校园高话务区FDD—LTE覆盖方式分析

谢卫浩++张文++彭海涛

1 背景

根据网络发展趋势，电信运营商关注校园高话务区（以学生宿舍区为代表）的FDD-LTE覆盖预案，为今后的校园网络建设作准备。

背景是根据3G话务的经验，正常教学日21：00～23：00，学生宿舍区用户高度密集且数据业务话务量大，容易引发系统话务负荷重、资源瓶颈拥塞的问题，需要制定区别于大网的特殊覆盖组网方式。

某省会城市典型的高校宿舍区环境如图1所示。多层宿舍楼一般为5～6层高，长度为40～80米，楼间距为15～35米，有较多的“口”字型或“一”字型楼宇。

2 3种类型小区定义

为描述方便，按覆盖面积的大小，将宿舍区涉及的小区类型分为宏小区、微小区和微微小区。

2.1 宏小区

（1）基本定义

即现网的常规室外基站小区，天线高度高于建筑物天面，覆盖半径数百米。宏站的信号源为RRU或传统宏基站。

可以通过扇区裂化或站址裂化进行扩容，详见第5节。

（2）容量特征

蜂窝组网的室外宏小区考虑商用、邻区加载情况，小区下行平均吞吐量为35Mbps左右，每小区可承载的RRC连接用户数均大于100个（不考虑商务License），如果按100个连接用户计算，宏小区每用户RRC连接态下行平均速率可达350kbps左右；因为RRC连接态由用户下载数据时间和无数据下载等待休眠时间这2部分组成，所以用户感受速率会明显高于连接态平均速率。根据3G话务数据分析经验，上述速率水平能够满足高校学生用户的使用且有足够裕量。

一个宏小区可覆盖十几栋到几十栋宿舍楼。

2.2 微小区

（1）基本定义

含灯杆站、点射站和室内DAS等几种形式，覆盖半径从几十米到100米。

灯杆站、点射站也称为室外微小区，要求天线和目标寝室窗户之间视距可达。如果是灯杆站，信号源适合使用瓦级微站（例如中兴的8912产品），覆盖范围相对较大，覆盖半径介于几十米到100米之间，1个灯杆站可覆盖1栋或者几栋宿舍楼的视距直达面；如果是附着于建筑物的点射站，信源可选瓦级微站或百毫瓦级Pico（例如中兴的8102产品），使用Pico时信源应放置于楼内，通过较短馈线外接小定向天线覆盖对面楼宇，覆盖距离较近（例如20～40米），详见第5节。

使用DAS时，可认为室内微小区，几层楼共用1个RRU或者每层楼独用1个RRU，不建议在同一楼层进行小区分裂。

（2）容量特征

由于室外微小区传播环境为视距直达、距离较近，小区平均吞吐量略高于宏小区，估计为40Mbps左右，每小区可承载的RRC连接用户数均不低于100个（不考虑商务License），按100个计算，室外微小区每用户RRC连接态下行平均速率可达400kbps。

室内DAS小区的下行平均吞吐量约为50～60Mbps（单通道室分），每小区可承载的RRC连接用户数均不低于100个（不考虑商务License），按100个计算，室内小区每用户RRC连接态下行平均速率可达500～600kbps，容量承载能力优于室外微小区。

对于灯杆站、点射站方式，每栋宿舍楼由2～4个小区进行覆盖，进一步增加小区数量的潜力较小；用DAS方式，信号源可裂化为每层楼1个小区，则1栋宿舍楼最多可由5～6个小区覆盖，扩容潜力最大且分裂实施简便。

2.3 微微小区

（1）基本定义

包括pRRU同楼层小区裂化部署（例如中兴的Q-Cell产品）和Pico室内分布式部署这2种方式。

该方式适用于极端容量需求场景，即话务量超大、超密集或者视频等大流量业务非常集中的宿舍楼，预计出现这种需求的概率较小。

（2）容量特征

pRRU或Pico的单小区容量承载能力与室内微小区（DAS）近似，参见上文所述。

Pico在宿舍楼内分布式部署时，由于宿舍内寝室隔墙较多，每个Pico的覆盖半径仅有10米左右，每层楼均需要部署3～5个Pico，则1栋楼就需要18～30个，每个Pico都是独立小区容量，这种方式具备最大的网络容量承载能力。如果pRRU在宿舍楼内分布式部署，视其分裂还是共小区方式，其容量承载能力介于Pico分布式和DAS方式之间。

3 网络覆盖的层次

3.1 基本结构

当宏小区裂化不能满足宿舍区容量需求时，网络覆盖通常会部署2层：“宏小区”+“微小区”（见图2）或者“宏小区”+“微微小区”。

图2 宏微2层覆盖组网示意图

宏小区是基础，主要解决面上（道路、地面）的覆盖，而且能兼顾小部分的话务负荷，由微小区或微微小区承担主要话务负荷。

在同一区域，“微小区”和“微微小区”这2种类型原则上不重叠存在，只会选择其中一类进行实施，而且实施时会成片推广。究竟是选择“微小区”还是“微微小区”，主要基于每栋宿舍楼的用户容量实际需求，需求量特别大的则可能会用到“微微小区”，大多数情况下“微小区”就能够满足要求。

