基于微覆盖的LTE网络优化及仿真验证

李娜　黄诚惕

摘要：文章研究了在异构网络（HetNef）中的几种干扰管理技术，提出了应用在网络优化方面的微覆盖技术，分析了LTE覆盖性能的影响因素。针对火车站这样一个典型的热点场景进行网络规划仿真，并对弱覆盖区域应用微覆盖技术来进行补充覆盖。然后分析微覆盖技术对系统性能的影响。最后给出小基站部署建议。

关键词：微覆盖；无线通信；网络优化；HetNet；ATOLL仿真

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）08-0046-03

1概述

随着科技的迅速发展，人们已经进入LTE时代，与以往的2G，3G网络架构不同是LTE建网架构已经开始从宏网覆盖向宏微协同覆盖转变。一方面，宏蜂窝可持续发展正在面临挑战，比如不可预期的业务增长需求，随时随地5Mbps接入带宽的需求以及随机的热点部署，成本压力也日益增大。另一方面，微基站满足LTE网络发展需要，可以实现最好的覆盖，而且易于部署，是一种高容量低成本的设备。所谓宏微协同网络架构，就是宏蜂窝进行大范围的基础覆盖而微蜂窝进行精准覆盖和补盲吸热，从而实现覆盖互补，干扰协同，资源协同，均衡体验，实现了网络性能最佳。本文基于这种异构网络进行网络规划仿真及性能分析，对现实中实践工程具有重要的指导意义。

对于宏微协同的这种异构型网络，由于宏站与微站之间的发射功率差距较大，从而引起负载严重不均衡，故微站与宏站间的干扰协调及负载均衡仍是研究的热点。目前关于覆盖和容量优化研究的报道文献有很多，文献引入了近似算法用于异构网络的小区规划问题，提高了异构网络的容量效率并降低了总成本和能耗。文献开发了一个动态的蜂窝网络规划的框架，可以显著降低系统的固定资产成本（CAPEX）和运营成本（OPEX）。本文所提出的微覆盖技术也考虑了建设成本方面的问题，小基站的灵活部署大大降低了建设成本，应用前景广阔。文献研究了小区扩张技术（CRE）和几乎空白子帧（ABS）技术在小区选择上的应用，提高了系统吞吐量。ABS技术可以完全消除宏小区对微小区的干扰，是一种重要的优化技术。文献研究了将宏站的用户数据卸载到微站后，为了规避宏站的干扰，提出了几乎空白子帧（ABS）技术。文献针对覆盖半径的性能分析提出了基于功率控制方案，该方案规避了由家庭基站接入点盲插引起的问题。文献提出了一种认知无线电作为一种新的方法，完全消除宏站和微站之间的相互干扰，其效果优于应用功率控制算法。文献提出了PCI规划冲突对参考信号产生影响的分析模型，基于这个模型改善了实时和非实时业务用户的吞吐量。

结合上述分析，本文主要研究微覆盖对异构网络的覆盖的影响；并给出详细的规划。通过软件仿真分析微覆盖技术对覆盖指标的影响程度。

本文的内容安排如下：第二部分提出微覆盖技术，研究实现微覆盖所涉及的几项技术，第三部分分析了微覆盖的几种应用场景并提出了相应的解决方案，第四部分针对大型火车站场景的应用进行仿真分析，并和其他论文进行了比较。最后是论文的工作总结，并对异构网络的建设提出看法与建议。

2微覆盖的干扰协调管理技术

所谓微覆盖就是覆盖范围较传统的宏蜂窝覆盖范围小，用于宏蜂窝的覆盖补充，实现无线网络的覆盖优化。目前，微覆盖的主要手段是在原有无线网络的基础上用微基站或直放站等网络覆盖设备进行补充。网络的全覆盖往往不是一两种覆盖技术就能完成的，而是根据具体情况选择适合的覆盖技术。在网络规划中，避免干扰也是需要考虑的关键问题之一。由于微覆盖是基于宏微协同的组网架构，宏微站之间使用同频组网，这就使得宏站与微站之间存在跨层干扰。此外，宏站和微站各自还存在同层干扰问题。下面介绍干扰协调管理技术。

