?shù)狞c(diǎn)進(jìn)行測試，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，LTE的速率與干擾鄰區(qū)的個(gè)數(shù)是反比的關(guān)系，并且復(fù)用模式對干擾更為敏感，相反分集模式的抗干擾能力更強(qiáng)。此外，還可以看到，雖然UE反饋的RI為1，但強(qiáng)制使用復(fù)用模式在干擾沒那么嚴(yán)重的情況下仍然可以獲得比分集更好的性能。因此，UE上報(bào)的RI需要進(jìn)行處理，再作為MIMO模式變換的依據(jù)。

表4 MIMO復(fù)用和分集模式測試結(jié)果

4 結(jié)束語

室內(nèi)是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生的主要場所，也是移動(dòng)運(yùn)營商重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。契合運(yùn)營商以用戶為中心、做好室內(nèi)覆蓋的要求，一體化皮基站成為運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)部署的新手段。由于一體化皮站應(yīng)用環(huán)境區(qū)別于室外宏站，網(wǎng)絡(luò)性能提升的方法不能照搬宏網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)。因此，本文從3個(gè)方面來討論一體化皮基站同頻組網(wǎng)時(shí)，如何提升網(wǎng)絡(luò)性能，包括功率、HARQ、MIMO，并結(jié)合外場試點(diǎn)應(yīng)用的效果，得到一些有用的結(jié)論。

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Methodsfor improving the performance of the integrated small cell network

HUYingtian，LIAOLiyu，ZHANGYuanjian

As an effective means of providing indoor wireless coverage, integrated small cell has been widely recognized bythe industry. The applying environment of integrated small cell is different from that of macro cell，so the network optimizationexperience of macro cell cannot blindly been copied to the case of integrated small cell in improving the network performanceaspect. Some methods for improving the performance of the integrated small cell network is discussed in this paper,including parameters configuration for DLpower allocation, HARQ feedback mode and MIMO mode. Field tests show thatusing these methods can improve the network performance effectively and enhance the user experience accordingly.

integrated small cell；network performance；DLpower allocation；HARQfeedbackmode；MIMOmode