从网络仿真看LTE网络分层结构部署

刘彦婷，南作用（.中讯邮电咨询设计院有限公司，上海0004；.中国联通网络技术研究院，北京00048）

0 前言

2013年底，国内移动通信运营商相继开始LTE网络的规划建设。而如何合理、科学地进行无线网络组网，从而将LTE 网络技术理论速率尽可能淋漓尽致地呈现给用户，却好似并未成为网络规划、建设的主流方向。

2014年5月23日，中央电视台曝光了工信部电信研究院互联网监测分析中心的工作人员对某运营商北京LTE 网络覆盖区测试结果：在LTE 核心覆盖区室外测试峰值速率仅为27.52 Mbit/s，尚未达到标称理论峰值速率的1/3。

本文基于某运营商大量城市初期LTE网络方案工参及仿真结果数据，结合对移动通信网络的理解，将无线网络组网中“分层”的概念和方法重新提出，并结合LTE 网络特征进行强化，为将来LTE 网络建设及优化提供参考。

1 问题提出

“网络分层”并不是一个新的概念或新的组网模式，其在2008年WCDMA 网络建设之初即被明确地提出。但由于UMTS R99 业务的特点以及快速、大规模建网等建设管理方式，其根本的理念和方法并未在UMTS网络中得以具体的实施。

某运营商LTE 一期网络中多采用与3G 网络1∶1建站方式，本文在此基础上结合LTE 网络指标分析其存在的问题。

首先，从无线网络分层的基础——电磁传播环境及目前建网的主要方式对无线网进行分层简析。

a）高层站点：天线挂高通常为45 m（不同城市及城市不同区域稍有差异）以上，主要进行大面积、广区域的室外覆盖。

b）中层站点：天线挂高通常为15～45 m，从目前2G、3G建网来看，该层站点是网络延伸覆盖、吸收容量的主力层，即进行无线网络室外覆盖和容量的基本面，同时该层决定整个网络主要的干扰底噪。

c）低层/深层站点：天线挂高通常为15 m以下，主要在网络覆盖、容量基本面的基础上，按照2个方向进行网络的进一步拓展。其一进行覆盖的延伸，在基本覆盖面的基础上，如遇覆盖盲区、弱区则以Small Cell、RRU 拉远、直放站等形式局部、小范围地对覆盖进行完善或者加强；其二则针对高密度业务区，根据容量需求，通过天线、功率等方式控制，大幅度地提升容量。从另外一层意义来看，目前的室内分布网即是该层网络布局的延伸和拓展。

当然，由于网络技术因素特点，网络是否分层对其影响表现也相异，如UMTS 网络R99 类业务与LTE 业务相比：由于GSM/GPRS/EDGE、WCDMA R99 业务采用固定、低阶调制及编码，这样当无线环境提供的载干比或Eb/No 超过一定门限，其承载速率也只能是其预先设定的最高调制/编码下的承载，如图1 中PS384 业务。而对于HSDPA或LTE网络而言，其采用自动编码控制，当无线环境比较好时，采用高效调制编码方案，当无线环境变差时，将采用低效调制编码方案。因此干扰成为决定网络质量好坏的关键因素。对LTE网络而言，其主要特征为高速数据业务，正是基于这样的网络规划思路，对无线网络干扰的控制将显得更加重要。图2为覆盖与干扰案例。

图1 不同网络技术业务解调门限示意图

图2 无线网络覆盖与干扰案例

从图2 数据可以明显得出，商用网在RSRP=-84 dBm 时出现峰值，且在RSRP=-60 dBm 时，RSRP 占比区间图上出现小峰值，而标杆网络在RSRP=-90 dBm时出现峰值，且呈现标准的正态衰落。而从RS SINR来看，标杆网络有一定比例的RS SINR≥20 dB的区域，而商用网络基本没有，且标杆网络RS SINR高质量区域占比明显多于商用网。

对商用网络的分层结构进一步分析。选取某运营商一线城市核心区域进行网络分层分析，其高层、低层站点分层统计结果如图3所示。

图3 某地三环内LTE网络分层站点数据统计

从图3 可以看出，该地网络并未呈现严格的分层。经了解，其高层站及低层站主要因为受站点建设环境所限，并未从规划理念、思路上进行主观的分层网络构建。其86%的站点仍以中层站点为主。从扇区站距的角度进一步分析其站点分布状态如图4所示。

