Small Cell在异构网建设中的应用研究

闫文斌

（中国联合网络通信有限公司广州市分公司，广东 广州 510630）

1 引言

随着4G的商用，移动通信的发展迎来了一个新的里程碑。但LTE的部署和商用，仍然会面临3G发展过程中遇到的问题，如数据业务流量的爆发增长与所带来收入的不平衡、局部深度覆盖差对用户体验的影响、基站建设物业获取更加困难、建设成本不断提高等。为了解决这些困扰，全球运营商、设备厂家、芯片厂家等都进行了很多探索，成立了Small Cell Forum来进行相关政策、产品、架构等方面的研究。从目前来看，通过大量部署Small Cell来构建多层异构网络（Multi-Layer HetNets）已经成为主流的应对之道。在国内，Small Cell的发展仍然没有步入快速轨道，主要是由于对异构网络的整体架构、技术标准都有不少困惑，本文通过Small Cell的建设实践来总结相关经验，为大规模部署Small Cell做积累。

2 研究背景

2.1 Small Cell业界进展

Small Cell是各种低功耗、小型化、集成化的无线接入点设备的概称，它工作于许可频段，由运营商进行管理，基于智能化的技术为传统宏蜂窝网络提供补充。Small Cell的产品形态可以是RRU拉远单元、微蜂窝、皮蜂窝、Femtocell等。

早在2007年6月份，前Picochip、Ubiquisys、Vodafone等公司在伦敦成立了Femto Forum行业会员组织，旨在Femtocell技术的标准化和推广。Femtocell的实际商用并不如当初预期的那样理想，主要原因有：技术层面的不稳定性，干扰，频率规划和移动性方面的复杂性，商业模式的不明确，终端成本一直居高不下，用户体验不是很良好等。

尽管Femtocell技术没有取得预期的商业成功，但Femtocell衍生出的自组织网络技术（SON）、宽带IP回传、扁平化网络结构以及设备小型化紧凑化等思想成为未来蜂窝通信的技术主流，直接催生了Small Cell这一产品形态。因此在2012年2月份，Femto Forum改名为Small Cell Forum，扩展了研究范围，包括中国联通在内的67家运营商和75家产业链供应商已经加入这一论坛。

同时，3GPP也于2007年开始把Home Node B作为研究方向，并在Relaese8中完成了HNB/HeNB的架构定义。从2012年9月开始，LTE标准演进已经进入R12阶段。相比之前的版本，R12版本面临的主要任务是应对未来全球无线数据业务的爆炸式增长。而Small Cell成为应对这一挑战的最主要方式。Small Cell在LTE标准化过程中占据了重要地位，是R12版本中最重要的标准化方向。随着智能终端的大量应用，根据预测，未来10年无线数据业务将有近1 000倍的增长。面对这一巨大挑战，业界进行了大量的交流，基本明确了应对这一挑战的几个基本维度：频谱效率提升、频谱扩展、密集部署及数据分流。考虑到无线数据业务发生的不均衡性，即大部分业务将发生在热点及室内，Small Cell无疑将成为应对无线数据业务增长的最主要方式。3GPP内部经讨论达成高度共识，在R12针对Small Cell进行全面增强，使其成为R12最核心立项。

密集部署为3GPP在R12中对Small Cell进行标准化的最重要内容。密集部署是解决未来无线数据业务增长最重要的维度。随着业务量增加，低功率的密集部署是提升单位面积吞吐量的最有效手段。随着Small Cell部署数量提升，干扰管理和移动性管理将成为最重要的问题。针对这2个问题，Small Cell物理层专门进行了小区开关和小区发现的增强研究，Small Cell高层进行了宏基站与Small Cell的双连接研究。相关研究成果一旦标准化，将对Small Cell密集部署带来巨大的效率提升。

2.2 Small Cell应用分析

虽然R12是为LTE部署而进行Small Cell的专题立项，但是其解决思路对于目前3G网络也有很好的借鉴意义，所以大量运营商和厂商希望在3G频段部署Small Cell来进行网络发展。根据Informa Telecoms and Media的数据，小型基站市场规模将在2016年达到220亿美元，其中73%将来自于公共场所。这使97.5%的移动运营商受访者相信，小型基站将是未来移动网络的关键。

通过Small Cell，希望能实现如下4个方面的改善：

（1）Hotspot and Indoor：解决热点和室内的覆盖和容量；

（2）Higher frequency：利用高频段来改善局部弱覆盖覆盖；

（3）Higher bandwidth：更大带宽，更高容量；

（4）Higher performance：更好的网络性能和用户体验。

简单来说，目前Small Cell主要用于零散的小范围的覆盖解决方案以及热点区域的分流解决方案。

本文结合本地在Small Cell建设方案的一些尝试对Small Cell的应用场景、频率规划、宏微协同等进行一些探索，希望能解决运营商目前在网络建设中遇到的深度覆盖难解决、基站建设物业难获取、投资收入剪刀差日趋明显等困境。

