4G異構(gòu)網(wǎng)規(guī)劃體系及建模研究

湯利民　程日濤　徐德平　鄧安達(dá)　張炎炎

為提升4G網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋、增加容量和提升邊緣區(qū)域感知，首先通過對異構(gòu)網(wǎng)概念及功能的分析，提出通過異構(gòu)網(wǎng)方式滿足中國移動4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求的整體思路，隨后全面闡述了4G異構(gòu)網(wǎng)的分層規(guī)劃指標(biāo)和規(guī)劃方法，最后以商務(wù)區(qū)作為典型場景構(gòu)建了異構(gòu)網(wǎng)部署示例方案。

異構(gòu)網(wǎng) 規(guī)劃指標(biāo) 頻率規(guī)劃

1 引言

1.1 4G異構(gòu)網(wǎng)

在3GPP規(guī)范中，異構(gòu)網(wǎng)（HetNet，Heterogeneous Network）被定義為由多種不同特性小區(qū)（例如對于4G網(wǎng)絡(luò)，包括各種eNB、HeNB、Relay等）組成的3GPP接入網(wǎng)。同時，3GPP規(guī)范還定義了異構(gòu)部署（Heterogeneous Deployments），即在宏基站范圍內(nèi)部署低功率節(jié)點(diǎn)。異構(gòu)網(wǎng)組成示意圖如圖1所示：

1.2 4G異構(gòu)網(wǎng)對于中國移動的意義

異構(gòu)網(wǎng)對于中國移動網(wǎng)絡(luò)建設(shè)至少在三個方面發(fā)揮著重要作用。

（1）覆蓋提升、質(zhì)量提升

首先，宏基站在滿足一定區(qū)域覆蓋率的情況下邊緣覆蓋率仍處于較低的水平，這些區(qū)域由于密集建筑物遮擋會造成室外覆蓋盲區(qū)；其次因?yàn)榻ㄖ飪?nèi)部存在大量穿透損耗較大的區(qū)域，鑒于宏基站覆蓋能力及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的限制，該區(qū)域的覆蓋需要提升；最后，重疊覆蓋嚴(yán)重的小區(qū)邊緣區(qū)域的質(zhì)量較差，通過異構(gòu)網(wǎng)方式可以建立優(yōu)勢主小區(qū)信息進(jìn)而提升覆蓋質(zhì)量。

如圖2異構(gòu)網(wǎng)部署的覆蓋提升測試分析可知，RSRP大于-95 dBm的比例從53.42%提升到了99.02%。RS-SINR的（INF，20）區(qū)間提升了13%（同頻）和33%（異頻），網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量顯著提升。

（2）容量補(bǔ)充、頻譜效率提升

對于移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的增長趨勢，普遍預(yù)測為年均復(fù)合增長率（CAGR）約100%，按此速度發(fā)展，未來20年的數(shù)據(jù)流量約為現(xiàn)網(wǎng)的百萬倍，解決容量需求的方法是站址數(shù)量（1000倍）×頻譜資源（100倍）×頻譜效率提升（10倍）。而應(yīng)對流量增長的主要措施之一是站址密度的增加。從仿真數(shù)據(jù)看，在站高無法普遍降低的工程條件下，宏基站站址密度的增加將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的下降。因此利用更多的低功率基站設(shè)備進(jìn)行覆蓋是必然的解決方案。異構(gòu)網(wǎng)組網(wǎng)場景容量提升效果如表2所示：

此外，隨著對4G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營質(zhì)量和效率的關(guān)注，通過異構(gòu)網(wǎng)方式提升頻譜效率也將被更廣泛的應(yīng)用。

（3）工程替代方案

小基站在基站重量、體積、功耗、安裝方式等方面具有更高的靈活性，因此在常規(guī)宏基站不具備工程部署條件的場景，可以借助異構(gòu)網(wǎng)小基站作為工程替代方案。

