4G异构网规划体系及建模研究

汤利民　程日涛　徐德平　邓安达　张炎炎

为提升4G网络深度覆盖、增加容量和提升边缘区域感知，首先通过对异构网概念及功能的分析，提出通过异构网方式满足中国移动4G网络发展需求的整体思路，随后全面阐述了4G异构网的分层规划指标和规划方法，最后以商务区作为典型场景构建了异构网部署示例方案。

异构网 规划指标 频率规划

1 引言

1.1 4G异构网

在3GPP规范中，异构网（HetNet，Heterogeneous Network）被定义为由多种不同特性小区（例如对于4G网络，包括各种eNB、HeNB、Relay等）组成的3GPP接入网。同时，3GPP规范还定义了异构部署（Heterogeneous Deployments），即在宏基站范圍内部署低功率节点。异构网组成示意图如图1所示：

1.2 4G异构网对于中国移动的意义

异构网对于中国移动网络建设至少在三个方面发挥着重要作用。

（1）覆盖提升、质量提升

首先，宏基站在满足一定区域覆盖率的情况下边缘覆盖率仍处于较低的水平，这些区域由于密集建筑物遮挡会造成室外覆盖盲区；其次因为建筑物内部存在大量穿透损耗较大的区域，鉴于宏基站覆盖能力及网络结构的限制，该区域的覆盖需要提升；最后，重叠覆盖严重的小区边缘区域的质量较差，通过异构网方式可以建立优势主小区信息进而提升覆盖质量。

如图2异构网部署的覆盖提升测试分析可知，RSRP大于-95 dBm的比例从53.42%提升到了99.02%。RS-SINR的（INF，20）区间提升了13%（同频）和33%（异频），网络质量显著提升。

（2）容量补充、频谱效率提升

对于移动网络数据流量的增长趋势，普遍预测为年均复合增长率（CAGR）约100%，按此速度发展，未来20年的数据流量约为现网的百万倍，解决容量需求的方法是站址数量（1000倍）×频谱资源（100倍）×频谱效率提升（10倍）。而应对流量增长的主要措施之一是站址密度的增加。从仿真数据看，在站高无法普遍降低的工程条件下，宏基站站址密度的增加将导致网络质量的下降。因此利用更多的低功率基站设备进行覆盖是必然的解决方案。异构网组网场景容量提升效果如表2所示：

此外，随着对4G网络运营质量和效率的关注，通过异构网方式提升频谱效率也将被更广泛的应用。

（3）工程替代方案

小基站在基站重量、体积、功耗、安装方式等方面具有更高的灵活性，因此在常规宏基站不具备工程部署条件的场景，可以借助异构网小基站作为工程替代方案。

2 4G异构网规划体系与方法

2.1 4G异构网组成及功能

基于异构网技术特性及建设管理要求，4G异构网可分为覆盖层和容量层。

（1）覆盖层分层定义

广域覆盖层：在广域范围实现室外及部分室内区域连续覆盖、满足基本容量需求的网络层，单发射点覆盖距离在数百米以上。

深度覆盖层（室外站）：在室外建设基站，针对局部区域实现深度覆盖或满足容量需求的网络层，单发射点覆盖距离低于同区域广域覆盖层，一般为数十至数百米。

深度覆盖层（室内覆盖系统）：在室内区域建设基站，针对特定建筑物实现深度覆盖或容量需求的网络层，单发射点覆盖距离为数十米以下。

（2）容量层定义

容量站（层）：在覆盖层基础上，用于容量补充的站点。

中国移动4G异构网组成及功能示意图如图3所示。

2.2 4G异构网规划指标体系

（1）规划指标基准

规划指标需要满足业务需求、容量需求、网络能力、对标考虑等多个层面的要求。业务需求方面，不同业务类型对基本保证速率要求不同，目标速率规划需要考虑边缘所需满足的业务速率。容量需求方面，网络的容量需求需通过载频规模和单载频承载能力综合实现，区域容量需求也影响规划目标速率。网络能力方面，除受到网络技术体制的限制外，规划目标速率还与网络结构、无线传播环境等因素相关。此外还需要考虑基于竞争压力等的非技术因素。

