微小基站在LTE中的應(yīng)用研究

［徐翠君 劉磊 冉榮 呂楊鈰］

微小基站在LTE中的應(yīng)用研究

［徐翠君 劉磊 冉榮 呂楊鈰］

介紹了微小基站的定義及特點(diǎn)、需求分析、應(yīng)用分析與建設(shè)方案?！岸x及特點(diǎn)”一節(jié)介紹了微小基站的分類并對(duì)微小基站的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析；“需求分析”一節(jié)從目前無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)存在的問題、LTE標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)情況、如何應(yīng)對(duì)未來5G時(shí)代數(shù)據(jù)流量的激增3個(gè)方面論證了微小基站建設(shè)的必要性；“應(yīng)用分析”一節(jié)給出了微小基站的覆蓋能力及應(yīng)用場景，并對(duì)室外宏微基站同頻、異頻使用原則做了分析；“建設(shè)方案”一節(jié)介紹了室外微小基站的機(jī)房、桿塔、供電建設(shè)原則，最后對(duì)微小基站的建設(shè)成本與宏基站進(jìn)行了對(duì)比分析。

微小基站 LTE 宏基站 覆蓋能力 建設(shè)方案

徐翠君

工程師，學(xué)士，浙江省郵電工程建設(shè)有限公司，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)、測試相關(guān)工作。

劉 磊

高級(jí)工程師，碩士，華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作。

冉 榮

工程師，學(xué)士，華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作。

呂楊鈰

工程師，學(xué)士，華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作。

1　引言

2012年10月，全球微小基站數(shù)量已經(jīng)突破600萬，這一數(shù)字已經(jīng)超過了傳統(tǒng)宏蜂窩基站的總數(shù)593萬，有研究機(jī)構(gòu)表明，2017年全球微小基站的出貨量將達(dá)到500萬。

在國內(nèi)，三大運(yùn)營商已經(jīng)使用宏基站建設(shè)了一張廣覆蓋的LTE網(wǎng)絡(luò)，目前LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)正在向深度、厚度方面拓展，由于用戶數(shù)據(jù)流量的飛速增長以及三大運(yùn)營商異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)部署的加快，微小基站將成為未來LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)。

2　微小基站定義及特點(diǎn)

微小基站（Small Cell）是低功率的無線接入節(jié)點(diǎn)，是為了區(qū)別于宏基站的基站類型的統(tǒng)稱，根據(jù)功率與覆蓋能力的不同，可以把基站分為宏、微、皮、飛4種，其中微小基站就包括微、皮、飛3種，如表1所示。

表1　LTE基站分類表

Micro英譯為“微”，科學(xué)計(jì)數(shù)為10-6，Pico英譯為“皮”，科學(xué)計(jì)數(shù)為10-12，F(xiàn)emto英譯為“飛”，科學(xué)計(jì)數(shù)為10-15，所以皮基站又稱為Picocell，飛基站又稱為Femotocell，其科學(xué)計(jì)數(shù)量級(jí)可以非常直觀地反映出它們的功率、覆蓋半徑的大小區(qū)別。

微小基站具有使用靈活、安裝便利的特點(diǎn)，具體如下：

體積小、重量輕：相比宏基站，微站的體積和重量大約只有宏基站的一半，使用靈活，安裝便利；

發(fā)射功率低：相比宏基站，微站的發(fā)射功率一般只有0.1～10W，覆蓋范圍有限適合在小范圍使用；

支持多種上聯(lián)方式：除了宏基站支持的光纖，微站還支持無線回傳、五類線（網(wǎng)線）上聯(lián)方式，增加了安裝的便利性。

3　微小基站需求分析

從目前網(wǎng)絡(luò)建設(shè)現(xiàn)狀來看，宏基站的站點(diǎn)密度已經(jīng)接近極限：在很多熱點(diǎn)價(jià)值區(qū)域，經(jīng)過多年的建設(shè)，宏基站建設(shè)密度已經(jīng)非常大，一些發(fā)達(dá)地區(qū)密集城區(qū)的站間距甚至小于300米。盡管如此，由于城市環(huán)境復(fù)雜、業(yè)務(wù)量大，網(wǎng)絡(luò)仍面臨容量壓力和深度覆蓋盲區(qū)。然而，受鄰區(qū)干擾機(jī)制以及建設(shè)造價(jià)高的限制，繼續(xù)提升宏基站密度，并不能有效解決網(wǎng)絡(luò)目前面臨的問題，而微小基站正好可以彌補(bǔ)宏基站這兩方面的缺陷。

