4G異構網規劃體系及建模研究

湯利民　程日濤　徐德平　鄧安達　張炎炎

為提升4G網絡深度覆蓋、增加容量和提升邊緣區域感知，首先通過對異構網概念及功能的分析，提出通過異構網方式滿足中國移動4G網絡發展需求的整體思路，隨后全面闡述了4G異構網的分層規劃指標和規劃方法，最后以商務區作為典型場景構建了異構網部署示例方案。

異構網 規劃指標 頻率規劃

1 引言

1.1 4G異構網

在3GPP規范中，異構網（HetNet，Heterogeneous Network）被定義為由多種不同特性小區（例如對于4G網絡，包括各種eNB、HeNB、Relay等）組成的3GPP接入網。同時，3GPP規范還定義了異構部署（Heterogeneous Deployments），即在宏基站范圍內部署低功率節點。異構網組成示意圖如圖1所示：

1.2 4G異構網對于中國移動的意義

異構網對于中國移動網絡建設至少在三個方面發揮著重要作用。

（1）覆蓋提升、質量提升

首先，宏基站在滿足一定區域覆蓋率的情況下邊緣覆蓋率仍處于較低的水平，這些區域由于密集建筑物遮擋會造成室外覆蓋盲區；其次因為建筑物內部存在大量穿透損耗較大的區域，鑒于宏基站覆蓋能力及網絡結構的限制，該區域的覆蓋需要提升；最后，重疊覆蓋嚴重的小區邊緣區域的質量較差，通過異構網方式可以建立優勢主小區信息進而提升覆蓋質量。

如圖2異構網部署的覆蓋提升測試分析可知，RSRP大于-95 dBm的比例從53.42%提升到了99.02%。RS-SINR的（INF，20）區間提升了13%（同頻）和33%（異頻），網絡質量顯著提升。

（2）容量補充、頻譜效率提升

對于移動網絡數據流量的增長趨勢，普遍預測為年均復合增長率（CAGR）約100%，按此速度發展，未來20年的數據流量約為現網的百萬倍，解決容量需求的方法是站址數量（1000倍）×頻譜資源（100倍）×頻譜效率提升（10倍）。而應對流量增長的主要措施之一是站址密度的增加。從仿真數據看，在站高無法普遍降低的工程條件下，宏基站站址密度的增加將導致網絡質量的下降。因此利用更多的低功率基站設備進行覆蓋是必然的解決方案。異構網組網場景容量提升效果如表2所示：

此外，隨著對4G網絡運營質量和效率的關注，通過異構網方式提升頻譜效率也將被更廣泛的應用。

（3）工程替代方案

小基站在基站重量、體積、功耗、安裝方式等方面具有更高的靈活性，因此在常規宏基站不具備工程部署條件的場景，可以借助異構網小基站作為工程替代方案。

2 4G異構網規劃體系與方法

2.1 4G異構網組成及功能

基于異構網技術特性及建設管理要求，4G異構網可分為覆蓋層和容量層。

（1）覆蓋層分層定義

廣域覆蓋層：在廣域范圍實現室外及部分室內區域連續覆蓋、滿足基本容量需求的網絡層，單發射點覆蓋距離在數百米以上。

深度覆蓋層（室外站）：在室外建設基站，針對局部區域實現深度覆蓋或滿足容量需求的網絡層，單發射點覆蓋距離低于同區域廣域覆蓋層，一般為數十至數百米。

深度覆蓋層（室內覆蓋系統）：在室內區域建設基站，針對特定建筑物實現深度覆蓋或容量需求的網絡層，單發射點覆蓋距離為數十米以下。

（2）容量層定義

容量站（層）：在覆蓋層基礎上，用于容量補充的站點。

中國移動4G異構網組成及功能示意圖如圖3所示。

2.2 4G異構網規劃指標體系

（1）規劃指標基準

規劃指標需要滿足業務需求、容量需求、網絡能力、對標考慮等多個層面的要求。業務需求方面，不同業務類型對基本保證速率要求不同，目標速率規劃需要考慮邊緣所需滿足的業務速率。容量需求方面，網絡的容量需求需通過載頻規模和單載頻承載能力綜合實現，區域容量需求也影響規劃目標速率。網絡能力方面，除受到網絡技術體制的限制外，規劃目標速率還與網絡結構、無線傳播環境等因素相關。此外還需要考慮基于競爭壓力等的非技術因素。

