微小基站在LTE中的应用研究

［徐翠君 刘磊 冉荣 吕杨铈］

微小基站在LTE中的应用研究

［徐翠君 刘磊 冉荣 吕杨铈］

介绍了微小基站的定义及特点、需求分析、应用分析与建设方案。“定义及特点”一节介绍了微小基站的分类并对微小基站的特点进行了详细的分析；“需求分析”一节从目前无线网络建设存在的问题、LTE标准的演进情况、如何应对未来5G时代数据流量的激增3个方面论证了微小基站建设的必要性；“应用分析”一节给出了微小基站的覆盖能力及应用场景，并对室外宏微基站同频、异频使用原则做了分析；“建设方案”一节介绍了室外微小基站的机房、杆塔、供电建设原则，最后对微小基站的建设成本与宏基站进行了对比分析。

微小基站 LTE 宏基站 覆盖能力 建设方案

徐翠君

工程师，学士，浙江省邮电工程建设有限公司，主要从事通信网络规划设计、测试相关工作。

刘 磊

高级工程师，硕士，华信咨询设计研究院有限公司，主要从事通信网络规划工作。

冉 荣

工程师，学士，华信咨询设计研究院有限公司，主要从事通信网络规划工作。

吕杨铈

工程师，学士，华信咨询设计研究院有限公司，主要从事通信网络规划工作。

1　引言

2012年10月，全球微小基站数量已经突破600万，这一数字已经超过了传统宏蜂窝基站的总数593万，有研究机构表明，2017年全球微小基站的出货量将达到500万。

在国内，三大运营商已经使用宏基站建设了一张广覆盖的LTE网络，目前LTE网络建设正在向深度、厚度方面拓展，由于用户数据流量的飞速增长以及三大运营商异构网络络部署的加快，微小基站将成为未来LTE网络建设的重点。

2　微小基站定义及特点

微小基站（Small Cell）是低功率的无线接入节点，是为了区别于宏基站的基站类型的统称，根据功率与覆盖能力的不同，可以把基站分为宏、微、皮、飞4种，其中微小基站就包括微、皮、飞3种，如表1所示。

表1　LTE基站分类表

Micro英译为“微”，科学计数为10-6，Pico英译为“皮”，科学计数为10-12，Femto英译为“飞”，科学计数为10-15，所以皮基站又称为Picocell，飞基站又称为Femotocell，其科学计数量级可以非常直观地反映出它们的功率、覆盖半径的大小区别。

微小基站具有使用灵活、安装便利的特点，具体如下：

体积小、重量轻：相比宏基站，微站的体积和重量大约只有宏基站的一半，使用灵活，安装便利；

发射功率低：相比宏基站，微站的发射功率一般只有0.1～10W，覆盖范围有限适合在小范围使用；

支持多种上联方式：除了宏基站支持的光纤，微站还支持无线回传、五类线（网线）上联方式，增加了安装的便利性。

3　微小基站需求分析

从目前网络建设现状来看，宏基站的站点密度已经接近极限：在很多热点价值区域，经过多年的建设，宏基站建设密度已经非常大，一些发达地区密集城区的站间距甚至小于300米。尽管如此，由于城市环境复杂、业务量大，网络仍面临容量压力和深度覆盖盲区。然而，受邻区干扰机制以及建设造价高的限制，继续提升宏基站密度，并不能有效解决网络目前面临的问题，而微小基站正好可以弥补宏基站这两方面的缺陷。

另外基站天面资源获取及业主协调的难度越来越大，新增站址将面临巨大的挑战，微小基站建设比较灵活，对地址要求比较低，可以解决这一困扰运营商的主要难题。

从标准演进角度来看：

在3GPP标准体系中，R10/R11版本提出了HetNet即异构网络，HetNet是指在同一种技术下，不同类型基站覆盖同一区域，该技术将微小基站提升到了与宏基站同等重要的地位。而在R12/R13版本更进一步提出了Small cell增强技术，用来解决Small cell应用中的相关问题，如图1所示。

图1　GPP标准演进图

在异构网络中，使用宏基站、微小基站构筑宏微分层组网形态，夯实面覆盖，加强点覆盖。LTE建网初期以宏基站中层网为主，保证宏基站层的结构及性能稳定，后期不断完善底层网建设，打造一张无缝覆盖、高性能的无线宽带数据接入网，如图2所示。