另外基站天面資源獲取及業(yè)主協(xié)調(diào)的難度越來越大，新增站址將面臨巨大的挑戰(zhàn)，微小基站建設(shè)比較靈活，對(duì)地址要求比較低，可以解決這一困擾運(yùn)營商的主要難題。

從標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)角度來看：

在3GPP標(biāo)準(zhǔn)體系中，R10/R11版本提出了HetNet即異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，HetNet是指在同一種技術(shù)下，不同類型基站覆蓋同一區(qū)域，該技術(shù)將微小基站提升到了與宏基站同等重要的地位。而在R12/R13版本更進(jìn)一步提出了Small cell增強(qiáng)技術(shù)，用來解決Small cell應(yīng)用中的相關(guān)問題，如圖1所示。

圖1　GPP標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)圖

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，使用宏基站、微小基站構(gòu)筑宏微分層組網(wǎng)形態(tài)，夯實(shí)面覆蓋，加強(qiáng)點(diǎn)覆蓋。LTE建網(wǎng)初期以宏基站中層網(wǎng)為主，保證宏基站層的結(jié)構(gòu)及性能穩(wěn)定，后期不斷完善底層網(wǎng)建設(shè)，打造一張無縫覆蓋、高性能的無線寬帶數(shù)據(jù)接入網(wǎng)，如圖2所示。

圖2　異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)圖

從5G協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的需求來看，其目標(biāo)是滿足未來10年的移動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)展需求，目前的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量每年成倍增長，10年后移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將增長210約1000倍，為了應(yīng)對(duì)1000倍增長的數(shù)據(jù)風(fēng)暴，需要在目前LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升寬帶資源、頻率效率和站址密度。

根據(jù)技術(shù)分析，未來無線網(wǎng)絡(luò)的寬帶資源還可以拓展5倍，頻譜效率（采用新的雙工、多址和MIMO、調(diào)制技術(shù)）可以提升5倍，而站址密度需要提升40倍才能滿足1000倍的容量增長需求。而站址密度的大幅增長只能靠微小基站解決，屆時(shí)網(wǎng)絡(luò)中微小基站的數(shù)量將大大超過宏基站的數(shù)量。

4　微小基站應(yīng)用分析

對(duì)微小基站的覆蓋能力進(jìn)行鏈路預(yù)算分析，室外微蜂窩采用COST-231 Walfish-Ikegami LOS傳播模型：L=26logd（m）+20logf（MHz）-35.4，20m≤d≤5000m。

室內(nèi)覆蓋采用Keenan-Motley傳播模型：L= 20 logd（m）+ logf（MHz）-28。

取陰影衰落余量10dB，墻體穿透損耗20dB，小區(qū)邊緣RSRP最小電平要求-105dBm。

室外覆蓋一般使用發(fā)射功率較大的微基站，假設(shè)微基站發(fā)射功率為2*5W，天線增益10dBi，在1900MHz頻段下，經(jīng)過鏈路預(yù)算可知，在考慮1堵墻體穿透損耗的情況下（室外覆蓋室內(nèi)淺層覆蓋）室外微基站覆蓋半徑大約為220米。

如果使用微基站進(jìn)行室內(nèi)覆蓋，在2350MHz頻段下，經(jīng)過鏈路預(yù)算可知，在考慮2堵墻體穿透損耗的情況下室內(nèi)微基站覆蓋半徑大約為39米，覆蓋面積大約為3910平方米；考慮1堵墻體穿透損耗的情況下室內(nèi)微基站覆蓋半徑大于45米，覆蓋面積大于5000平方米。

如果使用皮飛基站進(jìn)行室內(nèi)覆蓋，假設(shè)皮飛基站發(fā)射功率為2*100mW，天線增益2.5dBi，在2350MHz頻段下，經(jīng)過鏈路預(yù)算可知，在考慮1堵墻體穿透損耗的情況下室內(nèi)皮飛基站覆蓋半徑大約為23米，覆蓋面積大約為1390平方米。

根據(jù)鏈路預(yù)算分析得到的微小基站覆蓋能力，結(jié)合微小基站具有建設(shè)周期短、配套要求低、單站造價(jià)低、部署靈活等優(yōu)點(diǎn)，建議微小基站應(yīng)用場景如下：

用于室外弱覆蓋：對(duì)于半徑小于200米的弱覆蓋、盲區(qū)，可采用微基站補(bǔ)弱、補(bǔ)盲。

用于室內(nèi)弱覆蓋：綜合容量、覆蓋、造價(jià)三個(gè)方面考慮，對(duì)于1000平方米以下的室內(nèi)弱覆蓋場景（如營業(yè)廳、咖啡廳等）采用皮飛基站進(jìn)行覆蓋，對(duì)于5000平方米以下的室內(nèi)弱覆蓋場景，采用微基站進(jìn)行覆蓋。

