無線Relay傳輸技術(shù)在微基站部署中的策略

馬梁龑

1 引言

隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)蓬勃發(fā)展，各種移動終端設(shè)備和應(yīng)用程序影響著人們生活的方方面面。而當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨一些問題：城市建設(shè)步伐的加快使得城市環(huán)境越來越復(fù)雜，導(dǎo)致在人口密集城區(qū)形成了許多無線信號黑點(diǎn)和弱覆蓋區(qū)；部分城市居民對基站建設(shè)產(chǎn)生誤解，認(rèn)為基站進(jìn)社區(qū)危害嚴(yán)重，使得基站部署難度顯著增多，拆站現(xiàn)象也越來越多，許多小區(qū)由于物業(yè)協(xié)調(diào)難、工程投資大、建設(shè)周期長等問題，使得基站長期不能進(jìn)入，4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨較大阻礙[1]。

在4G微基站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中引入Relay這一新技術(shù)，可在節(jié)約建設(shè)資源的同時有效地延伸LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，滿足用戶無線接入需求。然而，如何結(jié)合Relay微基站自身低功率、弱覆蓋的特點(diǎn)，合理地根據(jù)現(xiàn)實(shí)場景下無線資源分布制定網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化方案，是目前運(yùn)營商最為關(guān)注的問題。明確Relay微基站在實(shí)際建設(shè)中的特點(diǎn)，不但能最大化地對各運(yùn)營商結(jié)合Relay技術(shù)的4G網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量有所提升，也會對未來5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展發(fā)揮巨大的作用。本文將著重分析Relay微基站現(xiàn)實(shí)部署中存在的問題，進(jìn)而從部署原則、基站覆蓋、線型選擇等多個角度闡述微基站部署的策略，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例給出真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持。

2 Relay微基站現(xiàn)實(shí)部署問題

Relay微基站雖然在理論上提升4G網(wǎng)絡(luò)性能和解決覆蓋漏洞有著巨大的優(yōu)勢，但在現(xiàn)實(shí)部署過程中，仍有大量的現(xiàn)實(shí)問題亟待解決，如Relay微基站較小的發(fā)射功率也使得其覆蓋范圍較小，類似宏基站的大量部署并不適合。同時，過量或者不適當(dāng)?shù)夭渴餜elay微基站，非但不會提升網(wǎng)絡(luò)性能，反而會破壞無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加小區(qū)間的信號干擾。

不同場景下，設(shè)備的部署高度、部署位置、供電需求以及抗擊極端天氣等要求也不同。微基站建設(shè)中需綜合考慮這些因素，結(jié)合場景下的覆蓋需求和建設(shè)條件，合理地制定網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化方案。

2.1 部署原則

Relay微基站的優(yōu)勢在于其一體化的小型化設(shè)計(jì)，使得它的發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的宏基站，覆蓋范圍也十分有限，所以類似宏基站的大量部署并不適合。

同時，由于LTE網(wǎng)絡(luò)往往采用同頻組網(wǎng)的方式，當(dāng)借助Relay技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的過程中不適當(dāng)?shù)夭渴餜elay微基站，非但不會提升網(wǎng)絡(luò)性能，反而會破壞無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加小區(qū)間的信號干擾，這將會對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化造成較大的問題。因此，Relay基站在規(guī)劃和建設(shè)時需要遵循以下原則：

（1）Relay基站的建設(shè)不能影響現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的覆蓋水平

部署Relay微基站的目的是增大LTE網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，因此應(yīng)避免微基站與宏基站有較大的重疊覆蓋區(qū)域。同時，微基站的部署位置應(yīng)盡量做到一勞永逸，避免調(diào)整周邊宏站的發(fā)射功率、天線方向角、天線傾角等無線天饋參數(shù)。

（2）Relay基站的建設(shè)不能影響現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的干擾水平

提升用戶的移動網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)永遠(yuǎn)是運(yùn)營商的首要職責(zé)，而干擾則是影響用戶體驗(yàn)的主要因素之一。因此，為避免給現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)造成干擾，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的中遠(yuǎn)點(diǎn)或宏網(wǎng)的弱覆蓋區(qū)域是Relay基站部署的重點(diǎn)區(qū)域，這樣可以在避免對原有宏基站干擾的前提下延伸LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提高用戶的移動網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

2.2 基站覆蓋問題

由于Relay的性能瓶頸在于其回傳鏈路的性能，在部署Relay時回傳天線需要安裝在接收到的宏站信號SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號與干擾加噪聲比）盡可能高的位置，一般考慮使用高增益的定向天線，盡可能地提高接收到的宏站信號強(qiáng)度，并抑制其他宏站的干擾信號功率。

