前5G時代超密組網方案研究與實踐

仇勇 孫正輝 鄭康 袁宇恒 宋嘯天

1.中國移動通信集團江蘇有限公司；2.鎮江市審計局

0 引言

現在學術界和產業界大量討論5G中毫米波技術和超密組網等技術趨勢和解決方案，而在前5G時代，當前熱點區域4G網絡容量已趨于飽和，如演唱會、體育賽事、大型活動等人群密集場景，用戶在小范圍密集出現，且終端使用頻繁，容量壓力巨大，提升4G網絡下高用戶密度時的網絡容量已成為當前急需解決的問題。

增加容量的幾個可選方案如下：

一是增加頻譜利用率。通過更高階調制方式使無線電波的幅度和相位發生更多變化，產生載波更多不同狀態傳遞更多信息量。但在無線環境下，復雜調制方式容易導致數據傳輸誤碼率更高，解決方式復雜。

二是增加頻譜帶寬。相對于提高頻譜利用率，增加帶寬的方法更加簡單。但是目前4G頻段都在3GHz以下，能用帶寬有限，并且頻段由國家分配，無法不限量增加，擴容前景不足。

三是實現超密組網。通過在同一片區域內增加4G小區數量，將用戶劃分在不同小區上承載，提高單位面積容量密度，從而實現容量增加。這是目前最快速便捷可行的容量提升方案。

超密組網的主要問題是站址選擇和干擾協調。目前普遍的思路是通過增加站址、更多小站、減小站間距的方式實現超密組網，但超密組網需要站址更接近用戶，天面高度適中，而公眾往往過度擔憂輻射問題，使得合適站址的選擇越來越困難，對小型化隱蔽化的要求越來越高。

同時，站點密集化帶來的小區間干擾協調問題增加。密集小區會導致重疊覆蓋增加，小區邊緣覆蓋質量劣化，如果不能有效解決小區間干擾問題，超密組網帶來的容量增益就會下降。

1 超密組網方案設計

為解決超密組網存在的站址協調和小區間干擾的問題，考慮到多波束天線在同天線點位增加覆蓋扇區的能力以及CRAN技術中小區協同的特性，本文建議從多波束天線的使用和CRAN技術使用上研究解決方案。

1.1 基于多波束天線技術的超密組網方案

1.1.1 多波束天線

傳統的單扇區容量提升方案是在同一扇區上疊加更多載波，擴容能力有限，而多波束天線（又稱劈裂天線）則是將一片區域劃分為不同扇區，利用多波束天線覆蓋精確化控制，波束之間良好的隔離度，切換邊界減小，有利于提升用戶感知和增加容量。

圖1 不同扇區容量提升方案

多波束天線主要分為三類：

無源多波束天線：反射面、透鏡類（準光類）、矩陣類（傳輸線電路類）；

多波束相控陣天線：射頻相控、中頻相控、本振相控；

數字域多波束天線：數字多波束。

其中，民用通信領域主要是無源多波束天線，其中透鏡類實現難度大但效果好波束更多，如美國總統就職典禮使用透鏡結構的多波束天線，可在原先一個扇區內形成18個小區，可大幅提升覆蓋面積上的吞吐量。該天線產品體積約為普通8天線的100倍，重量約為普通8天線的10倍。

圖2 透鏡天線實物圖和與原理圖

而采用矩陣類多波束天線，相對來說波束間隔較小重疊較大，但工藝實現簡單，造價更低，更適合在民用通信領域規模使用。以下主要介紹此類多波束天線。

1.1.2 多波束天線原理

矩陣類（傳輸線電路類）多波束天線，主要是通過巴特勒矩陣實現。

基站天線陣列是由若干個輻射單元以各種組合形式（直線、圓環、三角和平面陣列）在空間上排列組成的天線系統，在基站天線中，決定天線陣列輻射方向圖的主要因素有：陣列單元數目、陣列單元排陣方式、陣列單元間距，以及每個陣列單元饋電的幅度和相位。多波束天線的Butler矩陣賦形原理與常規電調天線賦形原理相同，只不過給了每個陣列單元水平面幅相加權。多波束陣列的每個陣列單元幅度和相位是二維結構，既有垂直面的一列的單元之間幅度和相位加權，實現常規的電調下傾角；還有水平面的列與列單元之間水平面幅度與相位差，實現水平面波束的合成與指向偏轉。換句話說，在這時，Butler矩陣充當了水平面的一個具有賦形功能的移相器作用。

