校園高話務區FDD—LTE覆蓋方式分析

謝衛浩++張文++彭海濤

1 背景

根據網絡發展趨勢，電信運營商關注校園高話務區（以學生宿舍區為代表）的FDD-LTE覆蓋預案，為今后的校園網絡建設作準備。

背景是根據3G話務的經驗，正常教學日21：00～23：00，學生宿舍區用戶高度密集且數據業務話務量大，容易引發系統話務負荷重、資源瓶頸擁塞的問題，需要制定區別于大網的特殊覆蓋組網方式。

某省會城市典型的高校宿舍區環境如圖1所示。多層宿舍樓一般為5～6層高，長度為40～80米，樓間距為15～35米，有較多的“口”字型或“一”字型樓宇。

2 3種類型小區定義

為描述方便，按覆蓋面積的大小，將宿舍區涉及的小區類型分為宏小區、微小區和微微小區。

2.1 宏小區

（1）基本定義

即現網的常規室外基站小區，天線高度高于建筑物天面，覆蓋半徑數百米。宏站的信號源為RRU或傳統宏基站。

可以通過扇區裂化或站址裂化進行擴容，詳見第5節。

（2）容量特征

蜂窩組網的室外宏小區考慮商用、鄰區加載情況，小區下行平均吞吐量為35Mbps左右，每小區可承載的RRC連接用戶數均大于100個（不考慮商務License），如果按100個連接用戶計算，宏小區每用戶RRC連接態下行平均速率可達350kbps左右；因為RRC連接態由用戶下載數據時間和無數據下載等待休眠時間這2部分組成，所以用戶感受速率會明顯高于連接態平均速率。根據3G話務數據分析經驗，上述速率水平能夠滿足高校學生用戶的使用且有足夠裕量。

一個宏小區可覆蓋十幾棟到幾十棟宿舍樓。

2.2 微小區

（1）基本定義

含燈桿站、點射站和室內DAS等幾種形式，覆蓋半徑從幾十米到100米。

燈桿站、點射站也稱為室外微小區，要求天線和目標寢室窗戶之間視距可達。如果是燈桿站，信號源適合使用瓦級微站（例如中興的8912產品），覆蓋范圍相對較大，覆蓋半徑介于幾十米到100米之間，1個燈桿站可覆蓋1棟或者幾棟宿舍樓的視距直達面；如果是附著于建筑物的點射站，信源可選瓦級微站或百毫瓦級Pico（例如中興的8102產品），使用Pico時信源應放置于樓內，通過較短饋線外接小定向天線覆蓋對面樓宇，覆蓋距離較近（例如20～40米），詳見第5節。

使用DAS時，可認為室內微小區，幾層樓共用1個RRU或者每層樓獨用1個RRU，不建議在同一樓層進行小區分裂。

（2）容量特征

由于室外微小區傳播環境為視距直達、距離較近，小區平均吞吐量略高于宏小區，估計為40Mbps左右，每小區可承載的RRC連接用戶數均不低于100個（不考慮商務License），按100個計算，室外微小區每用戶RRC連接態下行平均速率可達400kbps。

室內DAS小區的下行平均吞吐量約為50～60Mbps（單通道室分），每小區可承載的RRC連接用戶數均不低于100個（不考慮商務License），按100個計算，室內小區每用戶RRC連接態下行平均速率可達500～600kbps，容量承載能力優于室外微小區。

對于燈桿站、點射站方式，每棟宿舍樓由2～4個小區進行覆蓋，進一步增加小區數量的潛力較小；用DAS方式，信號源可裂化為每層樓1個小區，則1棟宿舍樓最多可由5～6個小區覆蓋，擴容潛力最大且分裂實施簡便。

2.3 微微小區

（1）基本定義

包括pRRU同樓層小區裂化部署（例如中興的Q-Cell產品）和Pico室內分布式部署這2種方式。

該方式適用于極端容量需求場景，即話務量超大、超密集或者視頻等大流量業務非常集中的宿舍樓，預計出現這種需求的概率較小。

（2）容量特征

pRRU或Pico的單小區容量承載能力與室內微小區（DAS）近似，參見上文所述。

Pico在宿舍樓內分布式部署時，由于宿舍內寢室隔墻較多，每個Pico的覆蓋半徑僅有10米左右，每層樓均需要部署3～5個Pico，則1棟樓就需要18～30個，每個Pico都是獨立小區容量，這種方式具備最大的網絡容量承載能力。如果pRRU在宿舍樓內分布式部署，視其分裂還是共小區方式，其容量承載能力介于Pico分布式和DAS方式之間。

