LTE网络4扇区部署性能分析和优化建议

马 晨

（中国联合网络通信有限公司广东省分公司 广州510627）

1 引言

随着半导体、集成电路和计算机等电子技术的发展，移动通信在技术上获得了足够的发展基础。互联网应用和新媒体业务的层出不穷，为移动通信提供了市场发展动力。

移动通信网络从2G技术、3G技术，到目前已迅速演进到了4G技术[1]，通信运营商利用起步时间、建设和运维程度不同的3种制式网络各自的优势，同时运营3张网络为用户提供服务。尽管在网络建设过程中尽量令不同制式的网络设备共站建设，但由于3张网络频点不同、技术差异较大，不同制式设备在同一站址上多采用叠加方式而非共用方式，而站址的天面资源通常是非常有限的，这就产生了由于天面资源紧张而需要新建站址的问题。同时，随着较低的频率被逐渐分配殆尽，可以用于4G网络建设的频率通常都在2 GHz左右或以上，只有通过更密的基站建设才能弥补高频点带来的低覆盖能力损失。然而，站址获取却愈加困难，站址资源也已经成为运营商的战略资源。如何提高站址资源利用率成为了网络建设的一个重要课题。

单站4扇区建设方案正是提高站址资源利用率的一种方法。通常，单一基站被配置为3个扇区[2]，每个扇区覆盖120°范围。而4扇区建设方案令单一基站配置为4个扇区，每个扇区覆盖90°范围，从而提高了单站覆盖能力。

在3G网络建设中，已经存在部分4扇区建设的站点，并获得了优于3扇区的覆盖效果。但在LTE网络建设中，由于网络使用物理小区标识[3,4]（physical cell ID，PCI）在物理层上标识一个小区，而在双天线情况下，PCI mod 3值决定了该PCI表示的小区的RS（reference signal，参考信号）RE（resource element，资源粒子）资源在频域中的位置，一个3扇区基站120°的扇区覆盖打出的交叠区占整个公共区域的1/3，3个PCI mod 3值可以保证公共区域没有PCI mod 3值重复，所以没有干扰；一个4扇区基站90°的扇区覆盖打出的交叠区占整个公共区域的1/4，却只有3个PCI mod 3值可用，不可避免地和其他站点的PCI mod 3值冲突，导致了PCI mod 3干扰。4扇区的PCI mod 3干扰问题会导致网络指标下降，主要表现为SINR（signal to interference plus noise ratio,信号与干扰加噪声比）指标变差。

根据实际测试结果，对LTE网络4扇区部署性能进行了分析，并对4扇区干扰问题提出了优化建议。

2 LTE网络4扇区部署性能

理论上，如果两个小区的PCI mod 3值相同，则其RS RE的频域位置相同，当这两个小区信号有重叠覆盖区域时，它们之间的RS RE将会互相干扰，导致网络SINR下降，进而导致网络整体下行吞吐率下降。

为进一步分析LTE网络单个站点部署为4扇区时，网络质量的变化情况，进行验证测试。测试方案如下。

（1）测试环境

选取一对相邻的站点，一个站点配置为4扇区，一个站点配置为3扇区。令4扇区配置站点的小区A与3扇区配置站点的小区B有重叠覆盖区域，并令小区A和小区B分别为服务小区和干扰小区。调整两个站点的天线倾角，令重叠覆盖区域内服务小区和干扰小区的参考信号接收功率（reference signal receiving power,RSRP）相当，均为-80 dBm左右。

（2）测试场景

分别令服务小区与干扰小区配置为PCI mod 3值相同和PCI mod 3值不同的场景，并分别在两小区空载和50%加载时进行测试。

（3）测试内容

令测试终端置于测试车辆上，在服务小区与干扰小区覆盖重叠区域进行遍历测试，实施FTP下载业务。

首先，当服务小区和干扰小区空载时，对测试终端的速率和覆盖重叠区域的网络质量进行对比，对比结果见表1。由表1可知，PCI mod 3值相同时，即4扇区部署存在PCI mod 3干扰时，服务小区RSRP有1 dBm的微小增益，SINR则有接近4 dB的下降，平均速率大幅下降了11.38%。

其次，当服务小区和干扰小区50%加载时，对测试终端的速率和覆盖重叠区域的网络质量进行对比，对比结果见表2。由表2可知，PCI mod 3值相同时，即4扇区部署存在PCI mod 3干扰时，服务小区RSRP有不到1 dBm的微小增益，SINR有不足1 dB的下降，平均速率仅下降了3.71%。

验证测试结果与理论分析基本一致，当使用4扇区进行网络部署时，PCI mod 3干扰区域的RSRP有略微增益，SINR有所下降，随之小区下行吞吐率也有所降低。SINR与下行吞吐率的损失程度与小区负载程度有关，空载时影响较为明显，随着网络负荷的增加，PCI mod 3干扰带来的影响也随之降低。

