Small Cell在異構網(wǎng)建設中的應用研究

閆文斌

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡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，移動通信的發(fā)展迎來了一個新的里程碑。但LTE的部署和商用，仍然會面臨3G發(fā)展過程中遇到的問題，如數(shù)據(jù)業(yè)務流量的爆發(fā)增長與所帶來收入的不平衡、局部深度覆蓋差對用戶體驗的影響、基站建設物業(yè)獲取更加困難、建設成本不斷提高等。為了解決這些困擾，全球運營商、設備廠家、芯片廠家等都進行了很多探索，成立了Small Cell Forum來進行相關政策、產(chǎn)品、架構等方面的研究。從目前來看，通過大量部署Small Cell來構建多層異構網(wǎng)絡（Multi-Layer HetNets）已經(jīng)成為主流的應對之道。在國內(nèi)，Small Cell的發(fā)展仍然沒有步入快速軌道，主要是由于對異構網(wǎng)絡的整體架構、技術標準都有不少困惑，本文通過Small Cell的建設實踐來總結(jié)相關經(jīng)驗，為大規(guī)模部署Small Cell做積累。

2 研究背景

2.1 Small Cell業(yè)界進展

Small Cell是各種低功耗、小型化、集成化的無線接入點設備的概稱，它工作于許可頻段，由運營商進行管理，基于智能化的技術為傳統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡提供補充。Small Cell的產(chǎn)品形態(tài)可以是RRU拉遠單元、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)會員組織，旨在Femtocell技術的標準化和推廣。Femtocell的實際商用并不如當初預期的那樣理想，主要原因有：技術層面的不穩(wěn)定性，干擾，頻率規(guī)劃和移動性方面的復雜性，商業(yè)模式的不明確，終端成本一直居高不下，用戶體驗不是很良好等。

盡管Femtocell技術沒有取得預期的商業(yè)成功，但Femtocell衍生出的自組織網(wǎng)絡技術（SON）、寬帶IP回傳、扁平化網(wǎng)絡結(jié)構以及設備小型化緊湊化等思想成為未來蜂窩通信的技術主流，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，擴展了研究范圍，包括中國聯(lián)通在內(nèi)的67家運營商和75家產(chǎn)業(yè)鏈供應商已經(jīng)加入這一論壇。

同時，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的架構定義。從2012年9月開始，LTE標準演進已經(jīng)進入R12階段。相比之前的版本，R12版本面臨的主要任務是應對未來全球無線數(shù)據(jù)業(yè)務的爆炸式增長。而Small Cell成為應對這一挑戰(zhàn)的最主要方式。Small Cell在LTE標準化過程中占據(jù)了重要地位，是R12版本中最重要的標準化方向。隨著智能終端的大量應用，根據(jù)預測，未來10年無線數(shù)據(jù)業(yè)務將有近1 000倍的增長。面對這一巨大挑戰(zhàn)，業(yè)界進行了大量的交流，基本明確了應對這一挑戰(zhàn)的幾個基本維度：頻譜效率提升、頻譜擴展、密集部署及數(shù)據(jù)分流?？紤]到無線數(shù)據(jù)業(yè)務發(fā)生的不均衡性，即大部分業(yè)務將發(fā)生在熱點及室內(nèi)，Small Cell無疑將成為應對無線數(shù)據(jù)業(yè)務增長的最主要方式。3GPP內(nèi)部經(jīng)討論達成高度共識，在R12針對Small Cell進行全面增強，使其成為R12最核心立項。

密集部署為3GPP在R12中對Small Cell進行標準化的最重要內(nèi)容。密集部署是解決未來無線數(shù)據(jù)業(yè)務增長最重要的維度。隨著業(yè)務量增加，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，干擾管理和移動性管理將成為最重要的問題。針對這2個問題，Small Cell物理層專門進行了小區(qū)開關和小區(qū)發(fā)現(xiàn)的增強研究，Small Cell高層進行了宏基站與Small Cell的雙連接研究。相關研究成果一旦標準化，將對Small Cell密集部署帶來巨大的效率提升。