以五波束天線為例說明其實現原理。

圖3 五波束天線饋電網絡巴特勒矩陣

五波束天線饋電網絡的巴特勒矩陣分為兩級，第一級巴特勒由兩個3dB電橋和一分二功分器組成，第二級巴特勒由兩塊3×3巴特勒矩陣組成。五波束天線饋電網絡巴特勒矩陣不同波束輸入端口互相隔離，具有極高的隔離度，從5個不同的巴特勒輸入端口輸入射頻信號，6個輸出端口會產生不水平列不同相位差的信號，然后接入到天線陣列中，從而在水平面形成五個不同指向方向的波束。

1.1.3 多波束天線超密組網方案及技術優勢

在站址選擇越來越困難的情況下，利用現有站址資源，快速增加容量，可以選擇多波束天線進行超密組網。

多波束天線在應對超密組網方面具備以下優勢：

窄波束更深覆蓋：一個扇區從一般65度水平波瓣變成更窄波瓣，功率譜密度增加，邊緣信號增強，從而實現更好深度覆蓋。

新技術更大隔離：通過巴特勒矩陣，實現了多個波束間的信號的幅度和相位調制，隔離度夠好，波束間重疊覆蓋小，從而保證了波束間的干擾可控。

多扇區更多小區：由于波束間具備了更好的隔離度，可以同頻組網，同時在每個波束上可以開啟多個載波小區（例如TDD-D1/D1/D3），可以實現更大容量，理論上單D頻段五波束天線可以支持單天線15個載波小區開啟。

施工快更低成本：在不新增站點情況下，利舊現有站址資源，更換多波束天線，可以實現快速、低成本擴容。

1.2 基于CRAN技術的超密組網方案

1.2.1 CRAN技術

隨著站點密度逐步增加，新站型帶來的立體組網越來越難，傳統大區域分層的無線網絡建設方式弊端明顯：基站數量快速增加，標準站址的獲取越來越困難；大量小站、拉遠站需要靈活接入網絡，對管道、光纜纖芯資源消耗大，接入效率低；核心地帶站間距縮小，重疊覆蓋度急劇上升；底層網與宏站覆蓋帶來的干擾逐漸增加，容易導致覆蓋好速率差；基站基帶資源獨立劃分且分散使用，不能統籌調度，設備能耗大、基帶資源利用率低、擴容投入大、頻率資源無法協同，CAPEX/OPEX逐年增加。