有一种情况例外，就是室内微小区（DAS）和微微小区可以并存，例如：宿舍楼一部分楼层用DAS，另一部分楼层用微微小区。

3.2 干扰协调和控制

（1）宏微之间

为控制宏微小区之间的干扰，可采用以下方式之一：

◆微小区或微微小区均使用2.1GHz频段，与宏小区（1.8GHz）异频，可配置宏→微为A4异频切换，例如：微小区RSRP>-105dBm时切换到2.1G，微→宏为A5异频切换；微小区RSRP<-110dBm、宏小区RSRP>-105dBm时才切换到1.8G，这样有利于UE快速且稳定驻留在微小区，由微小区承担主要话务。

◆如果微小区处于宏小区信号较弱的区域，则相互影响较小，宏微可以同频。

（2）宏小区裂化

由于宏站天线需放置于教学楼或宿舍楼天面，天线挂高通常为25～35米，难以降低，校园属于普通城区环境，为了避免小区间的重叠切换区比例过大影响下行信噪比，校园内站间距不宜低于400米，同时配合较大下倾角（含电下倾）、合适的天线朝向、充分利用建筑物阻隔。例如：四川大学、西南交通大学老校区的现网拓扑，站间距主要为400～650米，通过进一步分裂、缩小站间距来增加宏小区数量的潜力不大。

（3）微小区之间

主要指室外微小区之间的干扰控制。尽量利用建筑物的遮挡，使室外微小区之间视距不可达，因为微小区的天线通常低于建筑物天面，实现这个要求难度低于宏小区情形；视距可达的微小区之间，应充分利用天线波瓣角、天线朝向来降低小区之间的重叠区。

（4）微微小区之间

注意不同的pRRU超级小区之间或Pico之间的距离、点位设置，尽量避免寝室内到相邻无线节点之间的距离相等、墙体穿透损耗相等，在房间内形成切换区，避免无线节点之间有奇数个房间，应充分利用房间间隔、墙体穿透损耗特点，令任一个寝室内到相邻无线节点的空间路径均有明显差异，减少房间内切换区面积，例如无线节点之间有偶数个房间。

4 部署分析步骤

4.1 基本步骤

高校宿舍区覆盖部署方式的分析和建设步骤可参考图3所示。

具体说明如下：

（1）“每栋宿舍所需FDD-LTE小区数”小于1个时，则可以多栋相邻的宿舍楼共享1个小区，根据片区小区数量需求缺口的大小，选择宏小区裂化方式或者部署室外微小区方式。例如：如果需求的小区总数是现网宏小区的2倍左右，则宏小区裂化方式可基本满足；如果需求的小区总数是现网宏小区的3倍以上，则建议选择微小区方式。

（2）“所需FDD-LTE小区数”为1～6个时，则建议选用微小区模式。

（3）“所需FDD-LTE小区数”大于6个时，则可考虑采用微微小区模式。

每种模式还可细分为几种分支，具体选择哪个分支取决于校园当地环境、现有条件和投资规模等多种因素，参见第5节。例如：已有宿舍楼建有2G/3G的DAS系统，那么LTE应优先采用这种方式，通常只需合路共享即可省事省力。

4.2 容量预算方法

建议以RRC连接用户数而不是吞吐量来评估宿舍区所需的小区数量，因为根据3G的经验，校园的小区吞吐量不是话务的瓶颈。

估算宿舍楼（或片区）所需小区数量=取整（忙时FDD-LTE连接用户数（RRC连接态）/每小区正常承载用户数） （1）

其中，忙时FDD-LTE连接用户数（RRC连接态）=学生数量*电信用户渗透率*FDD-LTE用户渗透率*忙时激活连接比例。假设校园区域的每小区RRC连接用户数上限为100个，小区正常负荷承载为70%，则对应70个用户。

举例：针对某栋宿舍楼，学生宿舍的常见平面布局是中间为走廊，两边为大致对称的寝室，宿舍楼尺寸为长（60～80米）*宽（15～20米），寝室的常见尺寸为宽（3～4米）*深（6～7米）。那么，宿舍楼每层约有30～45个寝室，每个寝室按平均5个学生居住来算，每层楼约有150～225个学生，1栋楼按5～6层计算，则每栋楼有学生750～ 1 350人。取1栋楼典型值1 000人，参照上文计算方法，LTE业务发展初期FDD-LTE用户渗透率为50%，中后期为80%，则1栋楼所需的小区数为：