2 4G異構(gòu)網(wǎng)規(guī)劃體系與方法

2.1 4G異構(gòu)網(wǎng)組成及功能

基于異構(gòu)網(wǎng)技術(shù)特性及建設(shè)管理要求，4G異構(gòu)網(wǎng)可分為覆蓋層和容量層。

（1）覆蓋層分層定義

廣域覆蓋層：在廣域范圍實(shí)現(xiàn)室外及部分室內(nèi)區(qū)域連續(xù)覆蓋、滿足基本容量需求的網(wǎng)絡(luò)層，單發(fā)射點(diǎn)覆蓋距離在數(shù)百米以上。

深度覆蓋層（室外站）：在室外建設(shè)基站，針對局部區(qū)域?qū)崿F(xiàn)深度覆蓋或滿足容量需求的網(wǎng)絡(luò)層，單發(fā)射點(diǎn)覆蓋距離低于同區(qū)域廣域覆蓋層，一般為數(shù)十至數(shù)百米。

深度覆蓋層（室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)）：在室內(nèi)區(qū)域建設(shè)基站，針對特定建筑物實(shí)現(xiàn)深度覆蓋或容量需求的網(wǎng)絡(luò)層，單發(fā)射點(diǎn)覆蓋距離為數(shù)十米以下。

（2）容量層定義

容量站（層）：在覆蓋層基礎(chǔ)上，用于容量補(bǔ)充的站點(diǎn)。

中國移動4G異構(gòu)網(wǎng)組成及功能示意圖如圖3所示。

2.2 4G異構(gòu)網(wǎng)規(guī)劃指標(biāo)體系

（1）規(guī)劃指標(biāo)基準(zhǔn)

規(guī)劃指標(biāo)需要滿足業(yè)務(wù)需求、容量需求、網(wǎng)絡(luò)能力、對標(biāo)考慮等多個層面的要求。業(yè)務(wù)需求方面，不同業(yè)務(wù)類型對基本保證速率要求不同，目標(biāo)速率規(guī)劃需要考慮邊緣所需滿足的業(yè)務(wù)速率。容量需求方面，網(wǎng)絡(luò)的容量需求需通過載頻規(guī)模和單載頻承載能力綜合實(shí)現(xiàn)，區(qū)域容量需求也影響規(guī)劃目標(biāo)速率。網(wǎng)絡(luò)能力方面，除受到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制的限制外，規(guī)劃目標(biāo)速率還與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、無線傳播環(huán)境等因素相關(guān)。此外還需要考慮基于競爭壓力等的非技術(shù)因素。

基于系統(tǒng)能力分析，“RSRP≥-113 dBm，RS-SINR≥-3dB”是滿足網(wǎng)絡(luò)基本接入性能的門限要求。根據(jù)3GPP定義的會話類（Conversational）、交互類（Interactive）、流類（Streaming）、背景類（Background）四類業(yè)務(wù)要求，除高清視頻業(yè)務(wù)外，下行邊緣速率達(dá)到1～2 Mbps基本可以滿足主要高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。針對不同場景分析RS-SINR與業(yè)務(wù)速率（100RB）之間的相關(guān)性，可看到兩者CDF曲線達(dá)到某一門限的比例具有較穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，即滿足50%負(fù)荷條件下邊緣速率1 Mbps對應(yīng)的RS-SINR指標(biāo)要求為-3 dB。該結(jié)論在不同城市、不同場景、不同天線模式、不同加載比例以及不同廠家設(shè)備等情況下均適用。

對于VoLTE語音業(yè)務(wù)，鏈路預(yù)算和測試驗(yàn)證數(shù)據(jù)均表明，在滿足基本的KPI指標(biāo)及MOS質(zhì)量要求下，“RSRP≥-113 dBm，RS-SINR≥-3 dB”滿足VoLTE高清語音業(yè)務(wù)要求。VoLTE業(yè)務(wù)覆蓋能力預(yù)算及VoLTE業(yè)務(wù)覆蓋能力測試驗(yàn)證如圖4、圖5所示。