在大中型城區(qū)中，如果覆蓋區(qū)域內(nèi)建筑物高度低于25 m、樓間距在20 m左右時，應(yīng)盡量提高Relay基站天線的高度，以改善小區(qū)遠(yuǎn)點(diǎn)的覆蓋；如果覆蓋區(qū)域內(nèi)建筑物高度高于30 m、樓間距在25 m以上，此時提高Relay基站天線高度對覆蓋改善增益很小，將Relay基站安裝在燈桿或者建筑物低層墻面上（5 m～10 m的高度）即可。

由于Relay基站發(fā)射功率低、覆蓋范圍小的自身特性，其站址選擇主要應(yīng)位于宏基站所存在的覆蓋盲區(qū)。而定義4G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)也有多種方式，如通過實(shí)際信號測試、通過用戶定位確定弱覆蓋區(qū)域、通過用戶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)投訴記錄分析等方式。

由于實(shí)際部署Relay基站需要放置于合適的高度，而在工程建設(shè)過程中，項(xiàng)目的投資效益也是至關(guān)重要的一環(huán)，因此對于周圍多為民居、商場、步行街等區(qū)域，應(yīng)盡量采用室外一體化設(shè)備，借助現(xiàn)有的路燈、監(jiān)控桿、公交站牌、廣告牌等公共設(shè)施，合理部署天饋系統(tǒng)的位置。這不僅節(jié)約了在配套設(shè)備上的投資，也對這類高流量需求的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了補(bǔ)盲。

在青海海東某工業(yè)園區(qū)，由于園區(qū)較大，地形復(fù)雜多樣，為保證用戶在不同區(qū)域內(nèi)的4G網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，采用了多種Relay基站的部署形式。在集中辦公區(qū)內(nèi)，由于辦公大樓的高度普遍較高，基本位于30 m以上，同時為了保障辦公區(qū)域內(nèi)的整潔美觀，結(jié)合物業(yè)的要求，采用美化隱蔽的抱桿微基站方式，將Relay基站部署在街邊的路燈和街牌之上。在宿舍區(qū)和休閑區(qū)內(nèi)，建筑物高度普遍較低，為了提升用戶的信號接收強(qiáng)度，將Relay微基站部署在宏基站覆蓋邊緣區(qū)域的房頂以及墻體外圍，以此實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)的補(bǔ)盲。

2.3 Relay站型選擇問題

華為無線中繼解決方案中，“DeNB（Donor eNodeB）+RRN”為ReBTS（Relay BTS）提供無線傳輸通道，解決了部分站點(diǎn)有線傳輸不能接入的問題。

其中，Relay組網(wǎng)包含宿主基站DeNB和中繼站RN（Relay Node）兩個邏輯節(jié)點(diǎn)。DeNB是在普通基站上增加了Relay功能，DeNB既支持UE接入，也支持RRN的接入；RN包括RRN和ReBTS兩部分，RRN接入DeNB并建立LTE空口承載，ReBTS可供覆蓋范圍內(nèi)的UE接入。

Relay的部署不需要設(shè)置機(jī)房配套，支持一體化天線，是一種基于LTE回傳方式的微站。與真正意義上的微站進(jìn)行比較，如果要部署小站站型站址，在具備有線回傳條件時，可以優(yōu)先選擇微站部署方式，能夠起到提供容量和改善4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果的作用；若不具備有線回傳條件，則應(yīng)使用帶微波回傳微站或Relay解決方案，同樣可以起到改善目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量的效果，但對于宏觀容量的改善效果不明顯。

若DeNB和ReBTS使用相同的頻點(diǎn)，則稱為帶內(nèi)Relay；若DeNB和ReBTS使用不同的頻點(diǎn)，則稱為帶外Relay。本試點(diǎn)DeNB（宿主基站）為F頻段，ReBTS（Relay基站）為D頻段，即采用帶外Relay的方式。

在Relay站型選擇方面，主要采用頻帶劃分方式，即將Relay分為帶內(nèi)和帶外兩種方式。若頻譜資源緊張，則應(yīng)采用帶內(nèi)Relay；若頻譜資源豐富，則可以使用帶外Relay。采用這種部署方式可以降低Relay與宏基站間的相互干擾，提高回傳鏈路的調(diào)度靈活性，而且不受MBSFN子幀配置的限制，如果要增加容量，還可以使用CA，同時能夠避免在3:1時隙下對帶內(nèi)時隙的影響[2]。