基于系統能力分析，“RSRP≥-113 dBm，RS-SINR≥-3dB”是滿足網絡基本接入性能的門限要求。根據3GPP定義的會話類（Conversational）、交互類（Interactive）、流類（Streaming）、背景類（Background）四類業務要求，除高清視頻業務外，下行邊緣速率達到1～2 Mbps基本可以滿足主要高速數據業務的需求。針對不同場景分析RS-SINR與業務速率（100RB）之間的相關性，可看到兩者CDF曲線達到某一門限的比例具有較穩定的對應關系，即滿足50%負荷條件下邊緣速率1 Mbps對應的RS-SINR指標要求為-3 dB。該結論在不同城市、不同場景、不同天線模式、不同加載比例以及不同廠家設備等情況下均適用。

對于VoLTE語音業務，鏈路預算和測試驗證數據均表明，在滿足基本的KPI指標及MOS質量要求下，“RSRP≥-113 dBm，RS-SINR≥-3 dB”滿足VoLTE高清語音業務要求。VoLTE業務覆蓋能力預算及VoLTE業務覆蓋能力測試驗證如圖4、圖5所示。

（2）異構網規劃分層規劃指標

1）廣域覆蓋層

功能：實現連續覆蓋和廣域覆蓋目標，同時滿足基礎容量需求。

覆蓋目標：實現道路連續覆蓋，利用路測（DT）數據進行覆蓋情況評價，后續可規劃到針對DT連續30 m的弱覆蓋區域。

建設方式：主要方式為宏基站；對于區域小或常規宏基站無法實施的場景采用其他微基站、Relay等方式。

規劃指標：廣域覆蓋層規劃指標如表3所示。

2）深度覆蓋層（室外站）

功能：實現深度覆蓋和基本的容量需求。

覆蓋目標：滿足建筑物的深度覆蓋需求，利用測量報告（MR）數據進行覆蓋情況評價，后續方案考慮對于價值建筑物（流量、4G用戶數等維度）制定覆蓋率目標。

建設方式：主要方式為微基站；其他方式有宏基站、Relay、宏基站等信源+室外分布系統。

規劃指標：室外區域目標同廣域覆蓋層；室內區域目標為RSRP≥-113 dBm，RS-SINR≥ -3 dB。

3）深度覆蓋層（室內站）

功能：實現建筑物深度覆蓋和基本的容量需求。

覆蓋目標：滿足建筑物的深度覆蓋需求，利用測量報告（MR）數據進行覆蓋情況評價，后續方案考慮對于價值建筑物（流量、4G用戶數等維度）制定覆蓋目標。

建設方式：宏基站等信源+室內分布系統、皮基站、飛基站等。

規劃指標：深度覆蓋層（室內站）規劃指標如表4 所示：

4）容量層

功能：實現容量補充。

覆蓋目標：針對容量需求超出覆蓋層提供能力的區域進行容量補充，基于網管定義的小區負荷信息，達到擴容標準的小區覆蓋區域需要進行容量站（層）建設。

建設方式：與各覆蓋層相同。

2.3 4G異構網規劃方法

異構網規劃應實現以“精”為核心的規劃要求，相對于傳統網絡規劃方法，從基于理論及仿真分析轉向以現網大數據分析為基礎，同時呈現出應用大數據需求帶來的工具化趨勢。

（1）需求分析

需求分析的目標是明確異構網需要解決的柵格（建筑物）情況。需求分析的方法包括覆蓋需求分析和容量需求分析。

基于DT（室外）、MR（室內+室外）、建筑物（基礎數據）等確定覆蓋需求標準，DT/路面數據按連續30 m低于覆蓋指標要求確定需求，MR數據按柵格級80%的概率低于覆蓋指標要求確定需求。

基于網管的小區負荷信息，結合業務發展預期，可確定容量需求。網絡負荷需要結合小區級和柵格級流量分析，首先預測場x年后的流量增長倍數，小區級結合現網負荷數據及增長預期估計載波數需求，當滿配不能滿足小區級需求后考慮增加小基站補充柵格級容量需求。需求分析示例如圖6所示。