3 網絡覆蓋的層次

3.1 基本結構

當宏小區裂化不能滿足宿舍區容量需求時，網絡覆蓋通常會部署2層：“宏小區”+“微小區”（見圖2）或者“宏小區”+“微微小區”。

圖2 宏微2層覆蓋組網示意圖

宏小區是基礎，主要解決面上（道路、地面）的覆蓋，而且能兼顧小部分的話務負荷，由微小區或微微小區承擔主要話務負荷。

在同一區域，“微小區”和“微微小區”這2種類型原則上不重疊存在，只會選擇其中一類進行實施，而且實施時會成片推廣。究竟是選擇“微小區”還是“微微小區”，主要基于每棟宿舍樓的用戶容量實際需求，需求量特別大的則可能會用到“微微小區”，大多數情況下“微小區”就能夠滿足要求。

有一種情況例外，就是室內微小區（DAS）和微微小區可以并存，例如：宿舍樓一部分樓層用DAS，另一部分樓層用微微小區。

3.2 干擾協調和控制

（1）宏微之間

為控制宏微小區之間的干擾，可采用以下方式之一：

◆微小區或微微小區均使用2.1GHz頻段，與宏小區（1.8GHz）異頻，可配置宏→微為A4異頻切換，例如：微小區RSRP>-105dBm時切換到2.1G，微→宏為A5異頻切換；微小區RSRP<-110dBm、宏小區RSRP>-105dBm時才切換到1.8G，這樣有利于UE快速且穩定駐留在微小區，由微小區承擔主要話務。

◆如果微小區處于宏小區信號較弱的區域，則相互影響較小，宏微可以同頻。

（2）宏小區裂化

由于宏站天線需放置于教學樓或宿舍樓天面，天線掛高通常為25～35米，難以降低，校園屬于普通城區環境，為了避免小區間的重疊切換區比例過大影響下行信噪比，校園內站間距不宜低于400米，同時配合較大下傾角（含電下傾）、合適的天線朝向、充分利用建筑物阻隔。例如：四川大學、西南交通大學老校區的現網拓撲，站間距主要為400～650米，通過進一步分裂、縮小站間距來增加宏小區數量的潛力不大。

（3）微小區之間

主要指室外微小區之間的干擾控制。盡量利用建筑物的遮擋，使室外微小區之間視距不可達，因為微小區的天線通常低于建筑物天面，實現這個要求難度低于宏小區情形；視距可達的微小區之間，應充分利用天線波瓣角、天線朝向來降低小區之間的重疊區。

（4）微微小區之間

注意不同的pRRU超級小區之間或Pico之間的距離、點位設置，盡量避免寢室內到相鄰無線節點之間的距離相等、墻體穿透損耗相等，在房間內形成切換區，避免無線節點之間有奇數個房間，應充分利用房間間隔、墻體穿透損耗特點，令任一個寢室內到相鄰無線節點的空間路徑均有明顯差異，減少房間內切換區面積，例如無線節點之間有偶數個房間。

4 部署分析步驟

4.1 基本步驟

高校宿舍區覆蓋部署方式的分析和建設步驟可參考圖3所示。

具體說明如下：

（1）“每棟宿舍所需FDD-LTE小區數”小于1個時，則可以多棟相鄰的宿舍樓共享1個小區，根據片區小區數量需求缺口的大小，選擇宏小區裂化方式或者部署室外微小區方式。例如：如果需求的小區總數是現網宏小區的2倍左右，則宏小區裂化方式可基本滿足；如果需求的小區總數是現網宏小區的3倍以上，則建議選擇微小區方式。

（2）“所需FDD-LTE小區數”為1～6個時，則建議選用微小區模式。

（3）“所需FDD-LTE小區數”大于6個時，則可考慮采用微微小區模式。

每種模式還可細分為幾種分支，具體選擇哪個分支取決于校園當地環境、現有條件和投資規模等多種因素，參見第5節。例如：已有宿舍樓建有2G/3G的DAS系統，那么LTE應優先采用這種方式，通常只需合路共享即可省事省力。

4.2 容量預算方法

建議以RRC連接用戶數而不是吞吐量來評估宿舍區所需的小區數量，因為根據3G的經驗，校園的小區吞吐量不是話務的瓶頸。

估算宿舍樓（或片區）所需小區數量=取整（忙時FDD-LTE連接用戶數（RRC連接態）/每小區正常承載用戶數） （1）

其中，忙時FDD-LTE連接用戶數（RRC連接態）=學生數量*電信用戶滲透率*FDD-LTE用戶滲透率*忙時激活連接比例。假設校園區域的每小區RRC連接用戶數上限為100個，小區正常負荷承載為70%，則對應70個用戶。

