一体化皮基站组网性能提升方法

胡应添 天津京信系统有限公司广州分公司高级工程师

廖礼宇 天津京信系统有限公司广州分公司工程师

张远见 京信通信集团高级副总裁兼集团研究院院长

一体化皮基站组网性能提升方法

胡应添 天津京信系统有限公司广州分公司高级工程师

廖礼宇 天津京信系统有限公司广州分公司工程师

张远见 京信通信集团高级副总裁兼集团研究院院长

一体化皮基站作为一种提供室内无线覆盖的有效手段，已经被业界广泛认可。一体化皮基站适用环境有别于宏站场景，在组网性能提升方面不能一味照搬宏站网优经验。本文讨论了提升一体化皮基站组网性能的几个方法，包括下行功率分配、HARQ反馈模式及MIMO模式的配置。外场测试表明，这些方法的使用能够有效提升网络性能，增强用户体验。

一体化皮基站；网络性能；下行功率分配；HARQ反馈模式；MIMO模式

1 引言

伴随着智能手机、平板等新式终端的不断普及，移动互联网正处于急速发展阶段，无线数据业务，特别是移动无线业务量呈指数式增长，而数据业务主要发生在室内。据预测，未来室内业务将占总业务量的90%。

传统蜂窝网络以宏基站和室内分布系统为主的覆盖方式，在室内场景的应用瓶颈日益显现，对移动运营商的网络发展提出了挑战：

（1）部分场景（如密集城区）站间距接近理论极限，无法继续加密站点。

（2）宏站部署及运维成本高昂，新增站址、天馈资源难以获取。

（3）传统室内分布系统建设物业协调难度高，建设和改造成本大，扩容能力有限，网络管理困难。

（4）2/3G网络无线接入容量极限逐渐显现，无法满足宽带数据业务的需求。

（5）可用于广覆盖的频率资源日益匮乏，通过增加频率资源的方式不可行。

因此，引入新一代移动通信技术（TD-LTE）和小基站（SmallCell）等新站型，成为运营商应对上述挑战的重要考虑。一体化皮基站便是其中重要一员。

2015年9 月，中国移动集团启动了一体化皮基站集中采购项目，众多厂家参与，体现了产业链玩家非常看好一体化皮基站的应用前景。

一体化皮基站应用于室内场景，适用环境有别于宏站的室外及室外覆盖室内场景，在组网性能提升方面不能一味照搬宏站网优经验。如何提升一体化皮基站组网的性能，是目前迫切需要解决的问题。

本文给出一体化皮基站规模组网的性能提升的一些方法与考虑，希望起到抛砖引玉的作用。

2 网络架构

一体化皮站将传统基站基带单元、射频单元及天线集成在一起，形成独立的物理实体。与宏站一样，一体化皮站也是通过标准的S1/X2接口与核心网相联接，在部署时可以灵活采用PTN、GPON或微波等回传方式，不需要BBU及机房。

一体化皮站网络架构如图1所示。

一体化皮基站可以采用空口侦听、GPS或1588v2完成频率和时间同步。

在供电方面，一体化皮基站可以采用交流市电或通过POE网线供电，降低取电难度。在安装方面，一体化皮基站通常吸顶或挂墙安装，对天面空间要求小。

一体化皮基站具有体积小、速率高、回传灵活、安装方便等特点，成为未来室内移动通信网络部署的重要途径。特别是“热点话务”吸收、高端用户体验、校园/园区组网等应用场景，更是能够发挥一体化皮基站作用的用武之地。

3 性能提升方法

图1 一体化皮基站网络架构

一体化皮基站进行同频组网时，由于应用环境与宏站应用环境有所区别，在参数设置方法上需要针对一体化皮基站的场景特点进行考虑。

3.1 下行功率分配

LTE下行功率分配以每个RE为单位，控制基站在各个时刻各个子载波上的发射功率，并且在时间和频率上采用恒定的发射功率，基站通过高层信令指示该发射功率的数值。在接收端，UE通过测量该信号的平均接收功率并与信令指示的发射功率进行比较，获得路径损耗的数值。

在LTE系统中，存在着3个关键的参数，即CRS发射功率、PA、PB。其中，CRS发射功率是LTE系统中所有下行信道或符号的功率参考标准，PA是一个UE级参数，PB是一个小区级参数；在单天线、双天线、不考虑MU-MIMO情况下，ρB=ρA（ρA表示时隙内不带有CRS的OFDM符号上，PDSCH的EPRE与CRS的EPRE的功率比值；ρB表示时隙内带有CRS的OFDM符号上，PDSCH的EPRE与CRS的EPRE的功率比值），而PB则表示为小区专用的比值ρB/ρA（带有CRS的OFDM符号上PDSCH的EPRE功率/不带有CRS的OFDM符号上PDSCH的EPRE功率），由表1给出其由高层信令通知的小区专用参数PB以及eNB配置的小区专用天线端口数目决定。

