基于實際城區(qū)場景的TD-LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能研究*

祝煒凱 ，趙竹巖 ，康劍鋒 ，談?wù)褫x

（1.北京交通大學(xué)寬帶無線移動通信研究所 北京100044；2.諾基亞西門子通信技術(shù)（北京）有限公司 北京 100007）

1 引言

在移動互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的今天，多種多樣的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用帶來了飛速的數(shù)據(jù)流量增長。到2014年，移動數(shù)據(jù)流量將會以每年一倍的速度增長[1]；研究表明移動數(shù)據(jù)流量中70%～80% 是由室內(nèi)用戶產(chǎn)生[2]。而下一代通信系統(tǒng)LTE（long term evolution，長期演進(jìn)技術(shù)）使用的高頻段（2 GHz及以上），使得無線信號傳輸損耗大，穿透能力弱，直接導(dǎo)致室內(nèi)信號質(zhì)量較差。傳統(tǒng)的改善信號覆蓋質(zhì)量的做法是增加宏基站的覆蓋密度，然而在密集城區(qū)布置新的宏基站成本和難度很大，需要考慮其他方法來改善網(wǎng)絡(luò)性能。

研究表明，利用現(xiàn)有Macro eNode B（宏基站）對小區(qū)內(nèi)的中低速率用戶進(jìn)行覆蓋，在熱點地區(qū)新布置功率和覆蓋范圍更小的基站組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，能有效改善網(wǎng)絡(luò)性能[3]。小功率的基站包括布置在室外的Micro eNode B（微基站）和布置在室內(nèi)的Femto eNode B（家庭基站）。本文研究密集城區(qū)環(huán)境下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)采用單一宏小區(qū)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能。研究的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)部署場景分別為：單一宏小區(qū)網(wǎng)絡(luò)；宏小區(qū)/微小區(qū)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；宏小區(qū)/家庭基站小區(qū)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；宏小區(qū)/微小區(qū)/家庭基站小區(qū)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。研究中根據(jù)實際3G宏小區(qū)網(wǎng)絡(luò)建立TD-LTE參考網(wǎng)絡(luò)，即采用實際網(wǎng)絡(luò)中的基站位置、天線高度、方向、下傾角等參數(shù)，并通過該地區(qū)的三維地圖計算用戶在樓層中的分布和信號傳播損耗。

2 研究方法和系統(tǒng)模型

[4]定義了一系列異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真場景和模型，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，考慮了三維用戶分布、三維傳播路徑模型等參考文獻(xiàn)[4]中忽略的方面。具體闡述如下。

2.1 三維用戶分布

用戶分布為三維空間非均勻分布（如圖1用戶三維分布示意），用戶分布在地面和不同高度的建筑物內(nèi)。假設(shè)用戶落入三維坐標(biāo)（x,y,Floor）的概率密度與該點的參考網(wǎng)絡(luò)宏小區(qū)吞吐量統(tǒng)計值成正比。(x,y)為平面二維坐標(biāo)，分辨率為10 m×10 m；Floor為樓層號。仿真中認(rèn)為室內(nèi)用戶占整個小區(qū)內(nèi)用戶總數(shù)的70%，參考網(wǎng)絡(luò)同一宏小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)各樓層室內(nèi)用戶等概率分布。室內(nèi)外用戶分布概率計算式如式（1）、式（2）所示。其中 αTPeNodeB(m)是參考網(wǎng)絡(luò)下(x,y)所處宏小區(qū)m的統(tǒng)計吞吐量占參考網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計吞吐量的比例，F(xiàn)loor(x,y)是二維坐標(biāo)(x,y)處最大樓層數(shù)，M是宏小區(qū)m內(nèi)室內(nèi)二維平面點的個數(shù)，N是宏小區(qū)m內(nèi)室外二維平面點的個數(shù)。

2.2 三維傳播損耗模型

本文采用三維傳播損耗模型，考慮了eNode B天線的三維空間增益（包括水平增益和垂直增益）、eNode B和UE天線高度、eNode B天線下傾角等三維空間因素。其中，由于經(jīng)驗損耗模型中接收機(jī)天線高度限定在10 m以下，而高層用戶高度遠(yuǎn)大于10 m，因此需要修正經(jīng)驗損耗模型。定義高度增益，非地面用戶（接收機(jī)天線高度大于1.5 m）可利用地面用戶（接收機(jī)天線高1.5 m）經(jīng)驗路徑損耗公式計算結(jié)果與高度增益相加，得到修正的路徑損耗值。利用三維射線追蹤（3D ray-tracing）仿真工具[5]研究參考網(wǎng)絡(luò)內(nèi)室內(nèi)平面坐標(biāo)不同高度上路徑損耗值之間的關(guān)系，經(jīng)過大量樣本的平均可以得到高度增益如圖2所示。當(dāng)用戶位于1.5～48 m時，路徑損耗隨樓層高度的增加以0.14 dB/m減少；當(dāng)用戶位于48～79 m時，路徑損耗隨樓層高度增加而停止減少，并反以0.058 dB/m增加。由于79 m以上樣本值過少，為了模型準(zhǔn)確性，79 m以上高度增益采用79 m處的值，可以發(fā)現(xiàn)高度增益為非正值，說明地面用戶路徑損耗相對較大；高度增益在48 m處出現(xiàn)極小值，而該參考網(wǎng)絡(luò)中eNode B的天線高度平均值為45 m左右 （因此該高度路徑損耗均值應(yīng)為最小）。

