Small Cell在異構網建設中的應用研究

閆文斌

（中國聯合網絡通信有限公司廣州市分公司，廣東 廣州 510630）

1 引言

隨著4G的商用，移動通信的發展迎來了一個新的里程碑。但LTE的部署和商用，仍然會面臨3G發展過程中遇到的問題，如數據業務流量的爆發增長與所帶來收入的不平衡、局部深度覆蓋差對用戶體驗的影響、基站建設物業獲取更加困難、建設成本不斷提高等。為了解決這些困擾，全球運營商、設備廠家、芯片廠家等都進行了很多探索，成立了Small Cell Forum來進行相關政策、產品、架構等方面的研究。從目前來看，通過大量部署Small Cell來構建多層異構網絡（Multi-Layer HetNets）已經成為主流的應對之道。在國內，Small Cell的發展仍然沒有步入快速軌道，主要是由于對異構網絡的整體架構、技術標準都有不少困惑，本文通過Small Cell的建設實踐來總結相關經驗，為大規模部署Small Cell做積累。

2 研究背景

2.1 Small Cell業界進展

Small Cell是各種低功耗、小型化、集成化的無線接入點設備的概稱，它工作于許可頻段，由運營商進行管理，基于智能化的技術為傳統宏蜂窩網絡提供補充。Small Cell的產品形態可以是RRU拉遠單元、微蜂窩、皮蜂窩、Femtocell等。

早在2007年6月份，前Picochip、Ubiquisys、Vodafone等公司在倫敦成立了Femto Forum行業會員組織，旨在Femtocell技術的標準化和推廣。Femtocell的實際商用并不如當初預期的那樣理想，主要原因有：技術層面的不穩定性，干擾，頻率規劃和移動性方面的復雜性，商業模式的不明確，終端成本一直居高不下，用戶體驗不是很良好等。

盡管Femtocell技術沒有取得預期的商業成功，但Femtocell衍生出的自組織網絡技術（SON）、寬帶IP回傳、扁平化網絡結構以及設備小型化緊湊化等思想成為未來蜂窩通信的技術主流，直接催生了Small Cell這一產品形態。因此在2012年2月份，Femto Forum改名為Small Cell Forum，擴展了研究范圍，包括中國聯通在內的67家運營商和75家產業鏈供應商已經加入這一論壇。

同時，3GPP也于2007年開始把Home Node B作為研究方向，并在Relaese8中完成了HNB/HeNB的架構定義。從2012年9月開始，LTE標準演進已經進入R12階段。相比之前的版本，R12版本面臨的主要任務是應對未來全球無線數據業務的爆炸式增長。而Small Cell成為應對這一挑戰的最主要方式。Small Cell在LTE標準化過程中占據了重要地位，是R12版本中最重要的標準化方向。隨著智能終端的大量應用，根據預測，未來10年無線數據業務將有近1 000倍的增長。面對這一巨大挑戰，業界進行了大量的交流，基本明確了應對這一挑戰的幾個基本維度：頻譜效率提升、頻譜擴展、密集部署及數據分流。考慮到無線數據業務發生的不均衡性，即大部分業務將發生在熱點及室內，Small Cell無疑將成為應對無線數據業務增長的最主要方式。3GPP內部經討論達成高度共識，在R12針對Small Cell進行全面增強，使其成為R12最核心立項。

密集部署為3GPP在R12中對Small Cell進行標準化的最重要內容。密集部署是解決未來無線數據業務增長最重要的維度。隨著業務量增加，低功率的密集部署是提升單位面積吞吐量的最有效手段。隨著Small Cell部署數量提升，干擾管理和移動性管理將成為最重要的問題。針對這2個問題，Small Cell物理層專門進行了小區開關和小區發現的增強研究，Small Cell高層進行了宏基站與Small Cell的雙連接研究。相關研究成果一旦標準化，將對Small Cell密集部署帶來巨大的效率提升。

