LTE宏微协同组网性能评估

邱勇　乌云霄　张勍　盛煜

为了验证LTE微基站与宏站同频组网的可行性，对不同场景下LTE宏微站同频组网性能进行了验证研究，分析了三种典型场景下微基站部署前后的网络容量增益、覆盖能力提升情况以及同频干扰情况，给出了部分场景下宏微同频组网与异频组网的增益对比，并介绍了微基站的优势回传方案。最后得出了分场景下同频部署的组网性能情况，并给出了不同场景下的同频组网要求和部署方案。

宏微协同 容量增益 宏微同频干扰 PON回传

1 引言

随着移动业务量的迅猛增长，尤其是视频业务的快速普及[1]，使得运营商网络容量需求与日俱增。然而，LTE FDD频谱资源的匮乏与未来爆发式的容量增长形成了矛盾，不均衡的业务分布也对扩容方案提出了更高的要求。MIMO、高阶调制等关键技术的演进虽然带来较大的理论增益，但在应用中，其对容量和覆盖的提升也存在一定的瓶颈，效果有限。与此同时，在多制式多频率共存的现状下，站址物业的协调、天面资源的缺乏等使得运营商的网络建设成本不断攀升。随着5G的引入，未来网络架构也向着超密集组网的方向演进。因此，借助便捷灵活的微基站，部署与宏基站的异构协同网络逐渐成为了一种趋势。本文通过对同频、异频宏微协同组网的研究，对现网宏微同频吸热场景、补盲场景以及室内覆盖场景、异频室内覆盖场景等不同场景下的覆盖能力、容量增益、上下行干扰进行了实际验证和评估分析，总结了宏微系统组网下的增益效果。

2 微基站的主要應用场景

利用微基站与宏基站协同组建异构立体网络，能够快速灵活地建造有良好用户体验的商用网络，满足热点区域、重要的覆盖场景以及部分难于解决的深度覆盖场景数据业务的旺盛需求，场景具体可以分为：

（1）室内室外的覆盖盲区或弱覆盖地区，例如城区的居民小区、街道，城乡间的连接道路、没有室内分布系统的楼宇或新建设楼宇等；

（2）热点地区容量的补充和分担，特别是宏站站址难以获取的场景，例如室内的购物中心、交通枢纽、大型场馆，室外的高校、密集居民区、风景名胜区、商业街广场等可以采用微基站进行快速部署，解决网络覆盖和容量问题[2]。

在实际部署时，如果微基站与宏基站同频部署，频谱效率较高，但需要考虑宏微基站间的干扰问题，部署位置和覆盖范围可能受影响。如果微基站与宏基站异频部署，则不存在干扰问题，能够减少部署位置的限制，易规划，覆盖和速率的提升也相对明显[3]。

3 不同LTE宏微组网场景下

的覆盖容量分析

3.1 场景1——覆盖盲区/弱覆盖

区域

（1）覆盖能力分析

场景1选取的某街道全长500 m，道路平均RSRP为-107 dBm，借助街道路口的灯杆，在街道两端分别部署了1部1.8 GHz同频微基站来改善道路覆盖。部署微站后，道路平均RSRP提升约10 dBm，图1给出了微站部署前，以及部署微站5 W发射功率下的覆盖情况对比。

可以看出在该场景下微基站的部署对区域覆盖能力有明显改善，单微站典型覆盖能力在80 m～350 m，这与微站的配置、目标覆盖区域的宏基站信号强度以及地理环境对信号的遮挡情况都有关联。

（2）容量增益分析

在典型用户模型下（宏微用户比例为3：1），部署微站后的宏微整体容量增益如图2所示，下行最大增益205%，平均增益137%，上行最大增益235%，平均增益200%。

（3）小结

微站配置5 W或2 W发射功率均能有效改善盲点道路覆盖，道路平均RSRP增益10 dBm。微站配置2 W发射功率时，用户感知优于5 W的情况，覆盖遍历显示下行平均SINR值较5 W平均增益2 dB。宏微站间平均切换时延在加载加扰后略有所增加，在5 ms以内，与宏站间的切换时延差别不大。在典型用户模型下（3：1），部署微站后下行总容量平均增益137%，上行总容量平均增益200%，微基站加载加扰后，对宏站的容量略有影响，宏站下行容量下降11%，上行容量下降5%～12%，相应地，宏站加载对微站容量也有一定影响，微站下行容量下降20%，上行容量下降12%～20%。