（1）LTE业务发展初期：

INT（1000*50%*50%*25%/70）=1

（2）LTE业务发展中后期：

INT（1000*50%*80%*25%/70）=2

4.3 实施策略

由于用户规模是逐步增长的，超前一次性建成的话可能令网络资源长时间冗余闲置，按现状动态滚动规划设计的话，有可能前期的设计与后期需求形成矛盾，因此建议按LTE发展中后期的目标进行统一规划、分步实施。

5 校园常用覆盖方式介绍和对比

5.1 宏小区裂化—劈裂天线应用

该方式的容量可比传统组网方式提升50%～80%，在3G已有小规模的应用。其特点是要将常规的65度水平波瓣角天线替换为2*33度的劈裂天线，基站小区设备数量翻倍。

优点是扇区分裂对容量提升有明显作用，实施简便、改造成本较低（更换天线、增加基站设备）；缺点是容量分裂的地理定位不够精确，基站必须靠近话务密集区，否则效果不明显。

5.2 宏小区裂化—站址裂化

基本思路是缩小宏小区的覆盖面积，增加基站密度，通过降低天线挂高、加大下倾角、降低下行发射功率等措施配套实现。该方式改变了宏小区拓扑，通常能提升1～2倍容量，进一步提升难度较大。

该方式操作的难度、工作量和成本都比上文的劈裂天线分裂方式更大，而优点是地理定位精确、扩容效果较好。

5.3 室外微小区—立杆站

把无线信号源和天线放置于校园灯杆、监控杆或电力杆上，天线挂高5～10米，低于建筑物天面高度，视距覆盖邻近的宿舍楼。这是深度覆盖的一种常用方式，无线信号源通常采用瓦级微站。

如果立杆站（微站）和室外宏站之间同频组网，则立杆站应选择在宏站覆盖相对较弱的地方；如果宏微异频组网，则条件可以大幅放宽。

5.4 室外微小区—“微站/Pico+室外定向小天线”

也称为点射站，信号源可采用瓦级微站或百毫瓦级Pico，本文将重点介绍成本较低的信号源——百毫瓦级Pico。

由于学生宿舍楼间距较小（20～40米），以视距直达为主，当只覆盖对面楼宇正面的寝室时，室内纵深较小，可采用Pico信号源+定向天线的方式。

链路预算计算表明：Pico下行最大发射功率125mW，采用10dBi增益_水平波瓣角65度_垂直波瓣角28度的小板状天线（该天线已商用），馈线跳线插损0.5dB，阴影衰落裕量8dB，2.1GHz频段，室外视距传播环境下，经过建筑物穿透损耗20dB到达室内RSRP≥-100dBm的覆盖半径可达40～50米。

举例：如果楼间距为30米，Pico安装于楼梯通道内，天线安装于外墙上，则覆盖对面楼宇的立面面积较大（宽38米*高15米），可覆盖几十个寝室，如图4所示。

各宿舍楼之间采用对打，某高校局部的覆盖组网示例如图5所示。

由此可见，覆盖每栋宿舍楼只需2～4个Pico信号源即可，且施工简便。

5.5 室内微小区—DAS

即传统室分方式，2G、3G网络在高校宿舍已有规模应用。

5.6 微微小区—室内Pico分布式

在学生宿舍内走廊天花，间隔一段距离放置1个Pico（例如中兴的8102，又称室内毫瓦级站）。

优点是无需铺设馈线，以网线替代，施工简便；缺点是受寝室墙体间隔较多的影响，每个Pico的覆盖范围有限，需要部署的数量较多。

5.7 微微小区—室内pRRU分布式

与室内Pico分布式部署类似，只是把Pico替换为pRRU。

增加的优点是产品更美观，而且pRRU之间可合并为超级小区，也可分裂，配置更灵活；缺点是需要部署的pBridge、pRRU数量较多，设备投资成本要高一些。

5.8 各种覆盖方式的对比

为便于理解，从运营商关注的几个维度对上述多种覆盖方式进行了对比，具体如表1所示。

参考文献：

[1] 谢卫浩，杨太星，余良志. CDMA校园区域业务模型及扩容优化方法[J]. 移动通信， 2011（11）： 28-32.

[2] 王有为，徐志宇，夏国忠. WCDMA特殊场景覆盖规划与优化[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2011.

[3] 王云中. LTE无线网络特殊场景规划[EB/OL]. （2013-10-25）. http：//www.zte.com.cn/cndata/magazine/zte_technologies/2013/10_2013/magazine/201310/t20131025_410897.html.

[4] 常晓丹，申昌湖. TD-LTE深度覆盖解决方案[EB/OL]. （2012-06-12）. http：//tech.c114.net/164/a696459.html.

[5] 韩营. 中兴通讯：高密度LTE站点方案打造精品网络[EB/OL]. （2013-09-12）. http：//www.ccidcom.com/html/chanpinjishu/wuxiantongxin/4G/LTE/201309/12-207147.html.