帶內(nèi)Relay與帶外Relay對比具體如表1所示。

如果帶外Relay在不同頻點(diǎn)下工作，需要去報(bào)不同頻點(diǎn)之間具有90 dB左右的隔離度。在這種情況下，應(yīng)采用分體式Relay，從而幫助提高隔離度。若隔離度無法滿足，可以選擇使用帶內(nèi)Relay或?qū)釸elay的接入鏈路和回傳鏈路設(shè)置為不同頻段，充分發(fā)揮各種類型Relay的優(yōu)點(diǎn)，可以解決實(shí)際部署中的互相干擾問題。從安裝角度考慮，一體化Relay較為容易部署，但如果使用外置天線，只能選擇分體式Relay，避免回傳鏈路接收靈敏度受到干擾。

表1 帶內(nèi)Relay與帶外Relay對比

青海海東某工業(yè)區(qū)內(nèi)，主要目的是實(shí)現(xiàn)無線回傳的室外覆蓋和室外打室內(nèi)的信號覆蓋，由于場景內(nèi)的頻段資源較為充足，投資資金也較為充裕；同時場景內(nèi)的人員較為密集，流量需求較高。因此，為了最大化系統(tǒng)吞吐量，采用了天線隔離度較低且性能較優(yōu)的Relay，并采用帶外Relay的方式進(jìn)行部署。

2.4 Relay基站與微基站對比

目前TD-LTE主要包括宏基站、Relay基站、微基站和微微基站四種基站類型。其中，宏基站應(yīng)用于室外廣覆蓋，微微基站則應(yīng)用于室內(nèi)覆蓋。從應(yīng)用場景來看，Relay基站與微基站類似，都應(yīng)用于室外補(bǔ)盲以及熱點(diǎn)區(qū)域的補(bǔ)充覆蓋，兩者之間的區(qū)別具體如表2所示。

從表2可以看出，Relay基站與微基站的部署方式以及覆蓋半徑都十分相似，不需要進(jìn)行機(jī)房配套，而且支持一體化天線，因此可以作為LTE無線回傳方式的微基站使用。在具備有線回傳條件時，則優(yōu)先部署微基站，通過兩者的配合使用來解決城區(qū)覆蓋補(bǔ)盲問題。

青海海東某工業(yè)區(qū)宏基站距離園區(qū)較遠(yuǎn)，架設(shè)光纜存在一定的技術(shù)困難和成本限制，因此在這樣的場景下，選擇具有無線回傳功能的Relay基站是解決園區(qū)4G信號覆蓋的最優(yōu)選擇。

2.5 Relay對其他網(wǎng)元的影響問題

部署Relay會涉及到核心網(wǎng)和施主宏站的軟件升級，為了避免對現(xiàn)有MME網(wǎng)元的影響，可以考慮把MME功能下沉到施主宏站實(shí)體中實(shí)現(xiàn)，或者新建一個簡化的MME專用于支持Relay的接入。但一般建議同廠商的DeNB和Relay配對使用。

2.6 Mobile Relay的應(yīng)用

對于高鐵等場景，為了提高車內(nèi)高速用戶的性能，減少大量用戶的浪涌切換，可以考慮使用Mobile Relay。此時優(yōu)選分體式或一體化的帶外Relay，回傳模塊/天線置于車廂體外，接入模塊置于車廂內(nèi)部。同時，需要對核心網(wǎng)網(wǎng)元（如S-GW和MME）等進(jìn)行簡單的軟件升級。

3 應(yīng)用案例分析

以青海海東某工業(yè)園區(qū)為例，人群密度大，存在較高的用戶需求，但由于該地較為偏僻，存在4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到位的問題。

而由于物業(yè)特殊要求，采用美化隱蔽的抱桿微基站方式，與上游基站距離超過2.6 km，物業(yè)管道難以協(xié)調(diào)，傳統(tǒng)光纜敷設(shè)方式難以應(yīng)用，因此選擇“微基站+無線Relay”組網(wǎng)模式進(jìn)行建設(shè)。具體如圖1所示：

圖1 Relay微基站園區(qū)部署示意圖

表2 Relay基站與微基站對比

在進(jìn)行方案評估時，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了反復(fù)論證，確保市電可以快速引入，作為4G站點(diǎn)建設(shè)和工作的基礎(chǔ)。建設(shè)工作開始前，人員進(jìn)行了模擬仿真，由于工業(yè)園區(qū)存在一定的電磁場，對通信信號工作造成了干擾，為進(jìn)一步保證信號傳輸?shù)挠行裕ㄟ^使用信號擴(kuò)大器應(yīng)對電磁干擾。模擬結(jié)果顯示，信號擴(kuò)大器顯著提升了信號強(qiáng)度，將電磁場干擾降至較低的水平。微基站整個建設(shè)周期僅為9天，與傳統(tǒng)基站相比，微基站不需要配電箱等設(shè)備，準(zhǔn)備天饋抱桿即可，實(shí)際的信號傳輸效果也較好。

