高密度住宅区LTE无线网络覆盖研究

胡俊峰

（中国联合网络通信有限公司 宜兴市分公司，江苏 宜兴 214200）

0 引 言

高密度住宅区的网络规划是网络规划设计中的重难点。随着城市的密集型建设，高层密集住宅区越来越多，对网络覆盖规划要求越来越高。如何有效实现这些区域的网络资源覆盖以及实现网络资源优化配置成为亟待解决的重大问题。对此，根据LTE网络整体特征和当前的应用需求进行覆盖设计，为当前高密度住宅区的网络覆盖提供理论依据。

1 LTE网络基本技术

1.1 OFDM技术

正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）同传统频分复用技术的差别在于其子载波之间正交叠加，提升了频带利用率[1]。实际应用中，OFDM技术采用多个正交子载波并行传输数据，各个子载波之间存在一半频谱的叠合，由此能够提升1倍的传输效率。由于各个子载波之间相互正交，因此在接收OFDM调制信号后无需复杂的接收处理技术。此外，OFDM技术易于与多进多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术和空时编码（Space-Time Codes，STC）等技术相结合。

OFDM技术要求各子载波保持正交，然而由于信息传输中会产生时延及多普勒频移，因此导致子载波的正交性被破坏，对此引入循环前缀（Cyclic Prefix，CP）以解决这一问题。OFDM技术涵盖了发射和接收两个阶段，其原理如图1所示。在信号发射阶段，通过傅里叶逆变换实现信号的转换，从而将信息通过天线发送，在接收端则通过傅里叶变换等相关逆变过程实现对OFDM信号的解调。

图1 OFDM系统原理框图

1.2 MIMO技术

MIMO传输系统如图2所示，其核心环节就是采用多天线技术手段来实现信道容量的显著扩大[2]。MIMO技术一般采用分布式天线技术来实现分集处理，这种方式的天线布置能够显著增大各个天线的独立兼容性，使得获得信号均呈现出独立特征，从而在接收端实现信号增益的提升。

图2 MIMO传输系统示意图

根据上述的分析可知，MIMO技术的本质在于为当前的通信系统提供足够的分集增益和空间复用增益。前者可以有效改善信号传输的可靠度，降低误码率，后者可以提升信息传输速率。

1.3 空时编码技术

空时编码（Space-Time Coding，STC）技术作为一种高效数据传输的编码技术，依托多天线技术实现了空间分集，并且在时间上实现了时分复用，由此极大地提升了分集和编码增益，实现了传输速率的显著提升[3,4]。从其表现特征上看，根据发射机和接收机是否需要信道状态信息可将该技术分为两类。一类是需要获取信道状态信息，这一类可以进一步分为分层空时编码（Layered Space-Time Coding，LSTC）、空时格型编码（Space-Time Trellis Coding，STTC）以及空时分组码（Space-Time Block Coding，STBC），另一类是不需获取信道状态信息，这一类进一步分为酉空时编码（Unitary Space-Time Coding，USTC）和差分空时编码（Diferential Space-Time Coding，DSTBC）。

2 高密度住宅区LTE网络覆盖规划

2.1 覆盖规划设计基本原则

网络覆盖规划设计是否得当会影响最终使用效果，因此开展相关工作时需要遵循如下原则[5]。首先，覆盖规划面积不能过大，覆盖规划面积过大会影响网络中的其他扇区，造成扇区叠加，降低用户端网络规划的灵活程度，降低整体规划性能。其次，覆盖规划面积不宜过小，覆盖规划面积过小会导致覆盖网络中扇区数目增加，导致网络维护难度大，同时覆盖规划面积过小也会对位置更新的通信开销产生不利影响。最后，覆盖规划的范围边界直接对寻呼边界产生影响，因此确定对应的覆盖边界十分重要。为了降低整体位置更新频次，对应的覆盖规划边界尽量设置于低话务区域或者低速移动区域，以降低位置更新开销。一般设计中，在城市与郊区的分界点上，覆盖规划的分界点可设置于外线的基站而非密集的郊区路口，以此降低位置更新频次，同时分区尽量不以街道为界。一般来说，覆盖规划边界不应与街道平行或垂直，而应垂直于用户流的方向（或业务流的方向），避免出现位置更新或路由更新的乒乓效应。

