LTE宏微協(xié)同組網(wǎng)性能評估

邱勇　烏云霄　張勍　盛煜

為了驗(yàn)證LTE微基站與宏站同頻組網(wǎng)的可行性，對不同場景下LTE宏微站同頻組網(wǎng)性能進(jìn)行了驗(yàn)證研究，分析了三種典型場景下微基站部署前后的網(wǎng)絡(luò)容量增益、覆蓋能力提升情況以及同頻干擾情況，給出了部分場景下宏微同頻組網(wǎng)與異頻組網(wǎng)的增益對比，并介紹了微基站的優(yōu)勢回傳方案。最后得出了分場景下同頻部署的組網(wǎng)性能情況，并給出了不同場景下的同頻組網(wǎng)要求和部署方案。

宏微協(xié)同 容量增益 宏微同頻干擾 PON回傳

1 引言

隨著移動業(yè)務(wù)量的迅猛增長，尤其是視頻業(yè)務(wù)的快速普及[1]，使得運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)容量需求與日俱增。然而，LTE FDD頻譜資源的匱乏與未來爆發(fā)式的容量增長形成了矛盾，不均衡的業(yè)務(wù)分布也對擴(kuò)容方案提出了更高的要求。MIMO、高階調(diào)制等關(guān)鍵技術(shù)的演進(jìn)雖然帶來較大的理論增益，但在應(yīng)用中，其對容量和覆蓋的提升也存在一定的瓶頸，效果有限。與此同時(shí)，在多制式多頻率共存的現(xiàn)狀下，站址物業(yè)的協(xié)調(diào)、天面資源的缺乏等使得運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本不斷攀升。隨著5G的引入，未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也向著超密集組網(wǎng)的方向演進(jìn)。因此，借助便捷靈活的微基站，部署與宏基站的異構(gòu)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)逐漸成為了一種趨勢。本文通過對同頻、異頻宏微協(xié)同組網(wǎng)的研究，對現(xiàn)網(wǎng)宏微同頻吸熱場景、補(bǔ)盲場景以及室內(nèi)覆蓋場景、異頻室內(nèi)覆蓋場景等不同場景下的覆蓋能力、容量增益、上下行干擾進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證和評估分析，總結(jié)了宏微系統(tǒng)組網(wǎng)下的增益效果。

2 微基站的主要應(yīng)用場景

利用微基站與宏基站協(xié)同組建異構(gòu)立體網(wǎng)絡(luò)，能夠快速靈活地建造有良好用戶體驗(yàn)的商用網(wǎng)絡(luò)，滿足熱點(diǎn)區(qū)域、重要的覆蓋場景以及部分難于解決的深度覆蓋場景數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的旺盛需求，場景具體可以分為：

（1）室內(nèi)室外的覆蓋盲區(qū)或弱覆蓋地區(qū)，例如城區(qū)的居民小區(qū)、街道，城鄉(xiāng)間的連接道路、沒有室內(nèi)分布系統(tǒng)的樓宇或新建設(shè)樓宇等；

（2）熱點(diǎn)地區(qū)容量的補(bǔ)充和分擔(dān)，特別是宏站站址難以獲取的場景，例如室內(nèi)的購物中心、交通樞紐、大型場館，室外的高校、密集居民區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、商業(yè)街廣場等可以采用微基站進(jìn)行快速部署，解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量問題[2]。

在實(shí)際部署時(shí)，如果微基站與宏基站同頻部署，頻譜效率較高，但需要考慮宏微基站間的干擾問題，部署位置和覆蓋范圍可能受影響。如果微基站與宏基站異頻部署，則不存在干擾問題，能夠減少部署位置的限制，易規(guī)劃，覆蓋和速率的提升也相對明顯[3]。

3 不同LTE宏微組網(wǎng)場景下

的覆蓋容量分析

3.1 場景1——覆蓋盲區(qū)/弱覆蓋

區(qū)域

（1）覆蓋能力分析

場景1選取的某街道全長500 m，道路平均RSRP為-107 dBm，借助街道路口的燈桿，在街道兩端分別部署了1部1.8 GHz同頻微基站來改善道路覆蓋。部署微站后，道路平均RSRP提升約10 dBm，圖1給出了微站部署前，以及部署微站5 W發(fā)射功率下的覆蓋情況對比。