3.2 场景2——热点覆盖区域

（1）容量增益分析

场景2选取了某广场区域，此处人流密集，选取路灯杆部署了1部与宏基站同频的微基站进行容量分担。在典型用户模型下（宏微用户比例为3：1），微基站部署后，上、下行容量均有一定增益，下行总容量平均增益41%，上行总容量平均增益69%，下行容量增益情况如图3所示。下行容量增益与用户分布和微站部署位置密切相关，由于该微站的部署位置距离宏站较近，虽在微站部署前后整体容量有增益，但容量增益有限。

通过对该微基站进行为期一周左右的KPI统计分析可以看出，周末时段RRC最大连接数和最大激活用户数最多，而统计RRC连接建立成功率、ERAB建立成功率发现均在99.88%以上，小站话务分担情况正常，KPI指标良好。图4给出了该微基站的RRC连接数目统计，可以看出微站的部署分担了宏基站的接入用户数。

（2）下行干扰分析

微基站部署后，宏基站终端在微基站主瓣方向上进行拉远测试的平均速率有13.1%幅度的降低，对干扰极端严重的情况进行摸底后发现，当微基站重载时，宏基站用户受到微基站下行干扰明显，宏基站下行吞吐率平均下降达46%。同时，微基站用户下行吞吐量也受到一定程度的影响，平均微基站下行吞吐率下降19%。因此，在微基站与宏基站需要同频部署的情况下，为避免干扰，建议宏微基站尽量避免共站址部署。

（3）小结

宏微同频共站址部署，微站站高15 m，在5 W的发射功率下，微站覆盖能力为100 m，在2 W的发射功率下，覆盖能力为40 m，2 W覆盖范围内的用户感知要优于5 W，因此平均SINR值要高。部署微站后，下行总容量平均增益41%，上行总容量平均增益69%，但区域有限。宏微切换时延和宏站间切换时延相比无明显变化，基于S1的宏微切换相对于X2接口，控制面时延有10 ms的增加，用户面时延基本不变。微站重载时，宏站用户受到微站下行干扰，使得宏站平均下行吞吐率平均下降46%，同时，微站用户下行吞吐量也受到一定程度的影响，平均微站下行吞吐率下降19%，因此，为避免干扰，建议宏微尽量避免共站址部署。宏微同频部署，下行容量增益与用户的分布和微站部署位置密切相关，增益一般在20%到150%之间波动；上行容量增益与干扰用户分布及发射功率相关，增益一般在50%到200%之间波动。

3.3 场景3——室内覆盖区域

（1）覆盖能力分析

同频室内场景3选取了某体育场馆，面积约1500 m2，三面看台环绕。微基站部署于主席台正上方，且与室外宏基站同频部署，功率为2×250 mW，天线为扣板定向天线，天线水平波瓣70?，垂直波瓣60?，天线增益7 dBi。场馆看台遍历测试结果显示，部署微站后，场馆平均RSRP为-83.35 dBm。由于墙体阻隔，室内微站信号无法泄露至场馆外，场馆周边的宏站用户未受到微站的下行干扰，室内靠近窗边的2%～3%的用户会接入宏站。

因此，该场景下场馆内部署1部微站即可满足其内部覆盖需求，并且由于地理位置和墙体的阻隔，室内空间相对封闭，干扰情况并不显著。

（2）容量增益分析

微基站若与宏基站同频部署，应该合理控制微基站的覆盖范围以获得最高收益[4]。当宏微基站部署的相对位置以及配置参数确定后，整体的下行容量增益与小区用户距离宏微边界的远近占比有关，上行容量增益也受到发射功率较高的其他小区用户的影响，若距离站址较近的用户数占比大，则上行干扰也随之加大。经过试验数据分析，干扰较大时下行容量损失并不严重，但上行容量损失明显，图5（a）、（b）分别给出了干扰相对较重的情况下以及干扰较轻情况下的上行容量对比情况：

（3）异频覆盖分析

将室内覆盖场景3场馆内部署的1部与宏基站同频（1.8 GHz）的微站更换为不同频（2.1 GHz）的微基站，而后进行异频同频对比分析。与部署微站之前相比，小区SINR平均提升9.3 dB，下行吞吐量提升2.4倍，上行吞吐量提升0.77倍；与部署同频微基站情况相比，SINR平均提升13.3 dB，下行吞吐量提升了1.2倍，上行吞吐量提升0.9倍。