CRAN技術可以很好地解決上述問題。

CRAN組網方案在不同基站的小區之間建立業務協同關系，將基站內部小區間的業務協同，擴展到基站之間，從而擴大了協同的范圍，提升網絡性能，改善用戶體驗。

圖4 CRAN組網方案在不同基站的小區之間建立的業務協同關系

（1）“0”切換

高鐵場景或密集城區內快速移動引起小區間頻繁切換，通過CRAN方案實現小區合并有效控制切換，降低掉話率。

（2）“0”干擾

密集城區站點過密引起嚴重的小區間干擾，小區邊緣用戶體驗差，CRAN方案實現跨站小區間信號聯合接收和信號聯合功控調度，降低小區間干擾，提升小區邊緣用戶體驗。

（3）CA Everywhere

站內CA由于高低頻覆蓋半徑不同， 存在CA覆蓋盲區，CRAN方案實現站間聯合CA，補齊站內載波聚合盲區，實現CA無處不在的用戶體驗。

1.2.2 CRAN超密組網方案及技術優勢

圖5 CRAN網絡架構：集中（Centralization）+協同（Coordination）

通過BBU集中放置，并在其間配置高速交換單元，開啟CRAN特性功能，支持小區間協同。

（1）基于BBU協作的站間SFN/ASFN

SFN（Single Frequency NetworK）主要應用于室外覆蓋場景、室內覆蓋場景、室內和室外聯合覆蓋場景，也可以應用于高速鐵路覆蓋場景?；驹硎菍⒍鄠€RRU合并為一個SFN小區, 與合并前的非SFN小區相比，在SFN小區內，各RRU之間的下行控制信道和PDSCH都沒有了干擾，反而可以通過下行聯合發送獲得一定的增益，同時提升了物理小區邊緣用戶的SINR。

（2）基于BBU協作的上行聯合接收（UL CoMP）

UL CoMP采用了多點聯合接收（JR：Joint Reception）方案，其基本原理為：利用相鄰小區的天線對某一個用戶的發送信號進行聯合接收，獲得多天線的信號合并增益或干擾抑制增益。UL CoMP可以提升小區邊緣用戶上行吞吐率，也可以提升小區上行的平均吞吐率。對數據業務用戶而言，UL CoMP使上行MCS升高，縮短數據業務傳輸時長；對語音業務用戶而言，UL CoMP使上行MCS升高，在極遠點降低誤碼率，減小VoIP丟包率和時延，提升語音質量，VoIP用戶滿意率提升。

（3）基于協調調度的功率控制（CSPC）

CSPC是一種在時域和頻域上對小區的發射功率進行協調的特性，結合調度和功率控制技術用于降低小區間干擾。適用的場景是網絡業務量上升后，PRB（Physical Resource BlocK）利用率較高且站間距較小的LTE網絡。CSPC特性開通后，基站根據接收到的小區功率配置結果對下行發射功率進行調整，每個小區將獲得本小區和鄰區在相同時頻資源上的發射功率配置，及時更新邊緣UE調度的MCS（Modulation and Coding Scheme），從而提升用戶的頻譜效率。

（4）基于BBU互聯的載波聚合（inter-site CA）

為了能夠在基站間實現載波聚合，需要運用跨站載波聚合技術，以實現資源利用率最大化；運營商的離散頻譜資源（尤其是Refarming之后）可以得到充分利用，實現載波聚合無縫覆蓋，給用戶帶來更好的體驗。

超密組網帶來的小區間干擾問題，利用CRAN技術的集中布放、干擾協調等特點可以解決，所以CARN技術是超密組網的一個應用方案。

2 現網實踐

作者在江蘇省內已經開展相關研究與應用，驗證了相關技術方案落地后的效果。

2.1 多波束天線超密組網實踐

為驗證多波束天線的大容量場景的使用效果，在江蘇省蘇州市、徐州市和鎮江市對體育活動、高校等場景進行了驗證，達到了預期的效果。

2.1.1 蘇州張家港馬拉松保障

（1）基本情況介紹

2017年張家港國際馬拉松賽起終點設在張家港世紀廣場，為保障起點處的用戶網絡感知，我們在游泳館基站（120.537，31.8801）試點了五波束天線。

（2）覆蓋性能測試結果

站點開通后，通過對道路、廣場測試，根據切換帶驗證5波束天線覆蓋各波瓣方位角，增益效果。

圖6 增益效果

小結：

覆蓋：測試人民路及世紀廣場覆蓋較好，整體RSRP在-70至-98dbm。

SINR：整體SINR值在15至28，切換時降至10左右。

下載速率：整體下載速率在50-80Mbps，峰值可達100Mbps。

（3）旁瓣抑制效果驗證

統計篩選條件：鄰區個數≥3，RSRP差值＜6db；

如圖7所示，標紅的為重疊覆蓋區域，綠色區域為其它波瓣干擾抑制效果較好。

（4）高話務場景保障效果驗證

據官方統計，本次張家港國際馬拉松賽涉及人員3-4萬人（其中1.2萬參賽），賽事期間FDD波束天線（分小區）對比TDD（TOP5）按時段流量、用戶數統計，從流量來看：FDD上行流量明顯高于TDD；下行承載相同用戶，FDD吸收流量也高于TDD，當承載用戶數為100 左右時，FDD∶TDD（流量）=2∶1；當承載用戶數≥200時，FDD∶TDD（流量）=3∶1左右。