现网中，CRS功率综合覆盖、干扰、信道估计、容量等因素进行配置，既要保证覆盖与容量的平衡，又要保证信道估计的有效性，还要保证干扰的合理控制，2和4天线端口情形下一般建议配置PA=-3，PB=1。

在CRS功率一定时，增大PA，会增加小区所有用户的PDSCH的接收功率，提高小区所有用户的MCS，但可能造成功率受限，影响吞吐率；反之，降低小区所有用户的功率和MCS，降低小区吞吐率。

表1 小区专用天线端口数为1，2或4的小区专用比值ρB/ρA

PB取值越大，CRS功率在原来的基础上提升越高，越能获得更好的信道估计，增强PDSCH的解调性能，但PDSCH的发射功率会相应下降。

在室内同频组网时，一般室内与室外宏网异频，因此皮基站的干扰主要来自于室内同频邻区。由于室内有天然的墙体隔断，如果能够利用这些隔断，可以将邻区的干扰控制在一个较小的范围；另一方面，通过网络规划已经使得PCImod3不等，基于CRS的信道估计准确度很高，没有必要对CRS进行功率提升，CRS功率提升反而会造成CRS对数据信道的干扰，影响用户体验。

因此，需要综合考虑皮基站覆盖、干扰及速率体验来给出适合于皮基站的功率分配参数配置。

现网测试不同功率参数配置效果如表2所示。相对于现网PA=-3、PB=1的配置，PA=3的配置能够提升PDCP速率约25%。PB=1的配置也有一定的影响，但影响较小。因此，在皮基站发射功率允许，并且能满足覆盖要求的前提下，适当提升PA参数值对于一体化皮基站能够带来系统性能提升。

表2 下行功率分配参数设置效果对比

3.2 HARQ反馈模式

LTE中，HARQ反馈方式分为HARQ绑定和HARQ复用。

HARQ绑定

将同一小区的多个下行子帧的对应同一码字的ACK/NACK做逻辑与操作，最终得到1bit（非空分复用，使用PUCCH format 1a）或2bit（空分复用，使用PUCCHformat1b）的ACK/NACK信息，具体参见图2。

图2 HARQ绑定示意图

HARQ复用

将同一小区的同一下行子帧发送的两个码字对应的ACK/NACK做逻辑与操作，得到1bit的ACK/NACK信息。做HARQ复用操作的是属于同一HARQ反馈窗口内的下行子帧，UE根据有多少个子帧发送了下行数据，或M值的大小，来决定发送多少比特的ACK/ NACK信息，具体参见图3。

式中：K是相机的内参矩阵；R和T分别为相机坐标系和世界坐标系间变换的旋转矩阵和平移向量；fu和fv为两个方向的焦比；(u0,v0)为主点坐标。考虑到镜头畸变对成像的影响,若记真实像点与理想像点(u,v)之间的关系可表示为

可以看出，一个上行子帧反馈多个下行子帧的ACK/NACK时，同等条件下，HARQ复用相对HARQ绑定需要重传的数据更少，但是需要反馈的信息比特会更多。

UE根据自身的解调能力和测量的下行SINR，选择出10%BLER对应的最高CQI反馈给基站。假设UE静止不动，信道情况恒定不变，UE每个码字在每个子帧有10%的概率误块，假如UE每个下行子帧都有调度，且反馈窗M=4，HARQ绑定模式下，基站统计到的下行BLER为：1-(1-10%)4= 34.39%；HARQ复用模式下，基站统计到的下行BLER为：1-(1-10%)2= 19%。若实际UE的BLER为5%，则绑定与复用模式下，基站统计到的下行BLER分别为1-(1-5%)4= 18.55%及1-(1-5%)2=9.75%。

图4显示了反馈窗M=4时，绑定及复用反馈模式在UE侧及基站侧统计的BLER对比。可见，在UE相同BLER时，基站统计的BLER在复用模式下比绑定模式下要小。BLER对于性能的影响是应用层数据速率的损失。因此，在复用模式下比绑定模式下的数据速率要大。

此外，当基站统计下行BLER大于10%时，会启动外环AMC，调低下行的MCS，因此HARQ绑定模式下，外环AMC调低MCS概率会更大，MCS也可能调得更低，从而影响UE实际吞吐量。

现网一般建议反馈模式为绑定模式，主要考虑的是绑定容错性更好，目的是为了优先保证边缘用户的性能。

图3 HARQ复用示意图

表3是一体化皮基站同频组网时，HARQ绑定和复用模式的性能对比。可见，对于一体化皮基站，大部分UE能享受到较好的信道环境，码字出错的概率比较小，BLER一般会比较低，无论UE处于何种位置，当MCS固定时，采用HARQ复用模式基站统计的BLER小于HARQ绑定模式，因此使得MCS固定的情况下，绑定相对比复用速率损失严重，吞吐量上低于复用；当AMC开启时，AMC的目标是将基站的BLER控制在10%以内，由于2∶7配置下，假如UE的BLER固定时，HARQ采用绑定时的基站统计的BLER要远大于采用复用模式。因此，当下行子帧数较多时，采用复用模式的吸热效果要明显好于绑定模式的效果，更能发挥皮基站数据容量的优势。