可以看出在該場景下微基站的部署對區(qū)域覆蓋能力有明顯改善，單微站典型覆蓋能力在80 m～350 m，這與微站的配置、目標(biāo)覆蓋區(qū)域的宏基站信號強(qiáng)度以及地理環(huán)境對信號的遮擋情況都有關(guān)聯(lián)。

（2）容量增益分析

在典型用戶模型下（宏微用戶比例為3：1），部署微站后的宏微整體容量增益如圖2所示，下行最大增益205%，平均增益137%，上行最大增益235%，平均增益200%。

（3）小結(jié)

微站配置5 W或2 W發(fā)射功率均能有效改善盲點(diǎn)道路覆蓋，道路平均RSRP增益10 dBm。微站配置2 W發(fā)射功率時(shí)，用戶感知優(yōu)于5 W的情況，覆蓋遍歷顯示下行平均SINR值較5 W平均增益2 dB。宏微站間平均切換時(shí)延在加載加擾后略有所增加，在5 ms以內(nèi)，與宏站間的切換時(shí)延差別不大。在典型用戶模型下（3：1），部署微站后下行總?cè)萘科骄鲆?37%，上行總?cè)萘科骄鲆?00%，微基站加載加擾后，對宏站的容量略有影響，宏站下行容量下降11%，上行容量下降5%～12%，相應(yīng)地，宏站加載對微站容量也有一定影響，微站下行容量下降20%，上行容量下降12%～20%。

3.2 場景2——熱點(diǎn)覆蓋區(qū)域

（1）容量增益分析

場景2選取了某廣場區(qū)域，此處人流密集，選取路燈桿部署了1部與宏基站同頻的微基站進(jìn)行容量分擔(dān)。在典型用戶模型下（宏微用戶比例為3：1），微基站部署后，上、下行容量均有一定增益，下行總?cè)萘科骄鲆?1%，上行總?cè)萘科骄鲆?9%，下行容量增益情況如圖3所示。下行容量增益與用戶分布和微站部署位置密切相關(guān)，由于該微站的部署位置距離宏站較近，雖在微站部署前后整體容量有增益，但容量增益有限。

通過對該微基站進(jìn)行為期一周左右的KPI統(tǒng)計(jì)分析可以看出，周末時(shí)段RRC最大連接數(shù)和最大激活用戶數(shù)最多，而統(tǒng)計(jì)RRC連接建立成功率、ERAB建立成功率發(fā)現(xiàn)均在99.88%以上，小站話務(wù)分擔(dān)情況正常，KPI指標(biāo)良好。圖4給出了該微基站的RRC連接數(shù)目統(tǒng)計(jì)，可以看出微站的部署分擔(dān)了宏基站的接入用戶數(shù)。

（2）下行干擾分析

微基站部署后，宏基站終端在微基站主瓣方向上進(jìn)行拉遠(yuǎn)測試的平均速率有13.1%幅度的降低，對干擾極端嚴(yán)重的情況進(jìn)行摸底后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微基站重載時(shí)，宏基站用戶受到微基站下行干擾明顯，宏基站下行吞吐率平均下降達(dá)46%。同時(shí)，微基站用戶下行吞吐量也受到一定程度的影響，平均微基站下行吞吐率下降19%。因此，在微基站與宏基站需要同頻部署的情況下，為避免干擾，建議宏微基站盡量避免共站址部署。

（3）小結(jié)

宏微同頻共站址部署，微站站高15 m，在5 W的發(fā)射功率下，微站覆蓋能力為100 m，在2 W的發(fā)射功率下，覆蓋能力為40 m，2 W覆蓋范圍內(nèi)的用戶感知要優(yōu)于5 W，因此平均SINR值要高。部署微站后，下行總?cè)萘科骄鲆?1%，上行總?cè)萘科骄鲆?9%，但區(qū)域有限。宏微切換時(shí)延和宏站間切換時(shí)延相比無明顯變化，基于S1的宏微切換相對于X2接口，控制面時(shí)延有10 ms的增加，用戶面時(shí)延基本不變。微站重載時(shí)，宏站用戶受到微站下行干擾，使得宏站平均下行吞吐率平均下降46%，同時(shí)，微站用戶下行吞吐量也受到一定程度的影響，平均微站下行吞吐率下降19%，因此，為避免干擾，建議宏微盡量避免共站址部署。宏微同頻部署，下行容量增益與用戶的分布和微站部署位置密切相關(guān)，增益一般在20%到150%之間波動；上行容量增益與干擾用戶分布及發(fā)射功率相關(guān)，增益一般在50%到200%之間波動。