图2　异构网络组网图

从5G协议标准的需求来看，其目标是满足未来10年的移动业务发展需求，目前的移动数据流量每年成倍增长，10年后移动数据流量将增长210约1000倍，为了应对1000倍增长的数据风暴，需要在目前LTE网络的基础上进一步提升宽带资源、频率效率和站址密度。

根据技术分析，未来无线网络的宽带资源还可以拓展5倍，频谱效率（采用新的双工、多址和MIMO、调制技术）可以提升5倍，而站址密度需要提升40倍才能满足1000倍的容量增长需求。而站址密度的大幅增长只能靠微小基站解决，届时网络中微小基站的数量将大大超过宏基站的数量。

4　微小基站应用分析

对微小基站的覆盖能力进行链路预算分析，室外微蜂窝采用COST-231 Walfish-Ikegami LOS传播模型：L=26logd（m）+20logf（MHz）-35.4，20m≤d≤5000m。

室内覆盖采用Keenan-Motley传播模型：L= 20 logd（m）+ logf（MHz）-28。

取阴影衰落余量10dB，墙体穿透损耗20dB，小区边缘RSRP最小电平要求-105dBm。

室外覆盖一般使用发射功率较大的微基站，假设微基站发射功率为2*5W，天线增益10dBi，在1900MHz频段下，经过链路预算可知，在考虑1堵墙体穿透损耗的情况下（室外覆盖室内浅层覆盖）室外微基站覆盖半径大约为220米。

如果使用微基站进行室内覆盖，在2350MHz频段下，经过链路预算可知，在考虑2堵墙体穿透损耗的情况下室内微基站覆盖半径大约为39米，覆盖面积大约为3910平方米；考虑1堵墙体穿透损耗的情况下室内微基站覆盖半径大于45米，覆盖面积大于5000平方米。

如果使用皮飞基站进行室内覆盖，假设皮飞基站发射功率为2*100mW，天线增益2.5dBi，在2350MHz频段下，经过链路预算可知，在考虑1堵墙体穿透损耗的情况下室内皮飞基站覆盖半径大约为23米，覆盖面积大约为1390平方米。

根据链路预算分析得到的微小基站覆盖能力，结合微小基站具有建设周期短、配套要求低、单站造价低、部署灵活等优点，建议微小基站应用场景如下：

用于室外弱覆盖：对于半径小于200米的弱覆盖、盲区，可采用微基站补弱、补盲。

用于室内弱覆盖：综合容量、覆盖、造价三个方面考虑，对于1000平方米以下的室内弱覆盖场景（如营业厅、咖啡厅等）采用皮飞基站进行覆盖，对于5000平方米以下的室内弱覆盖场景，采用微基站进行覆盖。

用于道路补点：日常测试中发现的小范围弱覆盖道路补点。

用于热点容量场景：用于解决局部容量不足的热点区域，如步行街、商业街、体育场馆等场景。

用于配套建设受限场景：对于物业受限，导致传统的配套、传输等无法建设的场景；对于需要快速部署而受制于外部因素影响的竞争热点，可通过微小基站灵活建设。

微小基站在LTE网络中的应用需要考虑到与宏基站的协同，协同的首要问题便是微小基站与宏基站的频率使用策略，简单来说就是宏微同频还是宏微异频，室内站与室外站均使用不同的频段，故宏微同频还是异频仅仅针对室外站点之间的情况，如表2所示。

表2　宏微频率使用策略分析表

综合部署目的、部署场景、部署阶段等方面考量，LTE网络处于发展初期，网络处于相对轻载阶段，短期内没有应用全部频率资源需求，结合现网频率资源及使用场景，建议网络建设初期采用宏微异频组网，减少宏微间干扰；到LTE网络发展后期，为了提高频谱效率，吸收海量增长的移动数据业务，需采用宏微同频组网，可以利用建筑物的阻隔以及引入eICIC、FeICIC等技术规避干扰。