3 建设实例

3.1 覆盖问题解决类

以本地一个步行街覆盖为例，无线环境为狭窄隧道式，两侧楼宇9层高左右，弱覆盖路段距离最近的宏站200m左右，该站挂高54m，也有高度优势，但由于步行街比较狭窄，且周围商铺进深也比较深，所以道路两侧的室内覆盖几乎脱网，道路上的RSCP也在-95dBm以下。

类似这种场景在密集城区是比较常见的，也不适合以传统的增加宏站的方式解决，而且高挂高不一定能解决步行街底层的深度覆盖问题。

解决方案：结合周围环境，确定通过Small Cell来解决。

建设方式如下：

（1）设备架设方式：利旧路边小灵通水泥杆；

（2）传输回传方式：光纤直连；

（3）供电方式：周围就近取交流电借电；

（4）频率规划：与周围宏站采用同频设置。

建设实例如图1所示：

图1 淘金农贸街道站实际安装图

图2 淘金农贸街道站开通前RSCP

建设效果：在路测验证中，开通前后RSCP对比如图2和图3所示，从开通前的平均-95dBm以下提升到-75dBm以上。通过测量，改善路段在200m左右。

业务量分析：将覆盖同一区域的Small Cell和宏站小区组成簇进行话务分析，统计开通前后一周的数据流量。在假定其他条件不变的情况下，开通后宏站小区的流量下降100MB左右，可以假设为这部分流量被Small Cell进行了分流吸收，通过统计，Small Cell挖掘出的潜在业务为3 249MB。统计如表1所示：

表1 覆盖区域Small Cell开通前后业务量对比

从实际开通效果看，Small Cell有效解决了深度覆盖的问题，将原来因覆盖差而流失的潜在的业务进行了挖掘。从建设成本分析，因没有高投资的配套，所以单站建设成本非常低，尤其是节省了可观的物业租金，有效降低了运营成本。

3.2 热点容量解决类

3G业务热点主要集中在商业密集区、交通枢纽、校园、集团客户所在地，这其中尤其是校园，因为用户长期稳定聚集在一片区域，对网络容量的挑战非常大。

图3 淘金农贸街道站开通后RSCP

案例呈现：以某校园为例，如图4所示，学校面积300m×300m左右，校园中心食堂已有宏站1个，从覆盖角度看，学校面积不大，所以整体覆盖良好。主要存在问题是容量需求，校园迎新后，该站扩到4 载频，但BBU 主控板负荷频繁超过80%，导致告警闪断，严重影响用户感知，同时关于网速慢的投诉也很多，法定频率已经用完，无法通过扩容解决，而且扩容后BBU处理能力也受限。

解决方案：在流量高发的宿舍区、教学区就近用户位置安装一定数量的Small Cell来进行容量分流和挖掘。以原有基站S1范围教学区和教工宿舍区为例，如图5所示，原宏站小区PSC为78，新增3个Small Cell的PSC分别为257、258、259。

建设方式：

（1）设备架设方式：挂墙安装；

（2）传输回传方式：光纤直连；

（3）供电方式：就近交流电；

（4）无线频率配置：因为已经扩到4载波，法定频段已经用完，所以仍然采用与宏基站同频设置，未做异频设置。

建设效果：对比“部署Small Cell前的宏小区”和“宏小区加Small Cell形成的簇”这2项在Small Cell部署前后的KPI。

（1）覆盖提升：如图6所示，对比原宏小区和宏微簇的RCSP MR覆盖率，可见覆盖区域的弱覆盖（小于-90dBm）区域减少13%，良好覆盖（大于-80dBm）区域增加8%。

（2）干扰情况：对比Small Cell部署前后，宏小区的Ec/Io变化情况如图7所示。

通过统计，发现宏小区的Ec/Io在Small Cell开通前后基本保持稳定。

（3）业务分流和挖潜：分别统计开通Small Cell前后宏小区的数据流量和用户数以及Small Cell后3个微基站组成的微cluster的数据流量和用户数。

从统计数据来看，如图8～图11所示，Small Cell部署后挖掘出了潜在的业务和用户，CS业务量增加18%，HSDPA 吞吐量增加6 0%，HSUPA吞吐量提升36%，HSDPA用户数增加10%，HSUPA用户数增加30%。