3.3 場景3——室內(nèi)覆蓋區(qū)域

（1）覆蓋能力分析

同頻室內(nèi)場景3選取了某體育場館，面積約1500 m2，三面看臺環(huán)繞。微基站部署于主席臺正上方，且與室外宏基站同頻部署，功率為2×250 mW，天線為扣板定向天線，天線水平波瓣70?，垂直波瓣60?，天線增益7 dBi。場館看臺遍歷測試結(jié)果顯示，部署微站后，場館平均RSRP為-83.35 dBm。由于墻體阻隔，室內(nèi)微站信號無法泄露至場館外，場館周邊的宏站用戶未受到微站的下行干擾，室內(nèi)靠近窗邊的2%～3%的用戶會接入宏站。

因此，該場景下場館內(nèi)部署1部微站即可滿足其內(nèi)部覆蓋需求，并且由于地理位置和墻體的阻隔，室內(nèi)空間相對封閉，干擾情況并不顯著。

（2）容量增益分析

微基站若與宏基站同頻部署，應(yīng)該合理控制微基站的覆蓋范圍以獲得最高收益[4]。當(dāng)宏微基站部署的相對位置以及配置參數(shù)確定后，整體的下行容量增益與小區(qū)用戶距離宏微邊界的遠(yuǎn)近占比有關(guān)，上行容量增益也受到發(fā)射功率較高的其他小區(qū)用戶的影響，若距離站址較近的用戶數(shù)占比大，則上行干擾也隨之加大。經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，干擾較大時(shí)下行容量損失并不嚴(yán)重，但上行容量損失明顯，圖5（a）、（b）分別給出了干擾相對較重的情況下以及干擾較輕情況下的上行容量對比情況：

（3）異頻覆蓋分析

將室內(nèi)覆蓋場景3場館內(nèi)部署的1部與宏基站同頻（1.8 GHz）的微站更換為不同頻（2.1 GHz）的微基站，而后進(jìn)行異頻同頻對比分析。與部署微站之前相比，小區(qū)SINR平均提升9.3 dB，下行吞吐量提升2.4倍，上行吞吐量提升0.77倍；與部署同頻微基站情況相比，SINR平均提升13.3 dB，下行吞吐量提升了1.2倍，上行吞吐量提升0.9倍。

從驗(yàn)證結(jié)果可以看出，2.1 GHz微站覆蓋SINR優(yōu)于1.8 GHz同頻微站，因此應(yīng)優(yōu)先選擇異頻覆蓋以避免同頻干擾。微基站部署前后覆蓋遍歷對比如表1所示：

從容量增益來看，部署異頻微基站由于不存在與宏站的干擾，因此容量增益十分明顯，圖6給出了異頻覆蓋情況與同頻微基站部署下的容量增益對比：

可以看出，部署異頻微基站后，與同頻微站干擾較重的情況相比，平均下行容量增益57%，平均上行容量增益高達(dá)303%。

（4）小結(jié)

微站配置2×250 mW的發(fā)射功率，能夠有效覆蓋面積約1500 m2的場館，場館平均RSRP為-83.35 dBm，平均SINR為11.04 dB。室內(nèi)部署微站后，下行容量增益平均40.5%，上行增益浮動較大，在干擾較小的情況下，增益可達(dá)238%，干擾較大的情況中增益僅2%。由于墻體阻隔，室內(nèi)微站信號無法泄露至場館外，因此場館周邊的宏站用戶未受到微站的下行干擾，室內(nèi)靠近窗戶的2%～3%的用戶會接入宏站。微站在部署時(shí)可以根據(jù)具體的場景選擇合適部署位置，并通過功率、方位角、下傾角等物理方式規(guī)避對宏站用戶的下行干擾。上行方向，要盡量避免大量的宏站用戶聚集在室內(nèi)微站覆蓋邊緣區(qū)域，造成對微站上行的強(qiáng)干擾。

體育館覆蓋場景中，容量不高的小型體育場館一般選用1個(gè)微站并1個(gè)小區(qū)即可，對單小區(qū)不能滿足需求的體育場館，扇區(qū)劃分一般以看臺平面進(jìn)行豎切，看臺下方區(qū)域可以與看臺共小區(qū)。體育場館切換區(qū)域避免設(shè)在話務(wù)高峰地帶或觀眾席中間，場館出入口要保證良好的覆蓋和順暢的切換，覆蓋能力不足時(shí)可使用外接高增益天線。充分利用建筑結(jié)構(gòu)規(guī)劃小區(qū)，小區(qū)邊界盡量避免落在移動性強(qiáng)、高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量大的地方。

