基于實際城區場景的TD-LTE異構網絡性能研究*

祝煒凱 ，趙竹巖 ，康劍鋒 ，談振輝

（1.北京交通大學寬帶無線移動通信研究所 北京100044；2.諾基亞西門子通信技術（北京）有限公司 北京 100007）

1 引言

在移動互聯網高速發展的今天，多種多樣的網絡應用帶來了飛速的數據流量增長。到2014年，移動數據流量將會以每年一倍的速度增長[1]；研究表明移動數據流量中70%～80% 是由室內用戶產生[2]。而下一代通信系統LTE（long term evolution，長期演進技術）使用的高頻段（2 GHz及以上），使得無線信號傳輸損耗大，穿透能力弱，直接導致室內信號質量較差。傳統的改善信號覆蓋質量的做法是增加宏基站的覆蓋密度，然而在密集城區布置新的宏基站成本和難度很大，需要考慮其他方法來改善網絡性能。

研究表明，利用現有Macro eNode B（宏基站）對小區內的中低速率用戶進行覆蓋，在熱點地區新布置功率和覆蓋范圍更小的基站組成異構網絡，能有效改善網絡性能[3]。小功率的基站包括布置在室外的Micro eNode B（微基站）和布置在室內的Femto eNode B（家庭基站）。本文研究密集城區環境下TD-LTE網絡采用單一宏小區網絡組網和異構網絡組網的網絡性能。研究的TD-LTE網絡部署場景分別為：單一宏小區網絡；宏小區/微小區異構網絡；宏小區/家庭基站小區異構網絡；宏小區/微小區/家庭基站小區異構網絡。研究中根據實際3G宏小區網絡建立TD-LTE參考網絡，即采用實際網絡中的基站位置、天線高度、方向、下傾角等參數，并通過該地區的三維地圖計算用戶在樓層中的分布和信號傳播損耗。

2 研究方法和系統模型

[4]定義了一系列異構網絡仿真場景和模型，本文在此基礎上進一步研究，考慮了三維用戶分布、三維傳播路徑模型等參考文獻[4]中忽略的方面。具體闡述如下。

2.1 三維用戶分布

用戶分布為三維空間非均勻分布（如圖1用戶三維分布示意），用戶分布在地面和不同高度的建筑物內。假設用戶落入三維坐標（x,y,Floor）的概率密度與該點的參考網絡宏小區吞吐量統計值成正比。(x,y)為平面二維坐標，分辨率為10 m×10 m；Floor為樓層號。仿真中認為室內用戶占整個小區內用戶總數的70%，參考網絡同一宏小區覆蓋范圍內各樓層室內用戶等概率分布。室內外用戶分布概率計算式如式（1）、式（2）所示。其中 αTPeNodeB(m)是參考網絡下(x,y)所處宏小區m的統計吞吐量占參考網絡統計吞吐量的比例，Floor(x,y)是二維坐標(x,y)處最大樓層數，M是宏小區m內室內二維平面點的個數，N是宏小區m內室外二維平面點的個數。

2.2 三維傳播損耗模型

本文采用三維傳播損耗模型，考慮了eNode B天線的三維空間增益（包括水平增益和垂直增益）、eNode B和UE天線高度、eNode B天線下傾角等三維空間因素。其中，由于經驗損耗模型中接收機天線高度限定在10 m以下，而高層用戶高度遠大于10 m，因此需要修正經驗損耗模型。定義高度增益，非地面用戶（接收機天線高度大于1.5 m）可利用地面用戶（接收機天線高1.5 m）經驗路徑損耗公式計算結果與高度增益相加，得到修正的路徑損耗值。利用三維射線追蹤（3D ray-tracing）仿真工具[5]研究參考網絡內室內平面坐標不同高度上路徑損耗值之間的關系，經過大量樣本的平均可以得到高度增益如圖2所示。當用戶位于1.5～48 m時，路徑損耗隨樓層高度的增加以0.14 dB/m減少；當用戶位于48～79 m時，路徑損耗隨樓層高度增加而停止減少，并反以0.058 dB/m增加。由于79 m以上樣本值過少，為了模型準確性，79 m以上高度增益采用79 m處的值，可以發現高度增益為非正值，說明地面用戶路徑損耗相對較大；高度增益在48 m處出現極小值，而該參考網絡中eNode B的天線高度平均值為45 m左右 （因此該高度路徑損耗均值應為最小）。