2.1几乎空白子帧技术

基于时分复用模式（TOM）的增强型小区间干扰协调管理（eICIC）可以使更多终端接入微站，提升异构网络（Het Net）容量。几乎空白子帧技术主要是通过时域分割，针对小站边缘用户使用空白子帧，保持宏站沉默，同时为微站用户服务，保护了微站用户不受宏蜂窩的强干扰。

假设空白子帧所占比率为口，那么该宏小区的容量为

其中，N_MUE表示宏小区的用户数，B表示宏小区获得的带宽，γ_a表示第a个用户的信干噪比。与宏小区不同的是，微小区用户分为正常用户和扩张小区用户，分别在非ABS子帧和ABS子帧接受服务，这样微小区的容量可以表示为

其中N_p表示宏小区中微基站的个数，N_RE-PUE，c表示第c个微小区中边缘用户的数目，B_c表示第c个微小区获得的带宽，N_PUE，C表示第c个微小区微用户的总数目，γ_b，c表示第c个微小区的第6个用户的信干噪比。

2.2功率控制

在普通场景下，接人点（Access Point，AP）的布放以最大化覆盖范围为目标，其限制因素通常为无线传输损耗；而高密度场景下，需要提供更高的容量，AP间距大大缩短，主要限制因素变为AP间干扰。因此，通过调整AP的发射功率来控制其覆盖范围，从而减小系统干扰。工程使用的宏站单载波发射功率为10W，小基站单载波发射功率功率为5W。

3微覆盖应用场景分析及覆盖规划

3.1微覆盖应用场景分析

微覆盖技术可以应用于各种需要进行深度覆盖的热点场景，不仅可以补充弱覆盖区域，还能扩充小区容量。

场景分析1：低层商铺密集分布在繁华商业区，信号被附近高楼所阻挡，高楼区建筑高低参差不齐，道路上信号遮挡严重。

解决方案：基于小灵通、市政灯杆等新形态站址，部署功率较低的微基站进行立体式深度覆盖。

场景分析2：交通枢纽地段如火车站等，人流量大且话务量大的场所。深度覆盖不够，小区容量不足。

解决方案：在距离宏站>200m，距离目标覆盖建筑30-60m范围内，部署室外2*5W微基站进行室内深度覆盖。

需要注意的是，在网络规划阶段应遵循“宏站为主、微站为辅”的建设原则，微站定位于局部小范围的补盲、难以获取站址区域及室内深度覆盖等方面的补充手段。

3.2覆盖规划

3.2.1参数设置

1）传播模型选择

文献建议在密集市区，LTE则优选采用SPM模型、扩展的Hata模型及COST231-Walfish-Ikegami模型，一般城区优选扩展的Hata模型和COST231-Walfish-Ikegami模型，郊区则优先扩展的Hata模型和SPM模型。具体选择哪类模型还需要进一步通过路测数据及模型校正，传播模型校正结果的好坏将直接决定LTE的业务信道或控制信道在满足有效解调下的覆盖范围。由于仿真目标是大型火车站，故选择的是SPM模型。由于现实中没有拿到实际路测数据，故无法进行模型矫正。