賽事期間FDD（5波束）吸收流量205.52GB，占比30.59%，通信車吸收流量138.59GB，占比20.63%，現網TDD吸收流量327.78GB，占比48.79%?？梢奆DD五波束天線和通信車吸收了超過一半的業務量，同時5個FDD小區吸收的業務超過通信車的10個小區吸收的業務，整體吸收效果優于通信車。

圖7 重疊覆蓋區域以及其它波瓣干擾抑制效果較好的區域

2.1.2 小結

上述案例說明，在大業務量場景下的超密組網，可以通過多波束天線的使用來實現，能夠保持小區間良好的隔離度，各個波束覆蓋和吸收業務情況良好。

2.2 CRAN超密組網現網應用

2.2.1 南京高校應用

前期對南京進行了CRAN整體規劃，目前主要完成部分高校區域的調整。第一批已完成20個區域，平均聚合8個物理站，MR重疊覆蓋度17%，干擾小區占比11%，經過測試和統計驗證，該方案（見圖8）實現了容量提升。

圖8 某站點實施改造方案

（1）CRAN能實現站間載波聚合，提高客戶體驗

在4G覆蓋較好的地點，站間載波聚合的下載速率平均增益能夠達到95%左右。

在4G覆蓋較差的地點，站間載波聚合的下載速率平均增益為83%左右。

圖9 站間下行載波聚合測試

開啟站間載波聚合后，比僅開啟站內載波聚合時，用戶進入載波聚合狀態的比例增加了20個百分點以上。

開啟站間載波聚合后，比僅開啟站內載波聚合時，用戶的平均下載速率提升了2Mbps。

圖10 道路拉網測試對比

基于C-RAN的站間載波聚合的性能已接近于站內載波聚合，支持D頻段內及F+D頻段間的聚合。

站間載波聚合能力使用戶進入載波聚合狀態的比例顯著增加，用戶速率提升。

（2）CRAN能實現站間干擾抑制，降低干擾

小區邊緣用戶平均下行速率由8.5Mbps提高到11.2Mbps，平均增益32%，最大增益達到207%。

用戶下行速率在5Mbps以上的采樣點明顯增多。

平均編碼調制等級（MCS）由9.7提高至11.5。

圖11 站間下行CoMP效果

圖12 關閉后邊緣用戶速率下降

小區上行邊緣用戶平均上行速率由254Kbps提高到402Kbps，平均增益59%，最大增益107%。用戶上行速率在1～5Mbps的采樣點明顯增多。小區上行吞吐率平均增益4.1%。

圖13 站間上行CoMP效果

圖14 開啟后邊緣用戶速率提升

2.2.2 小結

CRAN技術的部署，可以實現小區間載波聚合，提高用戶體驗，可以實現小區間干擾協同，降低干擾，提高整體容量，有效應對超密組網情況下小區間重疊覆蓋和同頻干擾。

3 結論

前5G時代，隨著4G網絡的不斷完善，各種新興業務的發展，對網絡容量的要求越來越高，超密組網是運營商必須采取的措施之一;而應對由此帶來的站址難選、成本高企以及重疊覆蓋、站間干擾，應用多波束天線和CRAN技術可以有效解決上述難題。這兩種方案可以用于應對高校、高端CBD、演唱會、體育賽事、廣場等超高話務和大型活動場景。江蘇移動在此方面做了一些研究和應用，希望能夠對行業發展提供一定的探索價值。