从图4 可以看出，该区域LTE 网络理论站距约430 m，而该区域内绝大部分站距在此理论合理站距之下。其结果即为图2 所示RSRP 与RS SINR 出现矛盾的情况。在这种情况下，对应LTE 网络在50%负载时下行应用层速率如图5所示。

从图5可以看出，该区域内4G网络大部分区域速率较低，下行应用层速率基本没有超过50 Mbit/s 的区域，这样一张网络大部分速率与HSDPA网络相近。在这样对比下可以看出，运营商虽建了一张LTE网络，其实质速率却与同等条件下HSDPA网络无异。

经以上分析可知，鉴于LTE 网络的组网特点和业务特征，LTE 网络应引入网络分层结构才能真正显现其4G技术的本质。

2 理论分析及分层部署

讨论网络分层，首先应调整对于矮站/低层站的定位与建网思路，现从电磁传播基础理论来做基本分析。

现考察从信号发射源开始至覆盖2 km，且假设Small Cell/矮站覆盖半径100 m 以内，天线挂高15～45 m，其常规站距为430 m（对应覆盖半径r约300 m）；由于涉及到近场，且自由空间电磁传播是所有传播模型的基础以及直达径是电磁传播主要决定者，故本文主要选择自由空间电磁传播模型进行分析。

式中：

d——损耗路径距离（km）

f——载波频率（MHz）

L——路径损耗（dB）

在一定的载波频率下，路径损耗L与距离d的关系如图6所示。从图6可以看出，当前中、高层站点其损耗随着距离变化已趋于平缓，其幅度区间约20 dB。而当距离小于300 m时，只要距离稍有调整，损耗就可能出现剧烈的变化，其区间可达150 dB，而有效的调整区间也会达到50 dB。

RS SINR 是决定LTE 网络质量的重要因素，其计算公式如下：

图4 某商用网三环内站点扇区站距分析

图5 某商用网下行应用层速率（50%负载）分布

图6 路径损耗与传播距离示意图

式中：

C——RS信号的接收功率

I——RS所占RE上接收到的邻小区功率之和

N——噪声功率

从式2可知，当I+N一定时，RS SINR与RS信号的接收功率成正比，如图6 所示，在此情况下，当d 小于300 m时，d稍微变化，则会大幅提升RS SINR。

因此，对于HSDPA 或LTE 网络而言，在一定的干扰情况下，如何有效地利用近距、直达电磁传播将给无线网络组网带来巨大的提升空间。因此如何提升近距的效率则成为组网的关键。

在天线挂高h与距离d确定的条件下（见图7），其覆盖半径计算方法如下：

式中：

r——覆盖半径（m）

d——电磁传播距离（m）

h——天线挂高（m）

图7 不同天线高度覆盖半径与距离示意图

根据公式（3），可得出站高与覆盖半径的关系图（见图8）。

图8 不同站高覆盖半径与损耗示意图

从图8可以看出，如低层站点覆盖距离在200 m以下时，越趋近百米内，挂高为10 m 的站点的效率将远优于挂高为40 m的站点。

从以上分析可以看出，对于高速数据网络的移动通信组网，低层站点的效率将远高于2G、3G网络中的中高层站点。

在此无线网络组网规划建设模式下，其网络组网分层结构如图9所示。

图9 移动通信网分层网络结构模型

对当下的各运营商而言，在拥有多个网络制式以及不同业务的网络模式下，网络结构的定义更为宏观，即广义的网络结构应为多制式的网络，为用户提供优质的服务，将网络制式、频点、业务、负荷及站址、站型、站高进行合理设置。在这样的功能定义下，针对某一种制式的网络，才是常规的移动通信网络结构，即狭义的网络结构：宏蜂窝、微蜂窝、Small Cell、室分系统、直放站等综合运用下，根据业务种类、业务量、无线环境及场景将站址、站高和站型进行合理设置。广义的网络结构侧重从策略、业务等方面宏观定义，而狭义的网络结构则侧重于单制式下网络站点布局建设。本文主要针对狭义的网络分层。在这种思路下，LTE 网络结构分层宏观布局应遵循以下几点。