2.2 Small Cell應用分析

雖然R12是為LTE部署而進行Small Cell的專題立項，但是其解決思路對于目前3G網絡也有很好的借鑒意義，所以大量運營商和廠商希望在3G頻段部署Small Cell來進行網絡發展。根據Informa Telecoms and Media的數據，小型基站市場規模將在2016年達到220億美元，其中73%將來自于公共場所。這使97.5%的移動運營商受訪者相信，小型基站將是未來移動網絡的關鍵。

通過Small Cell，希望能實現如下4個方面的改善：

（1）Hotspot and Indoor：解決熱點和室內的覆蓋和容量；

（2）Higher frequency：利用高頻段來改善局部弱覆蓋覆蓋；

（3）Higher bandwidth：更大帶寬，更高容量；

（4）Higher performance：更好的網絡性能和用戶體驗。

簡單來說，目前Small Cell主要用于零散的小范圍的覆蓋解決方案以及熱點區域的分流解決方案。

本文結合本地在Small Cell建設方案的一些嘗試對Small Cell的應用場景、頻率規劃、宏微協同等進行一些探索，希望能解決運營商目前在網絡建設中遇到的深度覆蓋難解決、基站建設物業難獲取、投資收入剪刀差日趨明顯等困境。

3 建設實例

3.1 覆蓋問題解決類

以本地一個步行街覆蓋為例，無線環境為狹窄隧道式，兩側樓宇9層高左右，弱覆蓋路段距離最近的宏站200m左右，該站掛高54m，也有高度優勢，但由于步行街比較狹窄，且周圍商鋪進深也比較深，所以道路兩側的室內覆蓋幾乎脫網，道路上的RSCP也在-95dBm以下。

類似這種場景在密集城區是比較常見的，也不適合以傳統的增加宏站的方式解決，而且高掛高不一定能解決步行街底層的深度覆蓋問題。

解決方案：結合周圍環境，確定通過Small Cell來解決。

建設方式如下：

（1）設備架設方式：利舊路邊小靈通水泥桿；

（2）傳輸回傳方式：光纖直連；

（3）供電方式：周圍就近取交流電借電；

（4）頻率規劃：與周圍宏站采用同頻設置。

建設實例如圖1所示：

圖1 淘金農貿街道站實際安裝圖

圖2 淘金農貿街道站開通前RSCP

建設效果：在路測驗證中，開通前后RSCP對比如圖2和圖3所示，從開通前的平均-95dBm以下提升到-75dBm以上。通過測量，改善路段在200m左右。

業務量分析：將覆蓋同一區域的Small Cell和宏站小區組成簇進行話務分析，統計開通前后一周的數據流量。在假定其他條件不變的情況下，開通后宏站小區的流量下降100MB左右，可以假設為這部分流量被Small Cell進行了分流吸收，通過統計，Small Cell挖掘出的潛在業務為3 249MB。統計如表1所示：

表1 覆蓋區域Small Cell開通前后業務量對比

從實際開通效果看，Small Cell有效解決了深度覆蓋的問題，將原來因覆蓋差而流失的潛在的業務進行了挖掘。從建設成本分析，因沒有高投資的配套，所以單站建設成本非常低，尤其是節省了可觀的物業租金，有效降低了運營成本。

3.2 熱點容量解決類

3G業務熱點主要集中在商業密集區、交通樞紐、校園、集團客戶所在地，這其中尤其是校園，因為用戶長期穩定聚集在一片區域，對網絡容量的挑戰非常大。

圖3 淘金農貿街道站開通后RSCP

案例呈現：以某校園為例，如圖4所示，學校面積300m×300m左右，校園中心食堂已有宏站1個，從覆蓋角度看，學校面積不大，所以整體覆蓋良好。主要存在問題是容量需求，校園迎新后，該站擴到4 載頻，但BBU 主控板負荷頻繁超過80%，導致告警閃斷，嚴重影響用戶感知，同時關于網速慢的投訴也很多，法定頻率已經用完，無法通過擴容解決，而且擴容后BBU處理能力也受限。

解決方案：在流量高發的宿舍區、教學區就近用戶位置安裝一定數量的Small Cell來進行容量分流和挖掘。以原有基站S1范圍教學區和教工宿舍區為例，如圖5所示，原宏站小區PSC為78，新增3個Small Cell的PSC分別為257、258、259。

