前5G时代超密组网方案研究与实践

仇勇 孙正辉 郑康 袁宇恒 宋啸天

1.中国移动通信集团江苏有限公司；2.镇江市审计局

0 引言

现在学术界和产业界大量讨论5G中毫米波技术和超密组网等技术趋势和解决方案，而在前5G时代，当前热点区域4G网络容量已趋于饱和，如演唱会、体育赛事、大型活动等人群密集场景，用户在小范围密集出现，且终端使用频繁，容量压力巨大，提升4G网络下高用户密度时的网络容量已成为当前急需解决的问题。

增加容量的几个可选方案如下：

一是增加频谱利用率。通过更高阶调制方式使无线电波的幅度和相位发生更多变化，产生载波更多不同状态传递更多信息量。但在无线环境下，复杂调制方式容易导致数据传输误码率更高，解决方式复杂。

二是增加频谱带宽。相对于提高频谱利用率，增加带宽的方法更加简单。但是目前4G频段都在3GHz以下，能用带宽有限，并且频段由国家分配，无法不限量增加，扩容前景不足。

三是实现超密组网。通过在同一片区域内增加4G小区数量，将用户划分在不同小区上承载，提高单位面积容量密度，从而实现容量增加。这是目前最快速便捷可行的容量提升方案。

超密组网的主要问题是站址选择和干扰协调。目前普遍的思路是通过增加站址、更多小站、减小站间距的方式实现超密组网，但超密组网需要站址更接近用户，天面高度适中，而公众往往过度担忧辐射问题，使得合适站址的选择越来越困难，对小型化隐蔽化的要求越来越高。

同时，站点密集化带来的小区间干扰协调问题增加。密集小区会导致重叠覆盖增加，小区边缘覆盖质量劣化，如果不能有效解决小区间干扰问题，超密组网带来的容量增益就会下降。

1 超密组网方案设计

为解决超密组网存在的站址协调和小区间干扰的问题，考虑到多波束天线在同天线点位增加覆盖扇区的能力以及CRAN技术中小区协同的特性，本文建议从多波束天线的使用和CRAN技术使用上研究解决方案。

1.1 基于多波束天线技术的超密组网方案

1.1.1 多波束天线

传统的单扇区容量提升方案是在同一扇区上叠加更多载波，扩容能力有限，而多波束天线（又称劈裂天线）则是将一片区域划分为不同扇区，利用多波束天线覆盖精确化控制，波束之间良好的隔离度，切换边界减小，有利于提升用户感知和增加容量。

图1 不同扇区容量提升方案

多波束天线主要分为三类：

无源多波束天线：反射面、透镜类（准光类）、矩阵类（传输线电路类）；

多波束相控阵天线：射频相控、中频相控、本振相控；

数字域多波束天线：数字多波束。

其中，民用通信领域主要是无源多波束天线，其中透镜类实现难度大但效果好波束更多，如美国总统就职典礼使用透镜结构的多波束天线，可在原先一个扇区内形成18个小区，可大幅提升覆盖面积上的吞吐量。该天线产品体积约为普通8天线的100倍，重量约为普通8天线的10倍。

图2 透镜天线实物图和与原理图

而采用矩阵类多波束天线，相对来说波束间隔较小重叠较大，但工艺实现简单，造价更低，更适合在民用通信领域规模使用。以下主要介绍此类多波束天线。

1.1.2 多波束天线原理

矩阵类（传输线电路类）多波束天线，主要是通过巴特勒矩阵实现。

基站天线阵列是由若干个辐射单元以各种组合形式（直线、圆环、三角和平面阵列）在空间上排列组成的天线系统，在基站天线中，决定天线阵列辐射方向图的主要因素有：阵列单元数目、阵列单元排阵方式、阵列单元间距，以及每个阵列单元馈电的幅度和相位。多波束天线的Butler矩阵赋形原理与常规电调天线赋形原理相同，只不过给了每个阵列单元水平面幅相加权。多波束阵列的每个阵列单元幅度和相位是二维结构，既有垂直面的一列的单元之间幅度和相位加权，实现常规的电调下倾角；还有水平面的列与列单元之间水平面幅度与相位差，实现水平面波束的合成与指向偏转。换句话说，在这时，Butler矩阵充当了水平面的一个具有赋形功能的移相器作用。

以五波束天线为例说明其实现原理。

图3 五波束天线馈电网络巴特勒矩阵

五波束天线馈电网络的巴特勒矩阵分为两级，第一级巴特勒由两个3dB电桥和一分二功分器组成，第二级巴特勒由两块3×3巴特勒矩阵组成。五波束天线馈电网络巴特勒矩阵不同波束输入端口互相隔离，具有极高的隔离度，从5个不同的巴特勒输入端口输入射频信号，6个输出端口会产生不水平列不同相位差的信号，然后接入到天线阵列中，从而在水平面形成五个不同指向方向的波束。