图4 反馈窗M=4时，绑定及复用反馈模式对比

表3 HARQ绑定和复用模式性能测试结果对比

3.3 MIMO模式

MIMO技术可以把空间域作为一种新资源。在追求更高频谱效率的要求下，MIMO技术已经成为最基本的解决方案之一。MIMO技术有3种主要的增益（相对SISO），分别为分集增益、阵列增益和空间复用增益。其中：

分集增益：利用多天线提供的空间分集来改善多径衰落情况下传输的健壮性。

整列增益：通过预编码或波束成形使能量集中在一个或多个特定方向。这也可以在不同方向的多个用户同时提供业务（所谓的多用户MIMO）。

空间复用增益：在可用天线组合所建立的多重空间层上，将多个信号流传输给单个用户。

3GPP协议规定了下行9种传输模式，不同的传输模式适用于不同的场景。其中，TM2-TM9都可以回退到发射分集，而不需要改变传输模式，这样可以应付信道短时间内发生恶化，保证通信可靠性，也可以在模式间切换时，有一种共同的传输模式进行过渡。

MIMO自适应可以分为模式间自适应和模式内自适应。模式间自适应根据UE的场景变化，自适应选择最合适的当前场景的传输模式，并通过RRC重配置为UE改变传输模式；模式内自适应根据UE的信道状态信息，在主模式和回退模式快速切换，并通过DCI下发给UE，使UE得到最大的下行频谱效率。模式内自适应使用最多，并且效果最好。

以TM3模式内自适应为例，详细说明自适应过程。模式内自适应要获知UE的下行信道，目前技术上获知下行的信道状态信息可以通过UE反馈的量化CSI，如CQI、PMI、RI等。TDD系统也可以根据信道互易性获知下行的信道状态信息，该方法难度大，估计准确性低，对于皮基站更是不会考虑。一般MIMO自适应算法使用UE反馈的CQI和RI进行模式内自适应，CQI反映UE的接收SINR，RI反馈下行信道的相关性，CQI越大反映UE的接收SINR越高，RI反馈越大说明信道的相干性越低。当CQI高于一定门限，且RI大于1时，使用复用模式，当CQI低于一定门限或RI等于1时，使用回退模式发射分集。

在外场中，找到几个邻区信号相当的点进行测试，结果如表4所示。从表4可以看出，LTE的速率与干扰邻区的个数是反比的关系，并且复用模式对干扰更为敏感，相反分集模式的抗干扰能力更强。此外，还可以看到，虽然UE反馈的RI为1，但强制使用复用模式在干扰没那么严重的情况下仍然可以获得比分集更好的性能。因此，UE上报的RI需要进行处理，再作为MIMO模式变换的依据。

表4 MIMO复用和分集模式测试结果

4 结束语

室内是数据业务发生的主要场所，也是移动运营商重点关注的区域。契合运营商以用户为中心、做好室内覆盖的要求，一体化皮基站成为运营商网络部署的新手段。由于一体化皮站应用环境区别于室外宏站，网络性能提升的方法不能照搬宏网经验。因此，本文从3个方面来讨论一体化皮基站同频组网时，如何提升网络性能，包括功率、HARQ、MIMO，并结合外场试点应用的效果，得到一些有用的结论。

[1]胡应添.LTE Small Cell助力4G网络建设[J].移动通信, 2013,17∶21.

[2]张澜.LTE Small Cell应用部署研究[J].邮电设计技术, 2016,03∶50-53.

[3]吴杰,成博,程伟.TD-LTE异构网络中小基站应用对比研究[J].电信技术,2015,12∶13-15+19.

[4]卓秀钦.浅析LTE室内覆盖延伸技术[J].科技创新与应用, 2015,32∶76.

[5]刘金科,黎建波.LTE微基站应用分析[J].移动通信,2015,07∶32-36.

[6]周代卫,周宇,孙向前.Small Cell Enhancement物理层关键技术研究[J].移动通信,2015,Z1∶36-41.

[7]曹亘,贾川,张涛,李福昌.SmallCell关键技术及部署策略研究[J].邮电设计技术,2014,04∶35-39.

[8]陈桂平.浅析SmallCell助力LTE网络[J].广东通信技术,2015,08∶64-67.

Methodsfor improving the performance of the integrated small cell network

HUYingtian，LIAOLiyu，ZHANGYuanjian

As an effective means of providing indoor wireless coverage, integrated small cell has been widely recognized bythe industry. The applying environment of integrated small cell is different from that of macro cell，so the network optimizationexperience of macro cell cannot blindly been copied to the case of integrated small cell in improving the network performanceaspect. Some methods for improving the performance of the integrated small cell network is discussed in this paper,including parameters configuration for DLpower allocation, HARQ feedback mode and MIMO mode. Field tests show thatusing these methods can improve the network performance effectively and enhance the user experience accordingly.

integrated small cell；network performance；DLpower allocation；HARQfeedbackmode；MIMOmode