在“微基站+無線Relay”組網(wǎng)模式下，可實(shí)現(xiàn)傳輸鏈路無線化，支持LOS（Line of Sight，視距）與NLOS（Not Line of Sight，非視距）傳輸，無須破土動工或架空走線就能破解傳輸進(jìn)入難的問題，微基站的防護(hù)等級高，可以達(dá)到RRU（Radio Remote Unit，射頻拉遠(yuǎn)單元）的防護(hù)水平，備電、RRU、電源、BBU（Building Base band Unit，基帶處理單元）等被連為一個整體，有效提升效率且降低傳輸損耗。同時，微基站不需要機(jī)房，在室外掛桿安裝即可有效工作，不存在物業(yè)協(xié)調(diào)問題，也免去了用于機(jī)房建設(shè)的開支。

圖2 Relay開通前后RSRP和SINR覆蓋對比測試圖

Relay的部署不依賴光纖和微波等傳統(tǒng)傳輸技術(shù)，在不影響信號覆蓋范圍的情況下，對資源的要求更低，成本得到了控制。網(wǎng)優(yōu)人員對該工業(yè)園區(qū)內(nèi)的信號覆蓋情況以及數(shù)據(jù)吞吐量進(jìn)行了詳細(xì)測試，圖2和圖3直觀地展示了園區(qū)內(nèi)各個位置下LTE網(wǎng)絡(luò)的覆蓋與實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)情況。

從圖2可以看出，開啟Relay設(shè)備前，園區(qū)部分區(qū)域內(nèi)存在一定的覆蓋漏洞，且RSRP與SINR值存在大量的紅色區(qū)域，這也意味著園區(qū)內(nèi)的信號存在弱覆蓋的情況；而在Relay開通之后，場景內(nèi)的覆蓋漏洞消失了，信噪比也有了非常大的提升。

圖3 Relay開通前后上下行吞吐率對比測試圖

從圖3可以看出，開啟Relay設(shè)備前，整個園區(qū)內(nèi)的上下行速率普遍不高，部分區(qū)域還存在網(wǎng)絡(luò)擁塞的現(xiàn)象；而在Relay開通之后，用戶的上網(wǎng)體驗(yàn)有了明顯的改善。

表3主要展示了移動終端在園區(qū)內(nèi)各個場景下的采樣點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)平均值。由此可以直觀地看出，Relay開通前后RSRP均值提升了16.25 dBm；Relay開通前后SINR均值提升了8.19 dB；Relay開通前后上行吞吐量均值提升了4.16 Mb/s，提升比例達(dá)232%；Relay開通前后下行吞吐量均值提升了10.53 Mb/s，提升比例達(dá)148.5%。

表3 Relay開通前后數(shù)據(jù)對比

由此可見，通過本文的基于無線Relay傳輸技術(shù)的微基站解決方案，該園區(qū)內(nèi)的用戶4G體驗(yàn)得到了質(zhì)的飛躍，這也證明了Relay無線微基站方案的有效性和實(shí)用性。Relay和微基站相結(jié)合的方案，為因傳輸路由受限導(dǎo)致的弱覆蓋區(qū)域的覆蓋提供了一種低成本、高可靠性、改造量小且效果明顯的覆蓋解決方案，為青海移動打造深度覆蓋示范區(qū)和4G精品網(wǎng)絡(luò)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

本文通過分析Relay技術(shù)特征，提出了兩類主要的應(yīng)用場景，并從部署原則、基站覆蓋問題、站型選擇問題等多個角度分析了Relay技術(shù)在現(xiàn)實(shí)部署中可能遇到的問題和解決方案，最終通過應(yīng)用實(shí)例分析，明確Relay微基站在實(shí)際建設(shè)中的特點(diǎn)，以此最大化Relay技術(shù)對國內(nèi)各運(yùn)營商LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中性能和服務(wù)質(zhì)量的提升作用。同時，廣覆蓋、低時延同樣也是未來5G發(fā)展的重中之重，5G作為4G的延伸，必然需要更密集的基站為用戶來提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，靠近用戶的“最后一公里”是提升用戶體驗(yàn)的重點(diǎn)攻克對象，因此Relay無線傳輸技術(shù)的研究不但能為當(dāng)前的4G網(wǎng)絡(luò)起到優(yōu)化提升的作用，還可以為未來的5G網(wǎng)絡(luò)提供寶貴的技術(shù)積累和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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