1.1.3 多波束天线超密组网方案及技术优势

在站址选择越来越困难的情况下，利用现有站址资源，快速增加容量，可以选择多波束天线进行超密组网。

多波束天线在应对超密组网方面具备以下优势：

窄波束更深覆盖：一个扇区从一般65度水平波瓣变成更窄波瓣，功率谱密度增加，边缘信号增强，从而实现更好深度覆盖。

新技术更大隔离：通过巴特勒矩阵，实现了多个波束间的信号的幅度和相位调制，隔离度够好，波束间重叠覆盖小，从而保证了波束间的干扰可控。

多扇区更多小区：由于波束间具备了更好的隔离度，可以同频组网，同时在每个波束上可以开启多个载波小区（例如TDD-D1/D1/D3），可以实现更大容量，理论上单D频段五波束天线可以支持单天线15个载波小区开启。

施工快更低成本：在不新增站点情况下，利旧现有站址资源，更换多波束天线，可以实现快速、低成本扩容。

1.2 基于CRAN技术的超密组网方案

1.2.1 CRAN技术

随着站点密度逐步增加，新站型带来的立体组网越来越难，传统大区域分层的无线网络建设方式弊端明显：基站数量快速增加，标准站址的获取越来越困难；大量小站、拉远站需要灵活接入网络，对管道、光缆纤芯资源消耗大，接入效率低；核心地带站间距缩小，重叠覆盖度急剧上升；底层网与宏站覆盖带来的干扰逐渐增加，容易导致覆盖好速率差；基站基带资源独立划分且分散使用，不能统筹调度，设备能耗大、基带资源利用率低、扩容投入大、频率资源无法协同，CAPEX/OPEX逐年增加。

CRAN技术可以很好地解决上述问题。

CRAN组网方案在不同基站的小区之间建立业务协同关系，将基站内部小区间的业务协同，扩展到基站之间，从而扩大了协同的范围，提升网络性能，改善用户体验。

图4 CRAN组网方案在不同基站的小区之间建立的业务协同关系

（1）“0”切换

高铁场景或密集城区内快速移动引起小区间频繁切换，通过CRAN方案实现小区合并有效控制切换，降低掉话率。

（2）“0”干扰

密集城区站点过密引起严重的小区间干扰，小区边缘用户体验差，CRAN方案实现跨站小区间信号联合接收和信号联合功控调度，降低小区间干扰，提升小区边缘用户体验。

（3）CA Everywhere

站内CA由于高低频覆盖半径不同， 存在CA覆盖盲区，CRAN方案实现站间联合CA，补齐站内载波聚合盲区，实现CA无处不在的用户体验。

1.2.2 CRAN超密组网方案及技术优势

图5 CRAN网络架构：集中（Centralization）+协同（Coordination）

通过BBU集中放置，并在其间配置高速交换单元，开启CRAN特性功能，支持小区间协同。

（1）基于BBU协作的站间SFN/ASFN

SFN（Single Frequency NetworK）主要应用于室外覆盖场景、室内覆盖场景、室内和室外联合覆盖场景，也可以应用于高速铁路覆盖场景。基本原理是将多个RRU合并为一个SFN小区, 与合并前的非SFN小区相比，在SFN小区内，各RRU之间的下行控制信道和PDSCH都没有了干扰，反而可以通过下行联合发送获得一定的增益，同时提升了物理小区边缘用户的SINR。

（2）基于BBU协作的上行联合接收（UL CoMP）

UL CoMP采用了多点联合接收（JR：Joint Reception）方案，其基本原理为：利用相邻小区的天线对某一个用户的发送信号进行联合接收，获得多天线的信号合并增益或干扰抑制增益。UL CoMP可以提升小区边缘用户上行吞吐率，也可以提升小区上行的平均吞吐率。对数据业务用户而言，UL CoMP使上行MCS升高，缩短数据业务传输时长；对语音业务用户而言，UL CoMP使上行MCS升高，在极远点降低误码率，减小VoIP丢包率和时延，提升语音质量，VoIP用户满意率提升。

（3）基于协调调度的功率控制（CSPC）

CSPC是一种在时域和频域上对小区的发射功率进行协调的特性，结合调度和功率控制技术用于降低小区间干扰。适用的场景是网络业务量上升后，PRB（Physical Resource BlocK）利用率较高且站间距较小的LTE网络。CSPC特性开通后，基站根据接收到的小区功率配置结果对下行发射功率进行调整，每个小区将获得本小区和邻区在相同时频资源上的发射功率配置，及时更新边缘UE调度的MCS（Modulation and Coding Scheme），从而提升用户的频谱效率。

（4）基于BBU互联的载波聚合（inter-site CA）

为了能够在基站间实现载波聚合，需要运用跨站载波聚合技术，以实现资源利用率最大化；运营商的离散频谱资源（尤其是Refarming之后）可以得到充分利用，实现载波聚合无缝覆盖，给用户带来更好的体验。