2.2 覆盖规划设计要点

根据密集住宅区场景，给出以下设计思路[6]。首先确定和识别应用网络上的覆盖信息，为覆盖规划提供指南，确定该区域通信空域的上下行能力需求。其次根据实际网络中的用户数和扇区数，确定每个扇区的平均用户规模模块和用户的平均分页速率，计算对应平均轮询需求，一般要求最大值高于零端口。此外每个备选寻呼组的最大尺度取决于平均寻呼要求和每个地区自由寻呼的可能性，网络中需要配置拨号组的数量由实际网络大小计算确定。最后考虑区域分布以便进一步调整限额，适当时还应明确分区小组重叠的范围，并在网络稳定后，根据实际业务情况进行进一步优化。

3 高密度住宅区LTE无线网络覆盖分析

3.1 基站建设规模

基站建设规模实际上和整体建设需要的网络容量有关联，对此需要开展如下参数计算工作[7-9]。

首先确定待规划网络的信息。进行网络覆盖规划前需准备足够的网络覆盖需求信息，以确保规划的可靠性。涵盖内容包括特定频段2 600 MHz网络中收发网络设备设置帧边比为2:2和10:2:2，评估用户平均分页速率的网络应用程序类型等。其次确定网络的平均用户规模，即单载波下用户规模数。假设在密集区域，覆盖网络每个载波扇区的平均用户数设置为1 000个，对应的载频个数设定为Numcarrier=5 000个。再次预算网络用户规模。根据高密度住宅区整体情况，假设用户规模增加程度基本保持不变，即保持前文设定的覆盖网络每个载波扇区的平均用户数为1 000个。为了能够保持网络使用裕度，可增加20%的上限容量，即每个载频对应的平均idle用户个数以1 200计算。最后设置网络应用场景。根据高密度区域特性可知，主要网络应用以移动终端为主体，因而以动态接入的方式进行数据交换。寻呼周期设置为2 s，寻呼偏移统一设置为30 ms，且在寻呼组边界不考虑设置交叠区。

3.2 基站建设容量

对于密集居住区的基站容量规划，其主要涵盖如最大的住户量、用户业务模型以及单载波可支持用户数等[10]。

其中，最大用户量设计以典型的高层密集小区为例，以10栋20层高层公寓为基础计算，每栋计为1个单元，每单元计为3户，每户计为5人，一个小区对应的用户数为15 000人。用户业务模型考虑每业务用户下行平均速率为1 Mb/s，上下行比例为1:5，用户激活附着比为60%（即60%用户处于激活态），用户业务并发率初期为10%，则单用户平均速率需求为上行12 kb/s，下行60 kb/s。单载波可支持用户数根据当前F波段测试结果，网络下行平均容量为24 Mb/s，上行数据速率为5 Mb/s，由此可得支持的用户数计算如下：

表示选取两个除法结果中的最小值。当前移动通信的渗透率在70%，其中LTE端的渗透率为M，可知：

由此得到渗透率M在26.25%左右，当前支持的LTE用户渗透率在5%之下。通过分析现有的专网覆盖情况，发现专网运营中会吸纳公网业务。因此，设置私有网络时有必要分析公共网络覆盖区域，调查私有网络用户的数量，并将其融入到设计的私人网络负载，以提高私有网络的性能，使私有网络正常运行时吸纳公共的网络服务。

4 结 论

本文深入探讨了高密度住宅区的LTE网络覆盖问题，从理论分析的角度确定了基站建设规模和对应的容量，为高密度住宅区的网络规划设计提供参考。