2.3 系統(tǒng)模型

TD-LTE系統(tǒng)級仿真的物理層模型如參考文獻(xiàn)[6]所述，仿真中沒有直接考慮快速分組調(diào)度、鏈路自適應(yīng)、混合自動重傳和用戶分級等影響小尺度衰落的因素，而是將這些因素包含在SINR（信干噪比）/吞吐量映射曲線（通過其他鏈路級仿真器得到）中。用戶按照下行鏈路最大導(dǎo)頻信道SINR原則選擇接入宏小區(qū)、微小區(qū)或者家庭基站小區(qū)。采用優(yōu)化中斷率的資源分配算法，即每個小區(qū)內(nèi)按UE的下行SINR從大到小的優(yōu)先級為每個用戶分配能滿足系統(tǒng)設(shè)定速率的資源塊數(shù)量，若資源塊數(shù)量還有剩余，則將剩余資源塊全部分配給SINR最高的用戶；若高優(yōu)先級用戶用盡所有資源塊，則低優(yōu)先級UE吞吐量為0。其他仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

2.4 異構(gòu)組網(wǎng)原則

中斷率，即一定區(qū)域內(nèi)用戶下行吞吐量小于系統(tǒng)設(shè)定吞吐量的用戶數(shù)占該區(qū)域內(nèi)所有用戶數(shù)的百分比。本文以中斷率作為關(guān)鍵性能指標(biāo)。當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)中斷率高于中斷率設(shè)定值（如5%）時，按照中斷率由大到小的優(yōu)先級對網(wǎng)絡(luò)中的熱點地區(qū)布置一定數(shù)量帶內(nèi)微小區(qū)或帶外家庭基站小區(qū)，與原有宏小區(qū)網(wǎng)絡(luò)組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，直到網(wǎng)絡(luò)中斷率達(dá)到設(shè)定要求或按約束條件無法繼續(xù)布置新的小區(qū)為止。具體部署算法見參考文獻(xiàn)[5]。

3 仿真結(jié)果與分析

參考網(wǎng)絡(luò)為以國內(nèi)某城市現(xiàn)有3G宏小區(qū)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)升級的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，每個宏小區(qū)基站認(rèn)為已經(jīng)升級為三扇區(qū)TD-LTE基站，基站位置、天線高度、下傾角等信息采用原有網(wǎng)絡(luò)配置。為了避免邊界效應(yīng)，只研究中心區(qū)域內(nèi)的33個TD-LTE宏小區(qū)基站站址，即99個扇區(qū)的覆蓋區(qū)域，平均站間距為330 m，其他宏基站作為干擾基站。在中心區(qū)域按照2.1節(jié)描述的用戶密度函數(shù)播撒2 280個用戶（平均每個宏小區(qū)有22個用戶）。本文研究了4種場景下網(wǎng)絡(luò)的性能，其中場景1為參考網(wǎng)絡(luò) （宏小區(qū)網(wǎng)絡(luò)），場景2、3、4為在場景1的宏小區(qū)網(wǎng)絡(luò)基站上，按照2.4節(jié)異構(gòu)組網(wǎng)原則組成新的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，場景2、3、4的異構(gòu)形式分別為宏小區(qū)/微小區(qū)、宏小區(qū)/家庭基站小區(qū)、宏小區(qū)/微小區(qū)/家庭基站小區(qū)。

表2是4種場景仿真結(jié)果，圖3是4種場景用戶下行吞吐量累積分布曲線。圖3拐點縱坐標(biāo)對應(yīng)中斷率，拐點橫坐標(biāo)對應(yīng)設(shè)定速率1 024 kbit/s。由表2和圖3可知，場景1單一宏小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中斷率高達(dá)20%；場景2與場景1相比，新增200個微小區(qū)（平均每個宏小區(qū)2個微小區(qū)）滿足了5.0%的中斷率要求，網(wǎng)絡(luò)吞吐量也增加了2.85倍；場景3在所有滿足約束條件的位置布置了共4 206個家庭基站小區(qū)（平均每個宏小區(qū)42個家庭基站小區(qū)），雖然使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量與場景1相比增加了7.1倍，但中斷率（7.7%）仍然不能滿足要求，與場景2相比家庭基站小區(qū)覆蓋效率極低；場景4與場景1相比，通過100個微小區(qū)和1 000個家庭基站小區(qū)達(dá)到了5.0%的中斷率 （平均每個宏小區(qū)1個微小區(qū)，10個家庭基站小區(qū)），并使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量增加4.3倍。