a）功能定位分离化：在保证高速数据业务质量前提下，首先搭建长期、持续、稳定的覆盖层，确立在用户主要活动区域提供基本的数据速率覆盖，并逐步规划建设富有弹性、可快速扩展、提供高速数据业务的容量层。

b）网络层次立体化：以中层网为核心，利用地形物貌、载波、参数控制，构建多层次、立体化网络结构，有针对性地解决不同层次的覆盖和容量问题。

c）容量配置均衡+热点化：中层站点均衡容量，热点区域快速、集中、灵活部署，并根据容量需求规划容量热点区域的组网模式及站点。

d）低层覆盖控制精准化：低层网络确保基础覆盖，根据盲区、弱覆盖区域情况，快速、灵活、强化、细化、精准进行局部区域覆盖。

e）中层以网络覆盖为主，不必要求高容量、高配置，应着重控制整网RS SINR，对于连续覆盖，可进一步采用低层网进行加强。

f）从网络规划建设而言，前期以中层网覆盖为主，中后期快速进行低层覆盖补充及容量扩增。

在具体网络规划操作实施时还应注意以下几点。

a）城市逐步建设“覆盖立体化”“容量热点化”的四维网络结构。

b）主力层应严控结构和站距，确保RS SINR保持良好。

c）RS SINR不应看门限值，而应看分布区间占比，可基于此提网络导向性指标，侧重引导LTE 网络规划建设的方向。

d）RSRP满足门限即可，切莫要求其过强，一定条件下，可舍弃中层网络连续覆盖而保证RS SINR 在良好的水平，作为保证网络质量的必要条件。

e）在此基础上城区增强深度覆盖，外围扩展广度覆盖，不同城市、不同区域部署时，不一定按照严格的3 层、2 层结构，单层的低层网也可是网络的主要分布状态。

f）低层：热点补容，盲区补漏，弱区增强等。如无线环境复杂、容量密集，可作为局部网络的主要结构。

g）高层：灵活运用室分和Femto；高站暂时优化，最终退网。

以上即为针对LTE 网络建议的分层部署结构，当然，还应根据各本地网的具体形态，灵活运用才能构筑功能丰富、组网灵活的移动通信网络。

3 案例仿真及效果

本文以中层网布局为例分析不同结构下的LTE网络性能。

中层网布局案例将以现有UMTS 网络站点为基础，分析中层网如何部署。现选取某市密集市区/市区环境5.3 km2区域，现网UMTS网络部署36个站点。现以区域中心为起始点，逐步拓展网络覆盖及容量，至最终的36个站点，其LTE网络性能变化如图10所示。

图10 基于UMTS网络站点分析LTE网络中层网布局

按照前面所述策略及判定方法，则：

a）作为网络接入门限，RSRP≥-100 dBm 即可，则站点在13个站点以后即可满足90%区域的业务接入。

b）RS SINR≥0 dB 时，由于其计算是在RSRP≥-100 dBm的区域内进行统计，故当站点很少时，面积占比也呈现高比例。随着站点的增加，面积占比呈现下降趋势。RS SINR≤0 dB占比增加，其在36个站点时，也满足90%的区域面积占比。

c）RS SINR≥10 dB 时，整体而言当其在12～22 个站点区间，面积占比呈明显下降趋势。

d）RS SINR≥20 dB 时，整体而言当其在10～20 个站点区间，面积占比呈明显下降趋势。

综合以上因素，考虑前面所述方法，中层网在该区域内站点取定15 个站点左右。其性能与1∶1 建站的36个站点具体对比情况如图11所示。

图11 不同策略下建网性能对比

从图11可以看出，当站点数为15时，其性能符合分层组网策略及方法的要求，而网络规模比1∶1 建站扁平网络结构下的一半还少。此时站距经核算为425 m，与相关LTE网络建设理论推导相一致。

4 结束语

分层网络结构对于LTE 而言至关重要，如仍按照UMTS网络的规划建设方法，对运营商而言，将耗费巨资，同时将引入大量的干扰底噪，LTE网络所追求的高频谱利用率也将成为空谈。网络分层并不是新概念、新组网模式，而是无线网络最为基本的结构和模式，望其能逐渐地深入到LTE网络规划建设中。

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