基于系统能力分析，“RSRP≥-113 dBm，RS-SINR≥-3dB”是满足网络基本接入性能的门限要求。根据3GPP定义的会话类（Conversational）、交互类（Interactive）、流类（Streaming）、背景类（Background）四类业务要求，除高清视频业务外，下行边缘速率达到1～2 Mbps基本可以满足主要高速数据业务的需求。针对不同场景分析RS-SINR与业务速率（100RB）之间的相关性，可看到两者CDF曲线达到某一门限的比例具有较稳定的对应关系，即满足50%负荷条件下边缘速率1 Mbps对应的RS-SINR指标要求为-3 dB。该结论在不同城市、不同场景、不同天线模式、不同加载比例以及不同厂家设备等情况下均适用。

对于VoLTE语音业务，链路预算和测试验证数据均表明，在满足基本的KPI指标及MOS质量要求下，“RSRP≥-113 dBm，RS-SINR≥-3 dB”满足VoLTE高清语音业务要求。VoLTE业务覆盖能力预算及VoLTE业务覆盖能力测试验证如图4、图5所示。

（2）异构网规划分层规划指标

1）广域覆盖层

功能：实现连续覆盖和广域覆盖目标，同时满足基础容量需求。

覆盖目标：实现道路连续覆盖，利用路测（DT）数据进行覆盖情况评价，后续可规划到针对DT连续30 m的弱覆盖区域。

建设方式：主要方式为宏基站；对于区域小或常规宏基站无法实施的场景采用其他微基站、Relay等方式。

规划指标：广域覆盖层规划指标如表3所示。

2）深度覆盖层（室外站）

功能：实现深度覆盖和基本的容量需求。

覆盖目标：满足建筑物的深度覆盖需求，利用测量报告（MR）数据进行覆盖情况评价，后续方案考虑对于价值建筑物（流量、4G用户数等维度）制定覆盖率目标。

建设方式：主要方式为微基站；其他方式有宏基站、Relay、宏基站等信源+室外分布系统。

规划指标：室外区域目标同广域覆盖层；室内区域目标为RSRP≥-113 dBm，RS-SINR≥ -3 dB。

3）深度覆盖层（室内站）

功能：实现建筑物深度覆盖和基本的容量需求。

覆盖目标：满足建筑物的深度覆盖需求，利用测量报告（MR）数据进行覆盖情况评价，后续方案考虑对于价值建筑物（流量、4G用户数等维度）制定覆盖目标。

建设方式：宏基站等信源+室内分布系统、皮基站、飞基站等。

规划指标：深度覆盖层（室内站）规划指标如表4 所示：

4）容量层

功能：实现容量补充。

覆盖目标：针对容量需求超出覆盖层提供能力的区域进行容量补充，基于网管定义的小区负荷信息，达到扩容标准的小区覆盖区域需要进行容量站（层）建设。

建设方式：与各覆盖层相同。

2.3 4G异构网规划方法

异构网规划应实现以“精”为核心的规划要求，相对于传统网络规划方法，从基于理论及仿真分析转向以现网大数据分析为基础，同时呈现出应用大数据需求带来的工具化趋势。

（1）需求分析

需求分析的目标是明确异构网需要解决的栅格（建筑物）情况。需求分析的方法包括覆盖需求分析和容量需求分析。

基于DT（室外）、MR（室内+室外）、建筑物（基础数据）等确定覆盖需求标准，DT/路面数据按连续30 m低于覆盖指标要求确定需求，MR数据按栅格级80%的概率低于覆盖指标要求确定需求。

基于网管的小区负荷信息，结合业务发展预期，可确定容量需求。网络负荷需要结合小区级和栅格级流量分析，首先预测场x年后的流量增长倍数，小区级结合现网负荷数据及增长预期估计载波数需求，当满配不能满足小区级需求后考虑增加小基站补充栅格级容量需求。需求分析示例如图6所示。