（2）方案建模

異構網部署應綜合考慮市場驅動力、網絡建設需求、無線性能、傳輸等其他配套實施代價、投資收益比的要求。方案建模的關鍵內容包括：

1）異構網覆蓋建模：核心是評估各類建設方式覆蓋能力；

2）異構網容量建模：核心是評估各類建設方式的頻譜效率，需結合同異頻策略評估；

3）異構網造價建模：核心是評估各類建設方式的成本。

異構網方案建模如圖7所示。

信號傳播的衰落特性決定了覆蓋率概念的存在。通信概率是指移動臺在無線區域覆蓋邊緣（或區內）通信時，一定時間內信號質量達到規定要求的成功概率，分為邊緣通信概率和區域通信概率兩種。小區邊緣通信概率的提高是通過陰影衰落余量來體現的，要求的通信概率越高，陰影衰落余量越大，其規劃小區半徑就越小。基站規模和覆蓋概率間不是線性關系，在覆蓋概率較高的區間段，基站規模呈指數上升。比如，當區域覆蓋率從90%增加到95%，基站站址增加45%，而區域覆蓋率從90%增加到99%，基站站址增加247%，顯然宏基站密度增加并不具備工程的可實施性。因此在異構網中可以利用小基站實現路面連續覆蓋和建筑物深度覆蓋。在不改變廣域覆蓋層規劃目標的前提下，可通過小基站部署實現路面連續覆蓋。通過分析DT數據對連續30 m的弱覆蓋區域進行小基站建設，根據建筑物覆蓋需求及價值，建設小基站實現室內深度覆蓋，要求覆蓋質量滿足“-113 dBm，-3 dB”的目標。當然，如果具備LTE FDD 900M牌照，則可利用低頻段系統的部署低成本、高效率來實現連續的、深度的覆蓋。

小基站部署可以有效提升覆蓋效果、解決深度覆蓋問題。小基站布放應選擇宏基站RSRP≤-90 dBm的區域，以保證小基站覆蓋性能。

（3）頻率規劃

在總體策略上，近、中期廣域與深度覆蓋層（室外站）采用同頻組網，深度覆蓋層（室內覆蓋系統）、容量站（層）異頻組網；遠期采用同頻組網。

近、中期頻率策略需考慮組網要求、系統能力的情況，廣域覆蓋層使用F、D頻段，層內采用同頻組網方式，F頻段設備支持30 MHz、D頻段設備支持60 MHz帶寬。深度覆蓋層（室外站）與廣域覆蓋層同頻補盲，層內采用同頻組網方式。深度覆蓋層（室內覆蓋系統）原則上采用E頻段組網，在地鐵等封閉場景、場館等高容量需求場景、現有分布系統不支持E頻段或E頻段覆蓋效果不佳的場景，可以采用F頻段組網，在容量需求高的場景可以使用D頻段補充容量，層內采用同頻組網方式。在容量站（層）小基站優先使用D3頻點。考慮支持D3頻段終端的滲透率問題，在D2頻點沒有使用的區域先使用D2頻點。異構網頻率策略示意圖如圖8所示。

3 4G異構網規劃示例

3.1 場景簡介

以某商務區為例，區域面積約2.23平方公里，現有4G室外站26個、室外小區165個，4G室內分布系統站點91個、室內小區186個。區域內忙時小區平均RRC連接數57個，有效RRC連接數8個，平均信道利用率35%，平均流量870 MB。

3.2 4G異構網規劃方案

對DT數據進行分析，弱覆蓋采樣點占比約1.64%，其中連續弱覆蓋30 m以上的路段8個，對MR數據進行柵格級分析，RSRP低于-113 dBm的采樣點高于20%的柵格數量為70個，弱覆蓋柵格占比約12.6%。DT數據、MR數據覆蓋需求分析如圖9所示。

對于容量需求，將小區級流量按MR采樣點權重進行柵格級分配，并按2017年底相對于現網總流量增長3.5倍計算，2017年底區域載波數總需求將約為221個，即需要增加56個載波來滿足容量需求，通過柵格級容量分析可知，除需要在廣覆蓋層基礎上擴容40.5個載波外，還需要通過小基站部署方式部署16個載波以滿足局部柵格的容量需求。

將覆蓋站和容量站進行最小化規模處理以滿足該區域至2017年底的覆蓋與容量需求，共需增加小基站28個，同時在原有宏基站基礎上擴容載波40.5個。異構網規劃方案總結如表5所示：

4 結束語

隨著用戶發展和VoLTE業務商用，4G網絡需要進一步提升深度覆蓋質量、加強熱點區域的容量能力、提升邊緣區域的業務感知水平。異構網在提升覆蓋、擴展容量、改善頻譜效率、降低工程協調與實施難度等方面效果顯著，隨著小基站部署規模的增加，需對異構網的規劃建設技術體系進行系統地研究。

在本文對異構網構成及分層功能、異構網規劃指標、異構網部署場景及規劃原則研究的基礎上，后續還應針對異構網的站址規劃原則、分場景方案及設備配置、覆蓋規劃、容量規劃及擴容原則、軟件功能配置、宏微協同技術及參數設置等問題進行深入研究，以滿足4G網絡異構網規劃建設的各項要求。

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