建設方式：

（1）設備架設方式：掛墻安裝；

（2）傳輸回傳方式：光纖直連；

（3）供電方式：就近交流電；

（4）無線頻率配置：因為已經擴到4載波，法定頻段已經用完，所以仍然采用與宏基站同頻設置，未做異頻設置。

建設效果：對比“部署Small Cell前的宏小區”和“宏小區加Small Cell形成的簇”這2項在Small Cell部署前后的KPI。

（1）覆蓋提升：如圖6所示，對比原宏小區和宏微簇的RCSP MR覆蓋率，可見覆蓋區域的弱覆蓋（小于-90dBm）區域減少13%，良好覆蓋（大于-80dBm）區域增加8%。

（2）干擾情況：對比Small Cell部署前后，宏小區的Ec/Io變化情況如圖7所示。

通過統計，發現宏小區的Ec/Io在Small Cell開通前后基本保持穩定。

（3）業務分流和挖潛：分別統計開通Small Cell前后宏小區的數據流量和用戶數以及Small Cell后3個微基站組成的微cluster的數據流量和用戶數。

從統計數據來看，如圖8～圖11所示，Small Cell部署后挖掘出了潛在的業務和用戶，CS業務量增加18%，HSDPA 吞吐量增加6 0%，HSUPA吞吐量提升36%，HSDPA用戶數增加10%，HSUPA用戶數增加30%。

圖4 安裝Small Cell前校園站點分布

圖5 機械技校安裝Small Cell位置分布

圖6 機械技校Small Cell開通前后覆蓋區域覆蓋率變化

圖7 機械技校Small Cell開通前后宏站Ec/Io對比

（4）用戶感知：對比開通Small Cell前后宏小區的單用戶上傳和下載平均吞吐率以及開通Small Cell后微cluster的單用戶上傳和下載平均吞吐率。

統計數據，如圖12、圖13所示，Small Cell部署后，宏小區內HSDPA 用戶平均吞吐量提升6 0%，HSUPA用戶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負荷從80%以上降低到68%左右，RTWP減低0.9dB，下行負荷降低6.5%左右。

圖8 機械技校范圍內HSDPA吞吐量

圖9 機械技校范圍內HSUPA吞吐量

圖10 機械技校范圍內HSDPA用戶數

圖11 機械技校范圍內HSUPA用戶數

圖12 機械技校HSDPA單用戶平均吞吐量

圖13 機械技校HSUPA單用戶平均吞吐量

綜合以上統計，部署Small Cell后，由于將原有集中在一個宏小區的用戶進行了卸載，所以原宏小區的各項KPI都有改善，尤其是用戶體驗有了極大的改善。而微基站的加入，并不僅僅是將原有的宏小區的業務進行簡單的分流，而是通過覆蓋的有效控制和增強，在給原有小區減負荷的同時，挖掘出了潛在的業務需求，這些業務需求由于之前的擁塞或者覆蓋不足而無法滿足，現在通過低成本的Small Cell部署，釋放了這部分需求。

4 Small Cell優勢及部署建議

通過若干試點，驗證了Small Cell在解決無限容量和覆蓋方面的獨特優勢，尤其是應用在一些傳統建設方式無法解決的場景。

以上文覆蓋類場景的建設為例，在解決這類型問題時，以往的解決方案不外乎是就近建設基站，按照傳統的基站建設標準，需要建設普通板狀天線或者美化天線，建設電源和配套設施，這在站距已經很近的密集市區幾乎很難做到。而且如果基站建設到樓頂，因為“燈下黑”的原因，路面和兩旁街鋪的深度覆蓋仍然無法解決。通過Small Cell，靈活利用公共設施，可以低成本地解決此類難點。

而對于熱點容量分流型的場景，往往也是基站站距已經過近，超過場景平均水平，不適合繼續部署宏基站，干擾問題會嚴重影響數據業務速率。通過Small Cell將覆蓋區域的容量需求打散到若干小功率的Small Cell設備上，就近精準的吸收業務，降低對周圍宏基站的干擾，提升整個區域的業務承載能力。而且Small Cell因為外觀美觀，有別于傳統基站，物業的接受度高，可以不按照基站進行物業租賃，可以低成本高密度進行建設。