表2 4種場景仿真結(jié)果

圖4～圖7是4種場景不同高度上UE連接小區(qū)分布和UE中斷率隨高度的分布，從不同樓層（每層樓高3.1 m）上分析網(wǎng)絡(luò)的中斷率及其分布情況。不同線條的柱狀圖代表不同類型小區(qū)。特定高度上網(wǎng)絡(luò)中斷率等于該高度上不同小區(qū)中斷率之和。各高度上的用戶數(shù)量是不同的，高度越高，用戶數(shù)量越少。

圖4表明場景1下單一宏小區(qū)各高度中斷率都在5%以上，30層以下網(wǎng)絡(luò)中斷率在10%～50%，35～44層的用戶中斷率在30%以上。

圖5表明場景2下，微小區(qū)分流了各個高度上至少25%的用戶；15層以上區(qū)間，分流能力可達(dá)45%以上。在中斷率分布方面，與場景1相比，30層以下小區(qū)中斷率全部降至3%～18%，引入的微小區(qū)中斷率較低不超過5%；而30層以上區(qū)間，中斷率有增有減（0～100%），對中斷率改善效果明顯不如30層以下。

圖6表明場景3下，家庭基站小區(qū)對網(wǎng)絡(luò)用戶的分流能力主要集中在30層以上的樓層，在35層以上樓層分流能力超過85%，分流能力超過場景2中的微小區(qū)；對30層以下的分流用戶能力在25%～40%，分流能力不如場景2中微小區(qū)。中斷率分布方面，30層以下的中斷率在4%至37%之間，不如場景2的微小區(qū)；30層以上的中斷率全部為0，效果明顯好于場景2網(wǎng)絡(luò)。

圖7表明場景4下，35層以上樓層區(qū)間，UE幾乎全部連接至家庭基站或微小區(qū)，以家庭基站小區(qū)分流為主（65%～100%）；30層及以下各樓層，多數(shù)用戶連接至宏小區(qū)（43%～73%），其次是微小區(qū)（20%～40%），家庭基站小區(qū)最多只能分流20%用戶。中斷率分布方面，30層以下的中斷率分布為3%～18%，接近場景2性能，好于場景3性能。30層以上的中斷率全部為0，與場景3性能相同，遠(yuǎn)好于場景2性能。

總而言之，宏小區(qū)的覆蓋范圍最廣，能吸收最多的用戶數(shù)，但由于在實際部署中宏小區(qū)離用戶較遠(yuǎn)，并且受宏小區(qū)密度的限制，不能為熱點小區(qū)用戶提供足夠的網(wǎng)絡(luò)容量，同時由于天線下傾角設(shè)置等原因，不能為高層用戶提供很好的覆蓋。微小區(qū)優(yōu)勢在于30層以下網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)量的覆蓋能力，能分流較多用戶并有效降低網(wǎng)絡(luò)中斷率；和宏基站相比，微基站可以部署在離用戶所在樓層更近的地方，因此可以提供更好的樓內(nèi)覆蓋，并且更好吸收樓內(nèi)用戶產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量。家庭基站小區(qū)優(yōu)勢在于提高網(wǎng)絡(luò)容量和30層以上網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力，分流大量30層以上用戶并解決該樓層區(qū)間網(wǎng)絡(luò)中斷率問題；和宏基站、微基站相比，家庭基站小區(qū)可以布置在室內(nèi)，服務(wù)用戶的信號質(zhì)量高，但是由于發(fā)射功率很小，按最大SINR原則決定的覆蓋范圍小，因此在30層以下宏（微）小區(qū)信號質(zhì)量較好，分流能力不如宏（微）小區(qū)。宏小區(qū)/微小區(qū)/家庭基站小區(qū)異構(gòu)方式能發(fā)揮兩種低功率小區(qū)各自的優(yōu)勢，降低各個高度上網(wǎng)絡(luò)中斷率和網(wǎng)絡(luò)總體中斷率，提升網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力，增加網(wǎng)絡(luò)的容量。

4 結(jié)束語

本文對密集城區(qū)場景進(jìn)行了三維建模，對4種場景不同高度網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了詳細(xì)研究，得到不同異構(gòu)方式網(wǎng)絡(luò)性能以及微小區(qū)和家庭基站小區(qū)的特性。根據(jù)實際需求，靈活選擇不同的異構(gòu)組網(wǎng)方式，發(fā)揮微小區(qū)和家庭基站小區(qū)各自在低層/高層網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，可以達(dá)到更好的覆蓋和容量性能。

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