（2）異構(gòu)網(wǎng)規(guī)劃分層規(guī)劃指標(biāo)

1）廣域覆蓋層

功能：實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋和廣域覆蓋目標(biāo)，同時滿足基礎(chǔ)容量需求。

覆蓋目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)道路連續(xù)覆蓋，利用路測（DT）數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋情況評價，后續(xù)可規(guī)劃到針對DT連續(xù)30 m的弱覆蓋區(qū)域。

建設(shè)方式：主要方式為宏基站；對于區(qū)域小或常規(guī)宏基站無法實(shí)施的場景采用其他微基站、Relay等方式。

規(guī)劃指標(biāo)：廣域覆蓋層規(guī)劃指標(biāo)如表3所示。

2）深度覆蓋層（室外站）

功能：實(shí)現(xiàn)深度覆蓋和基本的容量需求。

覆蓋目標(biāo)：滿足建筑物的深度覆蓋需求，利用測量報(bào)告（MR）數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋情況評價，后續(xù)方案考慮對于價值建筑物（流量、4G用戶數(shù)等維度）制定覆蓋率目標(biāo)。

建設(shè)方式：主要方式為微基站；其他方式有宏基站、Relay、宏基站等信源+室外分布系統(tǒng)。

規(guī)劃指標(biāo)：室外區(qū)域目標(biāo)同廣域覆蓋層；室內(nèi)區(qū)域目標(biāo)為RSRP≥-113 dBm，RS-SINR≥ -3 dB。

3）深度覆蓋層（室內(nèi)站）

功能：實(shí)現(xiàn)建筑物深度覆蓋和基本的容量需求。

覆蓋目標(biāo)：滿足建筑物的深度覆蓋需求，利用測量報(bào)告（MR）數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋情況評價，后續(xù)方案考慮對于價值建筑物（流量、4G用戶數(shù)等維度）制定覆蓋目標(biāo)。

建設(shè)方式：宏基站等信源+室內(nèi)分布系統(tǒng)、皮基站、飛基站等。

規(guī)劃指標(biāo)：深度覆蓋層（室內(nèi)站）規(guī)劃指標(biāo)如表4 所示：

4）容量層

功能：實(shí)現(xiàn)容量補(bǔ)充。

覆蓋目標(biāo)：針對容量需求超出覆蓋層提供能力的區(qū)域進(jìn)行容量補(bǔ)充，基于網(wǎng)管定義的小區(qū)負(fù)荷信息，達(dá)到擴(kuò)容標(biāo)準(zhǔn)的小區(qū)覆蓋區(qū)域需要進(jìn)行容量站（層）建設(shè)。

建設(shè)方式：與各覆蓋層相同。

2.3 4G異構(gòu)網(wǎng)規(guī)劃方法

異構(gòu)網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)實(shí)現(xiàn)以“精”為核心的規(guī)劃要求，相對于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法，從基于理論及仿真分析轉(zhuǎn)向以現(xiàn)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，同時呈現(xiàn)出應(yīng)用大數(shù)據(jù)需求帶來的工具化趨勢。

（1）需求分析

需求分析的目標(biāo)是明確異構(gòu)網(wǎng)需要解決的柵格（建筑物）情況。需求分析的方法包括覆蓋需求分析和容量需求分析。

基于DT（室外）、MR（室內(nèi)+室外）、建筑物（基礎(chǔ)數(shù)據(jù)）等確定覆蓋需求標(biāo)準(zhǔn)，DT/路面數(shù)據(jù)按連續(xù)30 m低于覆蓋指標(biāo)要求確定需求，MR數(shù)據(jù)按柵格級80%的概率低于覆蓋指標(biāo)要求確定需求。