4.1 Small Cell建設的優點

通過若干Small Cell建設案例總結，Small Cell相比傳統的宏站建設方式有如下特點：

（1）物業獲取難度大大降低：Small Cell設備形態都是高度集成的，體積小、重量輕、偽裝程度高，適合在各種公共場所或者物業敏感場所進行部署。

（2）施工周期短：無線側施工量少，傳輸條件具備后，可以在半個工作日內完成安裝、調試和開通。

（3）傳輸方式靈活：除了采用傳統的光纖直連方式外，也可以利用已經部署的GPON固定網絡的傳輸資源，做到資源復用，降低建設難度和成本。

（4）大幅降低建設成本：由于沒有復雜的配套設備，且小型化設備可以實現低租金甚至零租金建設，極大地降低了OPEX和CAPEX。

4.2 Small Cell部署場景建議

經過現有安裝場景總結，建議安裝場景如下：

（1）市區非主干街道覆蓋；

（2）步行街、商業街等底層商鋪深度覆蓋；

（3）大型封閉式樓盤內部覆蓋；

（4）集客、工廠、寫字樓局部等小范圍覆蓋；

（5）校園、商圈等高業務密集場所分流。

4.3 Small Cell建設方式建議

部署Small Cell的初衷就是為了低成本的解決網絡問題，所以在建設方式上要靈活處理，盡量避免產生物業租賃費用，利用公共基礎設施，采用資源置換等方式，利用政府政策支持，降低建設成本和運維成本，提高網絡效益，這才是Small Cell能真正投入運營的基礎。

5 結論

現階段及在未來很長一段時間內，3G和4G的零碎化弱覆蓋需求和局部熱點高業務集中都是運營商網絡建設和優化的重點和難點，雖然Small Cell還不是常規的建網模式，但是其低成本、靈活快速、按需部署的特點，對于運營商來說無疑是有效提高網絡效益、改善用戶感知的利器。雖然Small Cell大規模部署還需要在移動性管理、干擾控制、頻率規劃等技術標準方面再做進一步研究和規范，但從全球運營商和產業鏈的關注程度來看，國內運營商必須積極跟進Small Cell建設模式，解決建設過程中碰到的技術、管理等方面的問題，以期通過Small Cell異構網絡降低整體網絡CAPEX和OPEX，提高運營商盈利能力。

[1] 肖衛東,曹亙,張濤,等. Small Cell網絡部署策略及技術演進研究[J]. 郵電設計技術, 2014(10): 37-42.

[2] 劉平,吳錦蓮. LTE小基站增強技術[C]. 2013全國無線及移動通信學術大會論文集（上）, 2013.

[3] 蘇雄生. LTE小基站建設策略探討[J]. 電信快報：網絡與通信, 2014(10): 13-16.

[4] 段亞林,謝永斌. 基于LTE的綠色小基站研究[J]. 信息通信, 2015(3): 168-170.

[5] 張奇勛,馮志勇,楊拓. 高密度小基站網絡中混頻自部署技術與網絡容量分析[J]. 中興通訊技術, 2015(1): 18-33.

[6] 貝斐峰,陳旭奇,李新,等. 小基站在LTE異構網絡中的應用發展研究[J]. 電信快報：網絡與通信, 2014(7): 26-30.

[7] 符新,周巍. LTE異構網技術分析[J]. 中國新通信, 2014(11): 9-10.

[8] 李進,董育寧. 分布式小基站資源分配優化方法[J]. 南京郵電大學學報: 自然科學版, 2015(2): 64-73.

[9] 朱峰. 熱點區域LTE小基站干擾協調研究[D]. 蘭州: 蘭州大學, 2014.

[10] 張大鈞,吳昱民. LTE-Advanced系統小基站的增強技術研究[J]. 現代電信科技, 2013(8): 4-9. ★