2.3 系統模型

TD-LTE系統級仿真的物理層模型如參考文獻[6]所述，仿真中沒有直接考慮快速分組調度、鏈路自適應、混合自動重傳和用戶分級等影響小尺度衰落的因素，而是將這些因素包含在SINR（信干噪比）/吞吐量映射曲線（通過其他鏈路級仿真器得到）中。用戶按照下行鏈路最大導頻信道SINR原則選擇接入宏小區、微小區或者家庭基站小區。采用優化中斷率的資源分配算法，即每個小區內按UE的下行SINR從大到小的優先級為每個用戶分配能滿足系統設定速率的資源塊數量，若資源塊數量還有剩余，則將剩余資源塊全部分配給SINR最高的用戶；若高優先級用戶用盡所有資源塊，則低優先級UE吞吐量為0。其他仿真參數見表1。

表1 仿真參數

2.4 異構組網原則

中斷率，即一定區域內用戶下行吞吐量小于系統設定吞吐量的用戶數占該區域內所有用戶數的百分比。本文以中斷率作為關鍵性能指標。當整個網絡中斷率高于中斷率設定值（如5%）時，按照中斷率由大到小的優先級對網絡中的熱點地區布置一定數量帶內微小區或帶外家庭基站小區，與原有宏小區網絡組成異構網絡，直到網絡中斷率達到設定要求或按約束條件無法繼續布置新的小區為止。具體部署算法見參考文獻[5]。

3 仿真結果與分析

參考網絡為以國內某城市現有3G宏小區網絡為基礎升級的TD-LTE網絡，每個宏小區基站認為已經升級為三扇區TD-LTE基站，基站位置、天線高度、下傾角等信息采用原有網絡配置。為了避免邊界效應，只研究中心區域內的33個TD-LTE宏小區基站站址，即99個扇區的覆蓋區域，平均站間距為330 m，其他宏基站作為干擾基站。在中心區域按照2.1節描述的用戶密度函數播撒2 280個用戶（平均每個宏小區有22個用戶）。本文研究了4種場景下網絡的性能，其中場景1為參考網絡 （宏小區網絡），場景2、3、4為在場景1的宏小區網絡基站上，按照2.4節異構組網原則組成新的異構網絡，場景2、3、4的異構形式分別為宏小區/微小區、宏小區/家庭基站小區、宏小區/微小區/家庭基站小區。

表2是4種場景仿真結果，圖3是4種場景用戶下行吞吐量累積分布曲線。圖3拐點縱坐標對應中斷率，拐點橫坐標對應設定速率1 024 kbit/s。由表2和圖3可知，場景1單一宏小區網絡中斷率高達20%；場景2與場景1相比，新增200個微小區（平均每個宏小區2個微小區）滿足了5.0%的中斷率要求，網絡吞吐量也增加了2.85倍；場景3在所有滿足約束條件的位置布置了共4 206個家庭基站小區（平均每個宏小區42個家庭基站小區），雖然使得網絡吞吐量與場景1相比增加了7.1倍，但中斷率（7.7%）仍然不能滿足要求，與場景2相比家庭基站小區覆蓋效率極低；場景4與場景1相比，通過100個微小區和1 000個家庭基站小區達到了5.0%的中斷率 （平均每個宏小區1個微小區，10個家庭基站小區），并使得網絡吞吐量增加4.3倍。

表2 4種場景仿真結果

圖4～圖7是4種場景不同高度上UE連接小區分布和UE中斷率隨高度的分布，從不同樓層（每層樓高3.1 m）上分析網絡的中斷率及其分布情況。不同線條的柱狀圖代表不同類型小區。特定高度上網絡中斷率等于該高度上不同小區中斷率之和。各高度上的用戶數量是不同的，高度越高，用戶數量越少。