表1 空载时4扇区部署性能

表2 50%加载时4扇区部署性能

3 LTE网络4扇区部署优化方法和建议

LTE网络4扇区部署优化方法主要有SFN合并优化技术和RF优化技术两种。

其中，SFN合并优化技术是指将两个独立的扇区合并为一个逻辑小区；RF优化技术是指进行填写方位角、下倾角等的工作参数优化。

3.1 SFN合并优化技术

SFN合并技术是令两个独立扇区中相同的时频资源同时为同一个用户提供服务，从而形成一个事实上的逻辑小区，并且逻辑小区的覆盖范围是两个独立扇区覆盖范围的合集。SFN合并类似于级联的RRU（radio remote unit，射频拉远单元）之间的小区合并，区别在于：RRU之间的小区合并要求合并前的小区在物理上位于同一个基站上，而SFN合并可以将要求放松，合并前的小区在物理上可以位于两个基站上。

对SFN合并技术在LTE网络4扇区部署中的性能进行仿真分析，分别选取现网中不同4扇区密度的区域进行验证。

对于4扇区网络低密度区域，总覆盖面积为9 km2，覆盖区域内共54个站点，平均站间距为434 m，共165个扇区，其中8个为4扇区站点。4扇区站点比例约为15%，4扇区扇区比例约为19%。对比网络空载和50%加载时，进行SFN合并前后的网络性能，RSRP和SINR指标的CDF曲线分别如图1和图2所示。其中，SFN合并方式为将每个4扇区站点中合并效果最佳的两个扇区进行合并。

由图1和图2可知，由于4扇区站点比例较小，合并的扇区共14个，只占仿真区域内所有扇区的8%，合并后SINR增益很小，合并前后曲线基本重合。

对于4扇区网络低密度区域，总覆盖面积为4 km2，覆盖区域内共24个站点，平均站间距为252 m，共79个扇区，其中10个为4扇区站点。4扇区站点比例约为42%，4扇区扇区比例约为51%。对比网络空载和50%加载时，进行SFN合并前后的网络性能，RSRP和SINR指标的CDF曲线分别如图3和图4所示。其中，SFN合并方式为将每个4扇区站点中合并效果最佳的两个扇区进行合并。

在4扇区密集区域，单独把SFN合并的扇区覆盖区域挑出来，比较合并前后覆盖差异，RSRP和SINR指标的CDF曲线分别如图5和图6所示。

由图5和图6可知，两扇区SFN合并后，RSRP有不超过1 dB的增益；SINR增益在1～3 dB，且在高SINR区间增益明显。

图1 4扇区低密度区域SFN合并前后整体RSRP变化情况

图2 4扇区低密度区域SFN合并前后整体SINR变化情况

图3 4扇区高密度区域SFN合并前后整体RSRP变化情况

图4 4扇区高密度区域SFN合并

图5 4扇区高密度区域SFN合并扇区合并

图6 4扇区高密度区域SFN合并扇区合并

3.2 RF优化技术

RF优化和SFN合并是4扇区网络优化同等重要的技术手段。对比不使用任何优化技术、单独使用RF优化技术和单独使用SFN合并优化技术时系统整体下行吞吐量的变化，在4扇区低密度区域和4扇区高密度区域的仿真结果如图7所示。

图7 不同4扇区密度区域优化前后网络下行吞吐量对比

由图7可知，在4扇区站点较稀疏的区域，干扰源主要来自不同站点的扇区之间，4扇区站间扇区SFN对整网增益不大，RF优化增益更为明显；而在4扇区站点较密集的区域，4扇区站扇区间干扰增大，SFN合并增益较大。

3.3 LTE网络4扇区建设和优化建议

4 扇区部署后，尤其是网络负载较低时，网络质量明显恶化。因此在LTE网络建设初期，为降低小区间干扰，应减少不必要的LTE网络4扇区部署。

对于部署了4扇区的LTE网络区域，可优先使用RF优化减少小区间干扰。RF优化既能对整体网络性能的提升有较为明显的积极作用，又对网络的负载能力影响最小。

对于负载较低且PCI mod 3干扰明显的小区，可使用SFN合并技术提高覆盖性能。SFN合并对4扇区部署产生的干扰有针对性的削弱作用，但以牺牲网络负载能力为代价。并且，当网络负载较高时，4扇区部署引入的干扰作用减弱，SFN合并优化带来的增益也较小。

4 结束语

从分析当前移动通信站址资源紧张、需提高站址资源利用率角度入手，从理论分析和验证测试两方面说明了LTE网络4扇区部署对网络质量的影响；并对SFN合并优化技术和RF优化技术进行了简要介绍；利用现网站点的仿真结果对比了两种技术在LTE网络4扇区部署中的增益；最后提出了4扇区建设和优化建议。

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