4 微基站回傳方案

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看到，不同場景下微基站的靈活應(yīng)用確實(shí)為運(yùn)營商提供了更便捷的部署方式，微基站的回傳如果也能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)靈活就更好了。目前，中國聯(lián)通基于PON（Passive Optical Network，無源光纖網(wǎng)絡(luò)）固網(wǎng)寬帶接入正在積極完善規(guī)模部署，若可以借助PON網(wǎng)絡(luò)接入，微基站建設(shè)時(shí)就可利用豐富的現(xiàn)網(wǎng)PON資源實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳。

PON網(wǎng)絡(luò)承載的微基站回傳可以根據(jù)傳輸鏈路的不同分為兩種情況：

（1）一是通過打通PON與IPRAN間的接口經(jīng)光線路終端OLT上聯(lián)IPRAN，由IPRAN核心層實(shí)現(xiàn)S1路由轉(zhuǎn)發(fā)至移動核心網(wǎng)的專網(wǎng)回傳方式，架構(gòu)如圖7所示。

（2）二是OLT通過固網(wǎng)接入IP城域網(wǎng)和SR路由器，從而接入移動核心網(wǎng)的公網(wǎng)回傳方式，其架構(gòu)如圖8所示。

同時(shí)，基于PON實(shí)現(xiàn)微基站回傳也可以滿足QoS與同步方面的要求：

在QoS保障方面，PON網(wǎng)絡(luò)在傳輸時(shí)延和帶寬能力上能夠滿足LTE承載需求，支持802.1P的QoS調(diào)度策略，并支持通過增加PON口以及為光網(wǎng)絡(luò)單元ONU靈活分配帶寬的方式來保證無線業(yè)務(wù)的QoS。

在同步源提供方面，現(xiàn)網(wǎng)PON網(wǎng)絡(luò)主要服務(wù)于寬帶接入，一般不支持直接為基站提供時(shí)間同步源。但可通過設(shè)備硬軟件改造的方式提供同步功能，具體包括：1）在OLT端增設(shè)時(shí)鐘接口板，直接輸入GPS和1pps+TOD信號；2）在OLT端增設(shè)上聯(lián)板利用網(wǎng)絡(luò)前端的1588v2或同步以太網(wǎng)來提供時(shí)鐘和相位。

需要注意的是，考慮到基站與核心網(wǎng)交互數(shù)據(jù)的安全性以及微站設(shè)備安裝部署方式的特殊性，需要在核心網(wǎng)側(cè)架設(shè)安全網(wǎng)關(guān)，建立IPSec隧道，以保護(hù)數(shù)據(jù)流量的機(jī)密性和完整性，并保障核心網(wǎng)的安全。

5 結(jié)束語

文章簡要介紹了微基站部署的主要應(yīng)用場景，然后分別對覆蓋盲區(qū)/弱覆蓋區(qū)域、熱點(diǎn)覆蓋地區(qū)以及大型室內(nèi)場館等三種場景得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)展開了分析和討論。分別分析了三種不同場景下微基站的覆蓋能力、容量增益情況，以及同頻干擾和負(fù)荷分擔(dān)情況。最后介紹了基于PON網(wǎng)絡(luò)的微基站傳輸方案。

目前，宏微基站的協(xié)同部署根據(jù)頻譜利用率、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品成熟度、建設(shè)復(fù)雜度的不同，存在同頻、異頻兩種不同的建設(shè)方案。對于宏微基站同頻的情況，建議通過調(diào)整微基站發(fā)射功率、下傾角、方向角等多種手段，同時(shí)根據(jù)業(yè)務(wù)的分布情況，精細(xì)化控制微基站覆蓋范圍，從而提高容量增益和整網(wǎng)用戶體驗(yàn)。而在宏微基站異頻部署情況下，不存在宏微之間干擾問題，容量增益明顯，當(dāng)然這也是以消耗頻譜資源為代價(jià)的。

從上述研究分析中可以看出，基于微基站的分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署可以提升容量、擴(kuò)大覆蓋，保證盲區(qū)、弱覆蓋地區(qū)、熱點(diǎn)區(qū)域等典型業(yè)務(wù)場景的業(yè)務(wù)需求，降低宏基站部署成本，減少中國聯(lián)通客戶流失覆蓋。

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