2.2 Small Cell應用分析

雖然R12是為LTE部署而進行Small Cell的專題立項，但是其解決思路對于目前3G網(wǎng)絡也有很好的借鑒意義，所以大量運營商和廠商希望在3G頻段部署Small Cell來進行網(wǎng)絡發(fā)展。根據(jù)Informa Telecoms and Media的數(shù)據(jù)，小型基站市場規(guī)模將在2016年達到220億美元，其中73%將來自于公共場所。這使97.5%的移動運營商受訪者相信，小型基站將是未來移動網(wǎng)絡的關鍵。

通過Small Cell，希望能實現(xiàn)如下4個方面的改善：

（1）Hotspot and Indoor：解決熱點和室內(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)絡性能和用戶體驗。

簡單來說，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區(qū)域的分流解決方案。

本文結(jié)合本地在Small Cell建設方案的一些嘗試對Small Cell的應用場景、頻率規(guī)劃、宏微協(xié)同等進行一些探索，希望能解決運營商目前在網(wǎng)絡建設中遇到的深度覆蓋難解決、基站建設物業(yè)難獲取、投資收入剪刀差日趨明顯等困境。

3 建設實例

3.1 覆蓋問題解決類

以本地一個步行街覆蓋為例，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，但由于步行街比較狹窄，且周圍商鋪進深也比較深，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。

建設方式如下：

（1）設備架設方式：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置。

建設實例如圖1所示：

圖1 淘金農(nóng)貿(mào)街道站實際安裝圖

圖2 淘金農(nóng)貿(mào)街道站開通前RSCP

建設效果：在路測驗證中，開通前后RSCP對比如圖2和圖3所示，從開通前的平均-95dBm以下提升到-75dBm以上。通過測量，改善路段在200m左右。

業(yè)務量分析：將覆蓋同一區(qū)域的Small Cell和宏站小區(qū)組成簇進行話務分析，統(tǒng)計開通前后一周的數(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，可以假設為這部分流量被Small Cell進行了分流吸收，通過統(tǒng)計，Small Cell挖掘出的潛在業(yè)務為3 249MB。統(tǒng)計如表1所示：

表1 覆蓋區(qū)域Small Cell開通前后業(yè)務量對比

從實際開通效果看，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)務進行了挖掘。從建設成本分析，因沒有高投資的配套，所以單站建設成本非常低，尤其是節(jié)省了可觀的物業(yè)租金，有效降低了運營成本。

3.2 熱點容量解決類

3G業(yè)務熱點主要集中在商業(yè)密集區(qū)、交通樞紐、校園、集團客戶所在地，這其中尤其是校園，因為用戶長期穩(wěn)定聚集在一片區(qū)域，對網(wǎng)絡容量的挑戰(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，學校面積300m×300m左右，校園中心食堂已有宏站1個，從覆蓋角度看，學校面積不大，所以整體覆蓋良好。主要存在問題是容量需求，校園迎新后，該站擴到4 載頻，但BBU 主控板負荷頻繁超過80%，導致告警閃斷，嚴重影響用戶感知，同時關于網(wǎng)速慢的投訴也很多，法定頻率已經(jīng)用完，無法通過擴容解決，而且擴容后BBU處理能力也受限。

解決方案：在流量高發(fā)的宿舍區(qū)、教學區(qū)就近用戶位置安裝一定數(shù)量的Small Cell來進行容量分流和挖掘。以原有基站S1范圍教學區(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Small Cell的PSC分別為257、258、259。

建設方式：

（1）設備架設方式：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：因為已經(jīng)擴到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置，未做異頻設置。

建設效果：對比“部署Small Cell前的宏小區(qū)”和“宏小區(qū)加Small Cell形成的簇”這2項在Small Cell部署前后的KPI。

（1）覆蓋提升：如圖6所示，對比原宏小區(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，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)務分流和挖潛：分別統(tǒng)計開通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個微基站組成的微cluster的數(shù)據(jù)流量和用戶數(shù)。

從統(tǒng)計數(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)務和用戶，CS業(yè)務量增加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前校園站點分布