基于網(wǎng)管的小區(qū)負(fù)荷信息，結(jié)合業(yè)務(wù)發(fā)展預(yù)期，可確定容量需求。網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷需要結(jié)合小區(qū)級和柵格級流量分析，首先預(yù)測場x年后的流量增長倍數(shù)，小區(qū)級結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)及增長預(yù)期估計(jì)載波數(shù)需求，當(dāng)滿配不能滿足小區(qū)級需求后考慮增加小基站補(bǔ)充柵格級容量需求。需求分析示例如圖6所示。

（2）方案建模

異構(gòu)網(wǎng)部署應(yīng)綜合考慮市場驅(qū)動力、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求、無線性能、傳輸?shù)绕渌涮讓?shí)施代價、投資收益比的要求。方案建模的關(guān)鍵內(nèi)容包括：

1）異構(gòu)網(wǎng)覆蓋建模：核心是評估各類建設(shè)方式覆蓋能力；

2）異構(gòu)網(wǎng)容量建模：核心是評估各類建設(shè)方式的頻譜效率，需結(jié)合同異頻策略評估；

3）異構(gòu)網(wǎng)造價建模：核心是評估各類建設(shè)方式的成本。

異構(gòu)網(wǎng)方案建模如圖7所示。

信號傳播的衰落特性決定了覆蓋率概念的存在。通信概率是指移動臺在無線區(qū)域覆蓋邊緣（或區(qū)內(nèi)）通信時，一定時間內(nèi)信號質(zhì)量達(dá)到規(guī)定要求的成功概率，分為邊緣通信概率和區(qū)域通信概率兩種。小區(qū)邊緣通信概率的提高是通過陰影衰落余量來體現(xiàn)的，要求的通信概率越高，陰影衰落余量越大，其規(guī)劃小區(qū)半徑就越小?；疽?guī)模和覆蓋概率間不是線性關(guān)系，在覆蓋概率較高的區(qū)間段，基站規(guī)模呈指數(shù)上升。比如，當(dāng)區(qū)域覆蓋率從90%增加到95%，基站站址增加45%，而區(qū)域覆蓋率從90%增加到99%，基站站址增加247%，顯然宏基站密度增加并不具備工程的可實(shí)施性。因此在異構(gòu)網(wǎng)中可以利用小基站實(shí)現(xiàn)路面連續(xù)覆蓋和建筑物深度覆蓋。在不改變廣域覆蓋層規(guī)劃目標(biāo)的前提下，可通過小基站部署實(shí)現(xiàn)路面連續(xù)覆蓋。通過分析DT數(shù)據(jù)對連續(xù)30 m的弱覆蓋區(qū)域進(jìn)行小基站建設(shè)，根據(jù)建筑物覆蓋需求及價值，建設(shè)小基站實(shí)現(xiàn)室內(nèi)深度覆蓋，要求覆蓋質(zhì)量滿足“-113 dBm，-3 dB”的目標(biāo)。當(dāng)然，如果具備LTE FDD 900M牌照，則可利用低頻段系統(tǒng)的部署低成本、高效率來實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、深度的覆蓋。

小基站部署可以有效提升覆蓋效果、解決深度覆蓋問題。小基站布放應(yīng)選擇宏基站RSRP≤-90 dBm的區(qū)域，以保證小基站覆蓋性能。

（3）頻率規(guī)劃

在總體策略上，近、中期廣域與深度覆蓋層（室外站）采用同頻組網(wǎng)，深度覆蓋層（室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)）、容量站（層）異頻組網(wǎng)；遠(yuǎn)期采用同頻組網(wǎng)。