从验证结果可以看出，2.1 GHz微站覆蓋SINR优于1.8 GHz同频微站，因此应优先选择异频覆盖以避免同频干扰。微基站部署前后覆盖遍历对比如表1所示：

从容量增益来看，部署异频微基站由于不存在与宏站的干扰，因此容量增益十分明显，图6给出了异频覆盖情况与同频微基站部署下的容量增益对比：

可以看出，部署异频微基站后，与同频微站干扰较重的情况相比，平均下行容量增益57%，平均上行容量增益高达303%。

（4）小结

微站配置2×250 mW的发射功率，能够有效覆盖面积约1500 m2的场馆，场馆平均RSRP为-83.35 dBm，平均SINR为11.04 dB。室内部署微站后，下行容量增益平均40.5%，上行增益浮动较大，在干扰较小的情况下，增益可达238%，干扰较大的情况中增益仅2%。由于墙体阻隔，室内微站信号无法泄露至场馆外，因此场馆周边的宏站用户未受到微站的下行干扰，室内靠近窗户的2%～3%的用户会接入宏站。微站在部署时可以根据具体的场景选择合适部署位置，并通过功率、方位角、下倾角等物理方式规避对宏站用户的下行干扰。上行方向，要尽量避免大量的宏站用户聚集在室内微站覆盖边缘区域，造成对微站上行的强干扰。

体育馆覆盖场景中，容量不高的小型体育场馆一般选用1个微站并1个小区即可，对单小区不能满足需求的体育场馆，扇区划分一般以看台平面进行竖切，看台下方区域可以与看台共小区。体育场馆切换区域避免设在话务高峰地带或观众席中间，场馆出入口要保证良好的覆盖和顺畅的切换，覆盖能力不足时可使用外接高增益天线。充分利用建筑结构规划小区，小区边界尽量避免落在移动性强、高速数据业务量大的地方。

4 微基站回传方案

从上述试验结果可以看到，不同场景下微基站的灵活应用确实为运营商提供了更便捷的部署方式，微基站的回传如果也能够实现经济灵活就更好了。目前，中国联通基于PON（Passive Optical Network，无源光纤网络）固网宽带接入正在积极完善规模部署，若可以借助PON网络接入，微基站建设时就可利用丰富的现网PON资源实现数据回传。

PON网络承载的微基站回传可以根据传输链路的不同分为两种情况：

（1）一是通过打通PON与IPRAN间的接口经光线路终端OLT上联IPRAN，由IPRAN核心层实现S1路由转发至移动核心网的专网回传方式，架构如图7所示。

（2）二是OLT通过固网接入IP城域网和SR路由器，从而接入移动核心网的公网回传方式，其架构如图8所示。

同时，基于PON实现微基站回传也可以满足QoS与同步方面的要求：

在QoS保障方面，PON网络在传输时延和带宽能力上能够满足LTE承载需求，支持802.1P的QoS调度策略，并支持通过增加PON口以及为光网络单元ONU灵活分配带宽的方式来保证无线业务的QoS。

在同步源提供方面，现网PON网络主要服务于宽带接入，一般不支持直接为基站提供时间同步源。但可通过设备硬软件改造的方式提供同步功能，具体包括：1）在OLT端增设时钟接口板，直接输入GPS和1pps+TOD信号；2）在OLT端增设上联板利用网络前端的1588v2或同步以太网来提供时钟和相位。

需要注意的是，考虑到基站与核心网交互数据的安全性以及微站设备安装部署方式的特殊性，需要在核心网侧架设安全网关，建立IPSec隧道，以保护数据流量的机密性和完整性，并保障核心网的安全。

5 结束语

文章简要介绍了微基站部署的主要应用场景，然后分别对覆盖盲区/弱覆盖区域、热点覆盖地区以及大型室内场馆等三种场景得出的试验数据展开了分析和讨论。分别分析了三种不同场景下微基站的覆盖能力、容量增益情况，以及同频干扰和负荷分担情况。最后介绍了基于PON网络的微基站传输方案。

目前，宏微基站的协同部署根据频谱利用率、网络结构、产品成熟度、建设复杂度的不同，存在同频、异频两种不同的建设方案。对于宏微基站同频的情况，建议通过调整微基站发射功率、下倾角、方向角等多种手段，同时根据业务的分布情况，精细化控制微基站覆盖范围，从而提高容量增益和整网用户体验。而在宏微基站异频部署情况下，不存在宏微之间干扰问题，容量增益明显，当然这也是以消耗频谱资源为代价的。

从上述研究分析中可以看出，基于微基站的分层异构网络部署可以提升容量、扩大覆盖，保证盲区、弱覆盖地区、热点区域等典型业务场景的业务需求，降低宏基站部署成本，减少中国联通客户流失覆盖。

参考文献：

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[10] 李峻洋，赵占强，郭省力. LTE无线网络优化关键性能指标研究[J]. 邮电设计技术， 2014（4）： 83-86.

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