4G異構網規(guī)劃體系及建模研究

湯利民　程日濤　徐德平　鄧安達　張炎炎

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

異構網 規(guī)劃指標 頻率規(guī)劃

1 引言

1.1 4G異構網

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

1.2 4G異構網對于中國移動的意義

異構網對于中國移動網絡建設至少在三個方面發(fā)揮著重要作用。

（1）覆蓋提升、質量提升

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)；其次因為建筑物內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絡結構的限制，該區(qū)域的覆蓋需要提升；最后，重疊覆蓋嚴重的小區(qū)邊緣區(qū)域的質量較差，通過異構網方式可以建立優(yōu)勢主小區(qū)信息進而提升覆蓋質量。

如圖2異構網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），網絡質量顯著提升。

（2）容量補充、頻譜效率提升

對于移動網絡數據流量的增長趨勢，普遍預測為年均復合增長率（CAGR）約100%，按此速度發(fā)展，未來20年的數據流量約為現(xiàn)網的百萬倍，解決容量需求的方法是站址數量（1000倍）×頻譜資源（100倍）×頻譜效率提升（10倍）。而應對流量增長的主要措施之一是站址密度的增加。從仿真數據看，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致網絡質量的下降。因此利用更多的低功率基站設備進行覆蓋是必然的解決方案。異構網組網場景容量提升效果如表2所示：

此外，隨著對4G網絡運營質量和效率的關注，通過異構網方式提升頻譜效率也將被更廣泛的應用。

（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，可以借助異構網小基站作為工程替代方案。

2 4G異構網規(guī)劃體系與方法

2.1 4G異構網組成及功能

基于異構網技術特性及建設管理要求，4G異構網可分為覆蓋層和容量層。

（1）覆蓋層分層定義

廣域覆蓋層：在廣域范圍實現(xiàn)室外及部分室內區(qū)域連續(xù)覆蓋、滿足基本容量需求的網絡層，單發(fā)射點覆蓋距離在數百米以上。

深度覆蓋層（室外站）：在室外建設基站，針對局部區(qū)域實現(xiàn)深度覆蓋或滿足容量需求的網絡層，單發(fā)射點覆蓋距離低于同區(qū)域廣域覆蓋層，一般為數十至數百米。

深度覆蓋層（室內覆蓋系統(tǒng)）：在室內區(qū)域建設基站，針對特定建筑物實現(xiàn)深度覆蓋或容量需求的網絡層，單發(fā)射點覆蓋距離為數十米以下。

（2）容量層定義

容量站（層）：在覆蓋層基礎上，用于容量補充的站點。

中國移動4G異構網組成及功能示意圖如圖3所示。

2.2 4G異構網規(guī)劃指標體系

（1）規(guī)劃指標基準

規(guī)劃指標需要滿足業(yè)務需求、容量需求、網絡能力、對標考慮等多個層面的要求。業(yè)務需求方面，不同業(yè)務類型對基本保證速率要求不同，目標速率規(guī)劃需要考慮邊緣所需滿足的業(yè)務速率。容量需求方面，網絡的容量需求需通過載頻規(guī)模和單載頻承載能力綜合實現(xiàn)，區(qū)域容量需求也影響規(guī)劃目標速率。網絡能力方面，除受到網絡技術體制的限制外，規(guī)劃目標速率還與網絡結構、無線傳播環(huán)境等因素相關。此外還需要考慮基于競爭壓力等的非技術因素。

基于系統(tǒng)能力分析，“RSRP≥-113 dBm，RS-SINR≥-3dB”是滿足網絡基本接入性能的門限要求。根據3GPP定義的會話類（Conversational）、交互類（Interactive）、流類（Streaming）、背景類（Background）四類業(yè)務要求，除高清視頻業(yè)務外，下行邊緣速率達到1～2 Mbps基本可以滿足主要高速數據業(yè)務的需求。針對不同場景分析RS-SINR與業(yè)務速率（100RB）之間的相關性，可看到兩者CDF曲線達到某一門限的比例具有較穩(wěn)定的對應關系，即滿足50%負荷條件下邊緣速率1 Mbps對應的RS-SINR指標要求為-3 dB。該結論在不同城市、不同場景、不同天線模式、不同加載比例以及不同廠家設備等情況下均適用。

對于VoLTE語音業(yè)務，鏈路預算和測試驗證數據均表明，在滿足基本的KPI指標及MOS質量要求下，“RSRP≥-113 dBm，RS-SINR≥-3 dB”滿足VoLTE高清語音業(yè)務要求。VoLTE業(yè)務覆蓋能力預算及VoLTE業(yè)務覆蓋能力測試驗證如圖4、圖5所示。

（2）異構網規(guī)劃分層規(guī)劃指標

1）廣域覆蓋層

功能：實現(xiàn)連續(xù)覆蓋和廣域覆蓋目標，同時滿足基礎容量需求。

覆蓋目標：實現(xiàn)道路連續(xù)覆蓋，利用路測（DT）數據進行覆蓋情況評價，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)宏基站無法實施的場景采用其他微基站、Relay等方式。

規(guī)劃指標：廣域覆蓋層規(guī)劃指標如表3所示。

2）深度覆蓋層（室外站）

功能：實現(xiàn)深度覆蓋和基本的容量需求。

覆蓋目標：滿足建筑物的深度覆蓋需求，利用測量報告（MR）數據進行覆蓋情況評價，后續(xù)方案考慮對于價值建筑物（流量、4G用戶數等維度）制定覆蓋率目標。

建設方式：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：室外區(qū)域目標同廣域覆蓋層；室內區(qū)域目標為RSRP≥-113 dBm，RS-SINR≥ -3 dB。