近、中期頻率策略需考慮組網(wǎng)要求、系統(tǒng)能力的情況，廣域覆蓋層使用F、D頻段，層內(nèi)采用同頻組網(wǎng)方式，F(xiàn)頻段設(shè)備支持30 MHz、D頻段設(shè)備支持60 MHz帶寬。深度覆蓋層（室外站）與廣域覆蓋層同頻補(bǔ)盲，層內(nèi)采用同頻組網(wǎng)方式。深度覆蓋層（室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)）原則上采用E頻段組網(wǎng)，在地鐵等封閉場景、場館等高容量需求場景、現(xiàn)有分布系統(tǒng)不支持E頻段或E頻段覆蓋效果不佳的場景，可以采用F頻段組網(wǎng)，在容量需求高的場景可以使用D頻段補(bǔ)充容量，層內(nèi)采用同頻組網(wǎng)方式。在容量站（層）小基站優(yōu)先使用D3頻點(diǎn)。考慮支持D3頻段終端的滲透率問題，在D2頻點(diǎn)沒有使用的區(qū)域先使用D2頻點(diǎn)。異構(gòu)網(wǎng)頻率策略示意圖如圖8所示。

3 4G異構(gòu)網(wǎng)規(guī)劃示例

3.1 場景簡介

以某商務(wù)區(qū)為例，區(qū)域面積約2.23平方公里，現(xiàn)有4G室外站26個、室外小區(qū)165個，4G室內(nèi)分布系統(tǒng)站點(diǎn)91個、室內(nèi)小區(qū)186個。區(qū)域內(nèi)忙時小區(qū)平均RRC連接數(shù)57個，有效RRC連接數(shù)8個，平均信道利用率35%，平均流量870 MB。

3.2 4G異構(gòu)網(wǎng)規(guī)劃方案

對DT數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，弱覆蓋采樣點(diǎn)占比約1.64%，其中連續(xù)弱覆蓋30 m以上的路段8個，對MR數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格級分析，RSRP低于-113 dBm的采樣點(diǎn)高于20%的柵格數(shù)量為70個，弱覆蓋柵格占比約12.6%。DT數(shù)據(jù)、MR數(shù)據(jù)覆蓋需求分析如圖9所示。

對于容量需求，將小區(qū)級流量按MR采樣點(diǎn)權(quán)重進(jìn)行柵格級分配，并按2017年底相對于現(xiàn)網(wǎng)總流量增長3.5倍計(jì)算，2017年底區(qū)域載波數(shù)總需求將約為221個，即需要增加56個載波來滿足容量需求，通過柵格級容量分析可知，除需要在廣覆蓋層基礎(chǔ)上擴(kuò)容40.5個載波外，還需要通過小基站部署方式部署16個載波以滿足局部柵格的容量需求。

將覆蓋站和容量站進(jìn)行最小化規(guī)模處理以滿足該區(qū)域至2017年底的覆蓋與容量需求，共需增加小基站28個，同時在原有宏基站基礎(chǔ)上擴(kuò)容載波40.5個。異構(gòu)網(wǎng)規(guī)劃方案總結(jié)如表5所示：

4 結(jié)束語

隨著用戶發(fā)展和VoLTE業(yè)務(wù)商用，4G網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)一步提升深度覆蓋質(zhì)量、加強(qiáng)熱點(diǎn)區(qū)域的容量能力、提升邊緣區(qū)域的業(yè)務(wù)感知水平。異構(gòu)網(wǎng)在提升覆蓋、擴(kuò)展容量、改善頻譜效率、降低工程協(xié)調(diào)與實(shí)施難度等方面效果顯著，隨著小基站部署規(guī)模的增加，需對異構(gòu)網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)技術(shù)體系進(jìn)行系統(tǒng)地研究。

在本文對異構(gòu)網(wǎng)構(gòu)成及分層功能、異構(gòu)網(wǎng)規(guī)劃指標(biāo)、異構(gòu)網(wǎng)部署場景及規(guī)劃原則研究的基礎(chǔ)上，后續(xù)還應(yīng)針對異構(gòu)網(wǎng)的站址規(guī)劃原則、分場景方案及設(shè)備配置、覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃及擴(kuò)容原則、軟件功能配置、宏微協(xié)同技術(shù)及參數(shù)設(shè)置等問題進(jìn)行深入研究，以滿足4G網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的各項(xiàng)要求。

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