圖5 機械技校安裝Small Cell位置分布

圖6 機械技校Small Cell開通前后覆蓋區(qū)域覆蓋率變化

圖7 機械技校Small Cell開通前后宏站Ec/Io對比

（4）用戶感知：對比開通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負荷從80%以上降低到68%左右，RTWP減低0.9dB，下行負荷降低6.5%左右。

圖8 機械技校范圍內(nèi)HSDPA吞吐量

圖9 機械技校范圍內(nèi)HSUPA吞吐量

圖10 機械技校范圍內(nèi)HSDPA用戶數(shù)

圖11 機械技校范圍內(nèi)HSUPA用戶數(shù)

圖12 機械技校HSDPA單用戶平均吞吐量

圖13 機械技校HSUPA單用戶平均吞吐量

綜合以上統(tǒng)計，部署Small Cell后，由于將原有集中在一個宏小區(qū)的用戶進行了卸載，所以原宏小區(qū)的各項KPI都有改善，尤其是用戶體驗有了極大的改善。而微基站的加入，并不僅僅是將原有的宏小區(qū)的業(yè)務進行簡單的分流，而是通過覆蓋的有效控制和增強，在給原有小區(qū)減負荷的同時，挖掘出了潛在的業(yè)務需求，這些業(yè)務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)勢及部署建議

通過若干試點，驗證了Small Cell在解決無限容量和覆蓋方面的獨特優(yōu)勢，尤其是應用在一些傳統(tǒng)建設方式無法解決的場景。

以上文覆蓋類場景的建設為例，在解決這類型問題時，以往的解決方案不外乎是就近建設基站，按照傳統(tǒng)的基站建設標準，需要建設普通板狀天線或者美化天線，建設電源和配套設施，這在站距已經(jīng)很近的密集市區(qū)幾乎很難做到。而且如果基站建設到樓頂，因為“燈下黑”的原因，路面和兩旁街鋪的深度覆蓋仍然無法解決。通過Small Cell，靈活利用公共設施，可以低成本地解決此類難點。

而對于熱點容量分流型的場景，往往也是基站站距已經(jīng)過近，超過場景平均水平，不適合繼續(xù)部署宏基站，干擾問題會嚴重影響數(shù)據(jù)業(yè)務速率。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設備上，就近精準的吸收業(yè)務，降低對周圍宏基站的干擾，提升整個區(qū)域的業(yè)務承載能力。而且Small Cell因為外觀美觀，有別于傳統(tǒng)基站，物業(yè)的接受度高，可以不按照基站進行物業(yè)租賃，可以低成本高密度進行建設。

4.1 Small Cell建設的優(yōu)點

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

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

（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)絡的傳輸資源，做到資源復用，降低建設難度和成本。

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

4.2 Small Cell部署場景建議

經(jīng)過現(xiàn)有安裝場景總結(jié)，建議安裝場景如下：

（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)務密集場所分流。

4.3 Small Cell建設方式建議

部署Small Cell的初衷就是為了低成本的解決網(wǎng)絡問題，所以在建設方式上要靈活處理，盡量避免產(chǎn)生物業(yè)租賃費用，利用公共基礎設施，采用資源置換等方式，利用政府政策支持，降低建設成本和運維成本，提高網(wǎng)絡效益，這才是Small Cell能真正投入運營的基礎。

5 結(jié)論

現(xiàn)階段及在未來很長一段時間內(nèi)，3G和4G的零碎化弱覆蓋需求和局部熱點高業(yè)務集中都是運營商網(wǎng)絡建設和優(yōu)化的重點和難點，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，對于運營商來說無疑是有效提高網(wǎng)絡效益、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性管理、干擾控制、頻率規(guī)劃等技術標準方面再做進一步研究和規(guī)范，但從全球運營商和產(chǎn)業(yè)鏈的關注程度來看，國內(nèi)運營商必須積極跟進Small Cell建設模式，解決建設過程中碰到的技術、管理等方面的問題，以期通過Small Cell異構網(wǎng)絡降低整體網(wǎng)絡CAPEX和OPEX，提高運營商盈利能力。

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