图4 安装Small Cell前校园站点分布

图5 机械技校安装Small Cell位置分布

图6 机械技校Small Cell开通前后覆盖区域覆盖率变化

图7 机械技校Small Cell开通前后宏站Ec/Io对比

（4）用户感知：对比开通Small Cell前后宏小区的单用户上传和下载平均吞吐率以及开通Small Cell后微cluster的单用户上传和下载平均吞吐率。

统计数据，如图12、图13所示，Small Cell部署后，宏小区内HSDPA 用户平均吞吐量提升6 0%，HSUPA用户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负荷从80%以上降低到68%左右，RTWP减低0.9dB，下行负荷降低6.5%左右。

图8 机械技校范围内HSDPA吞吐量

图9 机械技校范围内HSUPA吞吐量

图10 机械技校范围内HSDPA用户数

图11 机械技校范围内HSUPA用户数

图12 机械技校HSDPA单用户平均吞吐量

图13 机械技校HSUPA单用户平均吞吐量

综合以上统计，部署Small Cell后，由于将原有集中在一个宏小区的用户进行了卸载，所以原宏小区的各项KPI都有改善，尤其是用户体验有了极大的改善。而微基站的加入，并不仅仅是将原有的宏小区的业务进行简单的分流，而是通过覆盖的有效控制和增强，在给原有小区减负荷的同时，挖掘出了潜在的业务需求，这些业务需求由于之前的拥塞或者覆盖不足而无法满足，现在通过低成本的Small Cell部署，释放了这部分需求。

4 Small Cell优势及部署建议

通过若干试点，验证了Small Cell在解决无限容量和覆盖方面的独特优势，尤其是应用在一些传统建设方式无法解决的场景。

以上文覆盖类场景的建设为例，在解决这类型问题时，以往的解决方案不外乎是就近建设基站，按照传统的基站建设标准，需要建设普通板状天线或者美化天线，建设电源和配套设施，这在站距已经很近的密集市区几乎很难做到。而且如果基站建设到楼顶，因为“灯下黑”的原因，路面和两旁街铺的深度覆盖仍然无法解决。通过Small Cell，灵活利用公共设施，可以低成本地解决此类难点。

而对于热点容量分流型的场景，往往也是基站站距已经过近，超过场景平均水平，不适合继续部署宏基站，干扰问题会严重影响数据业务速率。通过Small Cell将覆盖区域的容量需求打散到若干小功率的Small Cell设备上，就近精准的吸收业务，降低对周围宏基站的干扰，提升整个区域的业务承载能力。而且Small Cell因为外观美观，有别于传统基站，物业的接受度高，可以不按照基站进行物业租赁，可以低成本高密度进行建设。

4.1 Small Cell建设的优点

通过若干Small Cell建设案例总结，Small Cell相比传统的宏站建设方式有如下特点：

（1）物业获取难度大大降低：Small Cell设备形态都是高度集成的，体积小、重量轻、伪装程度高，适合在各种公共场所或者物业敏感场所进行部署。

（2）施工周期短：无线侧施工量少，传输条件具备后，可以在半个工作日内完成安装、调试和开通。

（3）传输方式灵活：除了采用传统的光纤直连方式外，也可以利用已经部署的GPON固定网络的传输资源，做到资源复用，降低建设难度和成本。

（4）大幅降低建设成本：由于没有复杂的配套设备，且小型化设备可以实现低租金甚至零租金建设，极大地降低了OPEX和CAPEX。

4.2 Small Cell部署场景建议

经过现有安装场景总结，建议安装场景如下：

（1）市区非主干街道覆盖；

（2）步行街、商业街等底层商铺深度覆盖；

（3）大型封闭式楼盘内部覆盖；

（4）集客、工厂、写字楼局部等小范围覆盖；

（5）校园、商圈等高业务密集场所分流。

4.3 Small Cell建设方式建议

部署Small Cell的初衷就是为了低成本的解决网络问题，所以在建设方式上要灵活处理，尽量避免产生物业租赁费用，利用公共基础设施，采用资源置换等方式，利用政府政策支持，降低建设成本和运维成本，提高网络效益，这才是Small Cell能真正投入运营的基础。

5 结论

现阶段及在未来很长一段时间内，3G和4G的零碎化弱覆盖需求和局部热点高业务集中都是运营商网络建设和优化的重点和难点，虽然Small Cell还不是常规的建网模式，但是其低成本、灵活快速、按需部署的特点，对于运营商来说无疑是有效提高网络效益、改善用户感知的利器。虽然Small Cell大规模部署还需要在移动性管理、干扰控制、频率规划等技术标准方面再做进一步研究和规范，但从全球运营商和产业链的关注程度来看，国内运营商必须积极跟进Small Cell建设模式，解决建设过程中碰到的技术、管理等方面的问题，以期通过Small Cell异构网络降低整体网络CAPEX和OPEX，提高运营商盈利能力。

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