2）邻区规划

邻区规划是网络规划的基本内容，系统切换性能和掉话率直接受到邻区规划质量高低的影响。邻区配置需遵循以下原则：

（1）不仅要考虑空间位置上的相邻关系，而且也要考虑位置上不相邻但无线意义上相邻的相邻关系，地理位置上直接相邻的小区通常作为邻小区。

（2）邻区一般要求互为邻区，即B扇区是A扇区的邻区，A扇区也是B扇区的邻区；但在某些特别的场合，或许还要配置单向邻区。

3.2.2覆盖指标

无线网络覆盖评估指标主要有RSRP及RS-SINR。RSRP指标用于衡量公共信道的覆盖情况，表示参考信号的接收功率强度，它也作为用户能否正常接入的判断依据；空载RS-SINR：系统空载条件下，RS信号的SINR，该指标用于衡量公共信道的覆盖情况，它也作为用户能否正常接入的判断依据；满载RS-SINR就是系统满载条件下，RS信号的SINR，该指标考虑的业务信道的干扰，代表了系统在满业务接人条件下的干扰情况。全网覆盖指标覆盖率应满足RSRP-105dBm且RS-SINR一3dB的概率95%；此外下行速率4Mbps且上行速率256kbps的概率95%。

4基于ATOLL的仿真分析

通过仿真可看到有重大的射频泄漏、不适当的覆盖范围和不可避免的干扰，在首次设计和布置安全有效的无线网络的过程中，不用进行费时而又昂贵的现场测量，在投资之前，通过仿真改进和技术升级，来降低扩建和维护网络的成本。

本文选择一个大型火车站作为热点场景的仿真分析对象，大型火车站是一个人口流动量大且高话务量的热点区域，这对无线网络的覆盖有着更高的要求。通过ATOLL进行仿真，分析微覆盖技术对LTE系统性能影响，验证微覆盖技术的优化效果。

4.1仿真预测结果对比

本次仿真选择怀化火车站，仿真面积为15.524km2，预先设定站点为，2个，36个小区。本文主要对RSRP和RS-SINR两个指标进行仿真分析。接下来对比应用微覆盖优化前后效果，优化后增加六个小基站。

4.1.1 RSRP仿真

RSRP仿真优化前后对比如图1，实验得出覆盖率均达标。这与该火车站的地形有很大关系。该火车站整体比较平缓，绿地和开阔地的比例加起来有36.7%，越开阔对信号传播越有利，因此降低了信号的传播损耗。

4.1.2 RS-SINR仿真

（1）空载时RS-SINR指标

优化前大于-3dB的为82.9%，没有达到95%的指标。通过加微基站并调整工参，优化后的大于3dB的比例上升到了90.6%。说明微覆盖技术能改善业务信道的干扰情况。

（2）满载时RS-SINR

优化前大于-3dB的为829%，没有达到95%的指标。通过加微基站并调整工参，优化后的大于-3dB的比例上升到了90.6%。说明微覆盖技术能改善业务信道的干扰情况。

4.1.3小区下行平均速率

经过100次对上下行业务信道蒙特卡罗仿真，小区平均下行速率由优化前的4.49Mbps提升到6.2Mbps，小区平均上行速率由622.15Kbps提升到1.12Mbps。经过优化后，小区吞吐量有了明显改善，而且均已达标。

4.2与其他论文比较

目前，关于网络优化的文献很多，学者们也提出了许多优化算法，然后利用MATLAB进行系统级仿真或链路级仿真。但大多数算法只考虑负载平衡，忽略干扰避免，或反过来。小区开/关机制可以避免干扰，但增益的效果明显下降。还有自适应的分布式基站的覆盖优化（adfco）算法，它可以提高室内覆盖；然而干扰的问题没有考虑。文章提出的微覆盖技术既考虑了干扰避免也提高了小区容量。

5总结及建议

本文主要介绍了异构网络下微覆盖技术的应用及仿真分析。仿真結果表明，可利用宏微结合方式形成良好覆盖，除覆盖外，微基站还可提升局部容量。当通过调整天线方位角、下倾角无法解决覆盖问题时才考虑增大或减小RS的发射功率来解决覆盖问题。减小RS的发射功率常用于解决导频污染和越区覆盖问题，同样也会降低室外信号对室内的深度覆盖，在实际应用时应谨慎控制好功率。