圖4表明場景1下單一宏小區各高度中斷率都在5%以上，30層以下網絡中斷率在10%～50%，35～44層的用戶中斷率在30%以上。

圖5表明場景2下，微小區分流了各個高度上至少25%的用戶；15層以上區間，分流能力可達45%以上。在中斷率分布方面，與場景1相比，30層以下小區中斷率全部降至3%～18%，引入的微小區中斷率較低不超過5%；而30層以上區間，中斷率有增有減（0～100%），對中斷率改善效果明顯不如30層以下。

圖6表明場景3下，家庭基站小區對網絡用戶的分流能力主要集中在30層以上的樓層，在35層以上樓層分流能力超過85%，分流能力超過場景2中的微小區；對30層以下的分流用戶能力在25%～40%，分流能力不如場景2中微小區。中斷率分布方面，30層以下的中斷率在4%至37%之間，不如場景2的微小區；30層以上的中斷率全部為0，效果明顯好于場景2網絡。

圖7表明場景4下，35層以上樓層區間，UE幾乎全部連接至家庭基站或微小區，以家庭基站小區分流為主（65%～100%）；30層及以下各樓層，多數用戶連接至宏小區（43%～73%），其次是微小區（20%～40%），家庭基站小區最多只能分流20%用戶。中斷率分布方面，30層以下的中斷率分布為3%～18%，接近場景2性能，好于場景3性能。30層以上的中斷率全部為0，與場景3性能相同，遠好于場景2性能。

總而言之，宏小區的覆蓋范圍最廣，能吸收最多的用戶數，但由于在實際部署中宏小區離用戶較遠，并且受宏小區密度的限制，不能為熱點小區用戶提供足夠的網絡容量，同時由于天線下傾角設置等原因，不能為高層用戶提供很好的覆蓋。微小區優勢在于30層以下網絡高質量的覆蓋能力，能分流較多用戶并有效降低網絡中斷率；和宏基站相比，微基站可以部署在離用戶所在樓層更近的地方，因此可以提供更好的樓內覆蓋，并且更好吸收樓內用戶產生的數據流量。家庭基站小區優勢在于提高網絡容量和30層以上網絡的覆蓋能力，分流大量30層以上用戶并解決該樓層區間網絡中斷率問題；和宏基站、微基站相比，家庭基站小區可以布置在室內，服務用戶的信號質量高，但是由于發射功率很小，按最大SINR原則決定的覆蓋范圍小，因此在30層以下宏（微）小區信號質量較好，分流能力不如宏（微）小區。宏小區/微小區/家庭基站小區異構方式能發揮兩種低功率小區各自的優勢，降低各個高度上網絡中斷率和網絡總體中斷率，提升網絡的覆蓋能力，增加網絡的容量。

4 結束語

本文對密集城區場景進行了三維建模，對4種場景不同高度網絡性能進行了詳細研究，得到不同異構方式網絡性能以及微小區和家庭基站小區的特性。根據實際需求，靈活選擇不同的異構組網方式，發揮微小區和家庭基站小區各自在低層/高層網絡的優勢，可以達到更好的覆蓋和容量性能。

參考文獻

1 Cisco VNI Forecast.Cisco Visual Networking Index:Global Mobile Data Traffic Forecast Update 2010-2015.Cisco Public Information,February 1,2011

2 Zhen Liu,Sorensen T,Wigard J.A site-specific study of inbuildingwirelesssolutions.ProceedingsofIEEE Vehicular Technology Conference,Ottawa,Canada,2010

3 Kimmo Hiltunen.Comparison of different network densification alternatives from the LTE downlink performance point of view.Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference,San Francisco,United States,Sep 2011

4 3GPP TR 36.814.Further Advancements for E-UTRA,Physical Layer Aspects version 1.5.1,December 2009

5 Colleti C.Mogensen P,Irmer R.Deployment of LTE in-band relay and micro base station in a realistic metropolitan scenario.Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference,San Francisco,United States,Sep 2011

6 Zhao ZhuYan,Wang Jian,Guan Hao,et al.TD-LTE network deployment evolution in a metropolitan scenario.Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference,San Francisco,United States,Sep 2011