（2）方案建模

异构网部署应综合考虑市场驱动力、网络建设需求、无线性能、传输等其他配套实施代价、投资收益比的要求。方案建模的关键内容包括：

1）异构网覆盖建模：核心是评估各类建设方式覆盖能力；

2）异构网容量建模：核心是评估各类建设方式的频谱效率，需结合同异频策略评估；

3）异构网造价建模：核心是评估各类建设方式的成本。

异构网方案建模如图7所示。

信号传播的衰落特性决定了覆盖率概念的存在。通信概率是指移动台在无线区域覆盖边缘（或区内）通信时，一定时间内信号质量达到规定要求的成功概率，分为边缘通信概率和区域通信概率两种。小区边缘通信概率的提高是通过阴影衰落余量来体现的，要求的通信概率越高，阴影衰落余量越大，其规划小区半径就越小。基站规模和覆盖概率间不是线性关系，在覆盖概率较高的区间段，基站规模呈指数上升。比如，当区域覆盖率从90%增加到95%，基站站址增加45%，而区域覆盖率从90%增加到99%，基站站址增加247%，显然宏基站密度增加并不具备工程的可实施性。因此在异构网中可以利用小基站实现路面连续覆盖和建筑物深度覆盖。在不改变广域覆盖层规划目标的前提下，可通过小基站部署实现路面连续覆盖。通过分析DT数据对连续30 m的弱覆盖区域进行小基站建设，根据建筑物覆盖需求及价值，建设小基站实现室内深度覆盖，要求覆盖质量满足“-113 dBm，-3 dB”的目标。当然，如果具备LTE FDD 900M牌照，则可利用低频段系统的部署低成本、高效率来实现连续的、深度的覆盖。

小基站部署可以有效提升覆盖效果、解决深度覆盖问题。小基站布放应选择宏基站RSRP≤-90 dBm的区域，以保证小基站覆盖性能。

（3）频率规划

在总体策略上，近、中期广域与深度覆盖层（室外站）采用同频组网，深度覆盖层（室内覆盖系统）、容量站（层）异频组网；远期采用同频组网。

近、中期频率策略需考虑组网要求、系统能力的情况，广域覆盖层使用F、D频段，层内采用同频组网方式，F频段设备支持30 MHz、D频段设备支持60 MHz带宽。深度覆盖层（室外站）与广域覆盖层同频补盲，层内采用同频组网方式。深度覆盖层（室内覆盖系统）原则上采用E频段组网，在地铁等封闭场景、场馆等高容量需求场景、现有分布系统不支持E频段或E频段覆盖效果不佳的场景，可以采用F频段组网，在容量需求高的場景可以使用D频段补充容量，层内采用同频组网方式。在容量站（层）小基站优先使用D3频点。考虑支持D3频段终端的渗透率问题，在D2频点没有使用的区域先使用D2频点。异构网频率策略示意图如图8所示。

3 4G异构网规划示例

3.1 场景简介

以某商务区为例，区域面积约2.23平方公里，现有4G室外站26个、室外小区165个，4G室内分布系统站点91个、室内小区186个。区域内忙时小区平均RRC连接数57个，有效RRC连接数8个，平均信道利用率35%，平均流量870 MB。

3.2 4G异构网规划方案

对DT数据进行分析，弱覆盖采样点占比约1.64%，其中连续弱覆盖30 m以上的路段8个，对MR数据进行栅格级分析，RSRP低于-113 dBm的采样点高于20%的栅格数量为70个，弱覆盖栅格占比约12.6%。DT数据、MR数据覆盖需求分析如图9所示。

对于容量需求，将小区级流量按MR采样点权重进行栅格级分配，并按2017年底相对于现网总流量增长3.5倍计算，2017年底区域载波数总需求将约为221个，即需要增加56个载波来满足容量需求，通过栅格级容量分析可知，除需要在广覆盖层基础上扩容40.5个载波外，还需要通过小基站部署方式部署16个载波以满足局部栅格的容量需求。

将覆盖站和容量站进行最小化规模处理以满足该区域至2017年底的覆盖与容量需求，共需增加小基站28个，同时在原有宏基站基础上扩容载波40.5个。异构网规划方案总结如表5所示：

4 结束语

随着用户发展和VoLTE业务商用，4G网络需要进一步提升深度覆盖质量、加强热点区域的容量能力、提升边缘区域的业务感知水平。异构网在提升覆盖、扩展容量、改善频谱效率、降低工程协调与实施难度等方面效果显著，随着小基站部署规模的增加，需对异构网的规划建设技术体系进行系统地研究。

在本文对异构网构成及分层功能、异构网规划指标、异构网部署场景及规划原则研究的基础上，后续还应针对异构网的站址规划原则、分场景方案及设备配置、覆盖规划、容量规划及扩容原则、软件功能配置、宏微协同技术及参数设置等问题进行深入研究，以满足4G网络异构网规划建设的各项要求。

参考文献：

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[9] IMT-2020（5G）. 5G概念白皮书[Z]. 2015.

[10] IMT-2020（5G）. 5G无线技术架构白皮书[Z]. 2015. ★