舉例：針對某棟宿舍樓，學生宿舍的常見平面布局是中間為走廊，兩邊為大致對稱的寢室，宿舍樓尺寸為長（60～80米）*寬（15～20米），寢室的常見尺寸為寬（3～4米）*深（6～7米）。那么，宿舍樓每層約有30～45個寢室，每個寢室按平均5個學生居住來算，每層樓約有150～225個學生，1棟樓按5～6層計算，則每棟樓有學生750～ 1 350人。取1棟樓典型值1 000人，參照上文計算方法，LTE業務發展初期FDD-LTE用戶滲透率為50%，中后期為80%，則1棟樓所需的小區數為：

（1）LTE業務發展初期：

INT（1000*50%*50%*25%/70）=1

（2）LTE業務發展中后期：

INT（1000*50%*80%*25%/70）=2

4.3 實施策略

由于用戶規模是逐步增長的，超前一次性建成的話可能令網絡資源長時間冗余閑置，按現狀動態滾動規劃設計的話，有可能前期的設計與后期需求形成矛盾，因此建議按LTE發展中后期的目標進行統一規劃、分步實施。

5 校園常用覆蓋方式介紹和對比

5.1 宏小區裂化—劈裂天線應用

該方式的容量可比傳統組網方式提升50%～80%，在3G已有小規模的應用。其特點是要將常規的65度水平波瓣角天線替換為2*33度的劈裂天線，基站小區設備數量翻倍。

優點是扇區分裂對容量提升有明顯作用，實施簡便、改造成本較低（更換天線、增加基站設備）；缺點是容量分裂的地理定位不夠精確，基站必須靠近話務密集區，否則效果不明顯。

5.2 宏小區裂化—站址裂化

基本思路是縮小宏小區的覆蓋面積，增加基站密度，通過降低天線掛高、加大下傾角、降低下行發射功率等措施配套實現。該方式改變了宏小區拓撲，通常能提升1～2倍容量，進一步提升難度較大。

該方式操作的難度、工作量和成本都比上文的劈裂天線分裂方式更大，而優點是地理定位精確、擴容效果較好。

5.3 室外微小區—立桿站

把無線信號源和天線放置于校園燈桿、監控桿或電力桿上，天線掛高5～10米，低于建筑物天面高度，視距覆蓋鄰近的宿舍樓。這是深度覆蓋的一種常用方式，無線信號源通常采用瓦級微站。

如果立桿站（微站）和室外宏站之間同頻組網，則立桿站應選擇在宏站覆蓋相對較弱的地方；如果宏微異頻組網，則條件可以大幅放寬。

5.4 室外微小區—“微站/Pico+室外定向小天線”

也稱為點射站，信號源可采用瓦級微站或百毫瓦級Pico，本文將重點介紹成本較低的信號源——百毫瓦級Pico。

由于學生宿舍樓間距較小（20～40米），以視距直達為主，當只覆蓋對面樓宇正面的寢室時，室內縱深較小，可采用Pico信號源+定向天線的方式。

鏈路預算計算表明：Pico下行最大發射功率125mW，采用10dBi增益_水平波瓣角65度_垂直波瓣角28度的小板狀天線（該天線已商用），饋線跳線插損0.5dB，陰影衰落裕量8dB，2.1GHz頻段，室外視距傳播環境下，經過建筑物穿透損耗20dB到達室內RSRP≥-100dBm的覆蓋半徑可達40～50米。

舉例：如果樓間距為30米，Pico安裝于樓梯通道內，天線安裝于外墻上，則覆蓋對面樓宇的立面面積較大（寬38米*高15米），可覆蓋幾十個寢室，如圖4所示。

各宿舍樓之間采用對打，某高校局部的覆蓋組網示例如圖5所示。

由此可見，覆蓋每棟宿舍樓只需2～4個Pico信號源即可，且施工簡便。

5.5 室內微小區—DAS

即傳統室分方式，2G、3G網絡在高校宿舍已有規模應用。

5.6 微微小區—室內Pico分布式

在學生宿舍內走廊天花，間隔一段距離放置1個Pico（例如中興的8102，又稱室內毫瓦級站）。

優點是無需鋪設饋線，以網線替代，施工簡便；缺點是受寢室墻體間隔較多的影響，每個Pico的覆蓋范圍有限，需要部署的數量較多。

5.7 微微小區—室內pRRU分布式

與室內Pico分布式部署類似，只是把Pico替換為pRRU。

增加的優點是產品更美觀，而且pRRU之間可合并為超級小區，也可分裂，配置更靈活；缺點是需要部署的pBridge、pRRU數量較多，設備投資成本要高一些。

5.8 各種覆蓋方式的對比

為便于理解，從運營商關注的幾個維度對上述多種覆蓋方式進行了對比，具體如表1所示。

參考文獻：

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