从宏基站与微小基站的覆盖区域关系来看，有重叠覆盖、独立覆盖两种：如图3，图4所示。

图3　宏微重叠覆盖示意图

图4　宏微独立覆盖示意图

宏微重叠覆盖的情况下，宜使用异频，宏微独立覆盖的情况下，宜使用同频。

5　微小基站建设方案

室内微小基站除了不建设分布系统外，其他方面的建设与传统室内分布系统信源建设方式基本一样，这里仅对室外应用的微小基站建设方案做分析。

5.1机房

微小基站原则上不建议新建机房，分布式微小基站的BBU设备优先放置于已有机房，若建设条件受限也可在RRU处就近设置室外机柜进行安装；分布式微小基站RRU设备尽量挂墙安装，对于挂墙安装困难的场景，也可设置室外机柜进行安装。

微小基站配置室外机柜时，室外机柜一般落地设置，室外机柜尺寸、数量需要按照实际设备需求空间进行核算，不建议考虑后期预留。若主设备、电源设备均需置于机柜内时，应尽量共柜安装。

室外机柜建议采用风冷或自然通风的冷却形式，不建议配置空调。

5.2杆塔

微小基站的挂高一般在5～20米之间，其安装方式主要有挂杆安装、挂墙安装。

微小基站塔桅建设尽量利用现有的相关设施（例如市政公共基础设施：路灯杆、监控杆等）及站点资源的原则，降低塔桅配套投入，加快建设进度。

对于必须建设塔桅的场景，尽量利用现有物业设施采取挂墙或楼面安装方式，减少落地塔桅建设量。

建设落地塔桅时，在塔桅美化要求不高且天线挂高在6米及以下的场景，可以考虑水泥杆这种简易塔型，可有效减少投资。

5.3供电

根据微小基站灵活快速、低成本建设的原则，LTE小微站原则上不建议配置后备保障电源。

微小基站站均采用就近取电原则，不建议采用宏基站的建设模式进行建设，灯杆站可以采用灯管所总控开关取电，道路旁商铺、小区内的站点可以考虑与业主签订搭电协议取电或者接公共变压器独立开户，无法就近取电的情况下采用直流远供。

5.4造价

根据室外微小基站的建设方案，一个典型微小基站与宏基站的建设造价对比情况如表3、图5所示。

表3　宏微基站造价对比表

图5　宏微基站建设造价对比图

从表3可知，一个典型室外宏基站的投资造价为29.5万元，微小基站为5.4万元，宏基站大概是微小基站的5.5倍，微小基站的投资造价大大低于宏基站。

6　结论

微小基站并不是LTE时代才出现的新概念，只不过在LTE时代之前，微小基站主要用于补盲场景中，应用场景比较狭窄并且使用量比较小。

LTE的发展建设可以概括为3个阶段：（1）、大规模室外双频（低频段、高频段）宏基站协同组网阶段，（2）、宏基站与微小基站协同组网阶段，（3）、FDD/TDD混合组网阶段。目前LTE网络已经基本上完成了阶段一的建设，微小基站由于造价与技术方面的独特优势在阶段二中开始大规模建设，成为LTE网络中必不可少的重要角色，

将在LTE及未来5G网络中发挥出越来越重要的作用。

7　英文缩略语

1 曹亘等. 3GPP Small Cell标准化研究进展［J］. 移动通信，2014，（11）

2 刘博文. LTE小基站的应用［J］. 信息通信，2015，（1）

3 苏雄生. LTE小基站建设策略探讨［J］. 电信快报，2014，（10）

4 胡恒杰等. TD-LTE组网策略研究［J］. 移动通信，2010，（5）

5 詹鹏等. TD-LTE无线网络链路预算分析［J］. 邮电设计技术，2011，（7）

6 肖清华等. TD-LTE容量能力综合分析［J］. 邮电设计技术，2012，（4）

7 肖清华等. TD-LTE系统吞吐量能力定量分析［J］. 邮电设计技术，2013，（3）

8 汪丁鼎等. TD-LTE和LTE FDD混合组网实施策略［J］. 移动通信，2013，（21）

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10 中兴通讯. 基于LTE FDD的网络规划仿真分析［J］. 中兴通讯技术，2014，（2）

11 戴春雷等. 多场景下LTE基站流程化方案设计模型探讨［J］.广东通信技术，2014，（3）

12 张成. 浅谈FDD LTE与TD-LTE的协同发展［J］. 中国新通信，2014，（3）

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14韩军. 基于LTE FDD的网络规划仿真分析［J］. 中国新通信，2014，（6）

15李卫. 基于数据挖掘的LTE热点区域搜索算法研究［J］. 电子技术与软件工程，2014，（7）

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.06.008

（2016-05-11）