3）深度覆蓋層（室內站）

功能：實現(xiàn)建筑物深度覆蓋和基本的容量需求。

覆蓋目標：滿足建筑物的深度覆蓋需求，利用測量報告（MR）數據進行覆蓋情況評價，后續(xù)方案考慮對于價值建筑物（流量、4G用戶數等維度）制定覆蓋目標。

建設方式：宏基站等信源+室內分布系統(tǒng)、皮基站、飛基站等。

規(guī)劃指標：深度覆蓋層（室內站）規(guī)劃指標如表4 所示：

4）容量層

功能：實現(xiàn)容量補充。

覆蓋目標：針對容量需求超出覆蓋層提供能力的區(qū)域進行容量補充，基于網管定義的小區(qū)負荷信息，達到擴容標準的小區(qū)覆蓋區(qū)域需要進行容量站（層）建設。

建設方式：與各覆蓋層相同。

2.3 4G異構網規(guī)劃方法

異構網規(guī)劃應實現(xiàn)以“精”為核心的規(guī)劃要求，相對于傳統(tǒng)網絡規(guī)劃方法，從基于理論及仿真分析轉向以現(xiàn)網大數據分析為基礎，同時呈現(xiàn)出應用大數據需求帶來的工具化趨勢。

（1）需求分析

需求分析的目標是明確異構網需要解決的柵格（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+室外）、建筑物（基礎數據）等確定覆蓋需求標準，DT/路面數據按連續(xù)30 m低于覆蓋指標要求確定需求，MR數據按柵格級80%的概率低于覆蓋指標要求確定需求。

基于網管的小區(qū)負荷信息，結合業(yè)務發(fā)展預期，可確定容量需求。網絡負荷需要結合小區(qū)級和柵格級流量分析，首先預測場x年后的流量增長倍數，小區(qū)級結合現(xiàn)網負荷數據及增長預期估計載波數需求，當滿配不能滿足小區(qū)級需求后考慮增加小基站補充柵格級容量需求。需求分析示例如圖6所示。

（2）方案建模

異構網部署應綜合考慮市場驅動力、網絡建設需求、無線性能、傳輸等其他配套實施代價、投資收益比的要求。方案建模的關鍵內容包括：

1）異構網覆蓋建模：核心是評估各類建設方式覆蓋能力；

2）異構網容量建模：核心是評估各類建設方式的頻譜效率，需結合同異頻策略評估；

3）異構網造價建模：核心是評估各類建設方式的成本。

異構網方案建模如圖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）通信時，一定時間內信號質量達到規(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。基站規(guī)模和覆蓋概率間不是線性關系，在覆蓋概率較高的區(qū)間段，基站規(guī)模呈指數上升。比如，當區(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施性。因此在異構網中可以利用小基站實現(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)劃目標的前提下，可通過小基站部署實現(xiàn)路面連續(xù)覆蓋。通過分析DT數據對連續(xù)30 m的弱覆蓋區(qū)域進行小基站建設，根據建筑物覆蓋需求及價值，建設小基站實現(xiàn)室內深度覆蓋，要求覆蓋質量滿足“-113 dBm，-3 dB”的目標。當然，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，深度覆蓋層（室內覆蓋系統(tǒng)）、容量站（層）異頻組網；遠期采用同頻組網。

近、中期頻率策略需考慮組網要求、系統(tǒng)能力的情況，廣域覆蓋層使用F、D頻段，層內采用同頻組網方式，F(xiàn)頻段設備支持30 MHz、D頻段設備支持60 MHz帶寬。深度覆蓋層（室外站）與廣域覆蓋層同頻補盲，層內采用同頻組網方式。深度覆蓋層（室內覆蓋系統(tǒng)）原則上采用E頻段組網，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，在容量需求高的場景可以使用D頻段補充容量，層內采用同頻組網方式。在容量站（層）小基站優(yōu)先使用D3頻點。考慮支持D3頻段終端的滲透率問題，在D2頻點沒有使用的區(qū)域先使用D2頻點。異構網頻率策略示意圖如圖8所示。

3 4G異構網規(guī)劃示例

3.1 場景簡介

以某商務區(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室內分布系統(tǒng)站點91個、室內小區(qū)186個。區(qū)域內忙時小區(qū)平均RRC連接數57個，有效RRC連接數8個，平均信道利用率35%，平均流量870 MB。

3.2 4G異構網規(guī)劃方案

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

對于容量需求，將小區(qū)級流量按MR采樣點權重進行柵格級分配，并按2017年底相對于現(xiàn)網總流量增長3.5倍計算，2017年底區(qū)域載波數總需求將約為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上擴容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上擴容載波40.5個。異構網規(guī)劃方案總結如表5所示：

4 結束語

隨著用戶發(fā)展和VoLTE業(yè)務商用，4G網絡需要進一步提升深度覆蓋質量、加強熱點區(qū)域的容量能力、提升邊緣區(qū)域的業(yè)務感知水平。異構網在提升覆蓋、擴展容量、改善頻譜效率、降低工程協(xié)調與實施難度等方面效果顯著，隨著小基站部署規(guī)模的增加，需對異構網的規(guī)劃建設技術體系進行系統(tǒng)地研究。

在本文對異構網構成及分層功能、異構網規(guī)劃指標、異構網部署場景及規(guī)劃原則研究的基礎上，后續(xù)還應針對異構網的站址規(guī)劃原則、分場景方案及設備配置、覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃及擴容原則、軟件功能配置、宏微協(xié)同技術及參數設置等問題進行深入研究，以滿足4G網絡異構網規(guī)劃建設的各項要求。

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