超密组网带来的小区间干扰问题，利用CRAN技术的集中布放、干扰协调等特点可以解决，所以CARN技术是超密组网的一个应用方案。

2 现网实践

作者在江苏省内已经开展相关研究与应用，验证了相关技术方案落地后的效果。

2.1 多波束天线超密组网实践

为验证多波束天线的大容量场景的使用效果，在江苏省苏州市、徐州市和镇江市对体育活动、高校等场景进行了验证，达到了预期的效果。

2.1.1 苏州张家港马拉松保障

（1）基本情况介绍

2017年张家港国际马拉松赛起终点设在张家港世纪广场，为保障起点处的用户网络感知，我们在游泳馆基站（120.537，31.8801）试点了五波束天线。

（2）覆盖性能测试结果

站点开通后，通过对道路、广场测试，根据切换带验证5波束天线覆盖各波瓣方位角，增益效果。

图6 增益效果

小结：

覆盖：测试人民路及世纪广场覆盖较好，整体RSRP在-70至-98dbm。

SINR：整体SINR值在15至28，切换时降至10左右。

下载速率：整体下载速率在50-80Mbps，峰值可达100Mbps。

（3）旁瓣抑制效果验证

统计筛选条件：邻区个数≥3，RSRP差值＜6db；

如图7所示，标红的为重叠覆盖区域，绿色区域为其它波瓣干扰抑制效果较好。

（4）高话务场景保障效果验证

据官方统计，本次张家港国际马拉松赛涉及人员3-4万人（其中1.2万参赛），赛事期间FDD波束天线（分小区）对比TDD（TOP5）按时段流量、用户数统计，从流量来看：FDD上行流量明显高于TDD；下行承载相同用户，FDD吸收流量也高于TDD，当承载用户数为100 左右时，FDD∶TDD（流量）=2∶1；当承载用户数≥200时，FDD∶TDD（流量）=3∶1左右。

赛事期间FDD（5波束）吸收流量205.52GB，占比30.59%，通信车吸收流量138.59GB，占比20.63%，现网TDD吸收流量327.78GB，占比48.79%。可见FDD五波束天线和通信车吸收了超过一半的业务量，同时5个FDD小区吸收的业务超过通信车的10个小区吸收的业务，整体吸收效果优于通信车。

图7 重叠覆盖区域以及其它波瓣干扰抑制效果较好的区域

2.1.2 小结

上述案例说明，在大业务量场景下的超密组网，可以通过多波束天线的使用来实现，能够保持小区间良好的隔离度，各个波束覆盖和吸收业务情况良好。

2.2 CRAN超密组网现网应用

2.2.1 南京高校应用

前期对南京进行了CRAN整体规划，目前主要完成部分高校区域的调整。第一批已完成20个区域，平均聚合8个物理站，MR重叠覆盖度17%，干扰小区占比11%，经过测试和统计验证，该方案（见图8）实现了容量提升。

图8 某站点实施改造方案

（1）CRAN能实现站间载波聚合，提高客户体验

在4G覆盖较好的地点，站间载波聚合的下载速率平均增益能够达到95%左右。

在4G覆盖较差的地点，站间载波聚合的下载速率平均增益为83%左右。

图9 站间下行载波聚合测试

开启站间载波聚合后，比仅开启站内载波聚合时，用户进入载波聚合状态的比例增加了20个百分点以上。

开启站间载波聚合后，比仅开启站内载波聚合时，用户的平均下载速率提升了2Mbps。

图10 道路拉网测试对比

基于C-RAN的站间载波聚合的性能已接近于站内载波聚合，支持D频段内及F+D频段间的聚合。

站间载波聚合能力使用户进入载波聚合状态的比例显著增加，用户速率提升。

（2）CRAN能实现站间干扰抑制，降低干扰

小区边缘用户平均下行速率由8.5Mbps提高到11.2Mbps，平均增益32%，最大增益达到207%。

用户下行速率在5Mbps以上的采样点明显增多。

平均编码调制等级（MCS）由9.7提高至11.5。

图11 站间下行CoMP效果

图12 关闭后边缘用户速率下降

小区上行边缘用户平均上行速率由254Kbps提高到402Kbps，平均增益59%，最大增益107%。用户上行速率在1～5Mbps的采样点明显增多。小区上行吞吐率平均增益4.1%。

图13 站间上行CoMP效果

图14 开启后边缘用户速率提升

2.2.2 小结

CRAN技术的部署，可以实现小区间载波聚合，提高用户体验，可以实现小区间干扰协同，降低干扰，提高整体容量，有效应对超密组网情况下小区间重叠覆盖和同频干扰。

3 结论

前5G时代，随着4G网络的不断完善，各种新兴业务的发展，对网络容量的要求越来越高，超密组网是运营商必须采取的措施之一;而应对由此带来的站址难选、成本高企以及重叠覆盖、站间干扰，应用多波束天线和CRAN技术可以有效解决上述难题。这两种方案可以用于应对高校、高端CBD、演唱会、体育赛事、广场等超高话务和大型活动场景。江苏移动在此方面做了一些研究和应用，希望能够对行业发展提供一定的探索价值。