用于道路補(bǔ)點(diǎn)：日常測試中發(fā)現(xiàn)的小范圍弱覆蓋道路補(bǔ)點(diǎn)。

用于熱點(diǎn)容量場景：用于解決局部容量不足的熱點(diǎn)區(qū)域，如步行街、商業(yè)街、體育場館等場景。

用于配套建設(shè)受限場景：對(duì)于物業(yè)受限，導(dǎo)致傳統(tǒng)的配套、傳輸?shù)葻o法建設(shè)的場景；對(duì)于需要快速部署而受制于外部因素影響的競爭熱點(diǎn)，可通過微小基站靈活建設(shè)。

微小基站在LTE網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用需要考慮到與宏基站的協(xié)同，協(xié)同的首要問題便是微小基站與宏基站的頻率使用策略，簡單來說就是宏微同頻還是宏微異頻，室內(nèi)站與室外站均使用不同的頻段，故宏微同頻還是異頻僅僅針對(duì)室外站點(diǎn)之間的情況，如表2所示。

表2　宏微頻率使用策略分析表

綜合部署目的、部署場景、部署階段等方面考量，LTE網(wǎng)絡(luò)處于發(fā)展初期，網(wǎng)絡(luò)處于相對(duì)輕載階段，短期內(nèi)沒有應(yīng)用全部頻率資源需求，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)頻率資源及使用場景，建議網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期采用宏微異頻組網(wǎng)，減少宏微間干擾；到LTE網(wǎng)絡(luò)發(fā)展后期，為了提高頻譜效率，吸收海量增長的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，需采用宏微同頻組網(wǎng)，可以利用建筑物的阻隔以及引入eICIC、FeICIC等技術(shù)規(guī)避干擾。

從宏基站與微小基站的覆蓋區(qū)域關(guān)系來看，有重疊覆蓋、獨(dú)立覆蓋兩種：如圖3，圖4所示。

圖3　宏微重疊覆蓋示意圖

圖4　宏微獨(dú)立覆蓋示意圖

宏微重疊覆蓋的情況下，宜使用異頻，宏微獨(dú)立覆蓋的情況下，宜使用同頻。

5　微小基站建設(shè)方案

室內(nèi)微小基站除了不建設(shè)分布系統(tǒng)外，其他方面的建設(shè)與傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)信源建設(shè)方式基本一樣，這里僅對(duì)室外應(yīng)用的微小基站建設(shè)方案做分析。

5.1機(jī)房

微小基站原則上不建議新建機(jī)房，分布式微小基站的BBU設(shè)備優(yōu)先放置于已有機(jī)房，若建設(shè)條件受限也可在RRU處就近設(shè)置室外機(jī)柜進(jìn)行安裝；分布式微小基站RRU設(shè)備盡量掛墻安裝，對(duì)于掛墻安裝困難的場景，也可設(shè)置室外機(jī)柜進(jìn)行安裝。

微小基站配置室外機(jī)柜時(shí)，室外機(jī)柜一般落地設(shè)置，室外機(jī)柜尺寸、數(shù)量需要按照實(shí)際設(shè)備需求空間進(jìn)行核算，不建議考慮后期預(yù)留。若主設(shè)備、電源設(shè)備均需置于機(jī)柜內(nèi)時(shí)，應(yīng)盡量共柜安裝。

室外機(jī)柜建議采用風(fēng)冷或自然通風(fēng)的冷卻形式，不建議配置空調(diào)。

5.2桿塔

微小基站的掛高一般在5～20米之間，其安裝方式主要有掛桿安裝、掛墻安裝。

微小基站塔桅建設(shè)盡量利用現(xiàn)有的相關(guān)設(shè)施（例如市政公共基礎(chǔ)設(shè)施：路燈桿、監(jiān)控桿等）及站點(diǎn)資源的原則，降低塔桅配套投入，加快建設(shè)進(jìn)度。

對(duì)于必須建設(shè)塔桅的場景，盡量利用現(xiàn)有物業(yè)設(shè)施采取掛墻或樓面安裝方式，減少落地塔桅建設(shè)量。

建設(shè)落地塔桅時(shí)，在塔桅美化要求不高且天線掛高在6米及以下的場景，可以考慮水泥桿這種簡易塔型，可有效減少投資。

5.3供電

根據(jù)微小基站靈活快速、低成本建設(shè)的原則，LTE小微站原則上不建議配置后備保障電源。

微小基站站均采用就近取電原則，不建議采用宏基站的建設(shè)模式進(jìn)行建設(shè)，燈桿站可以采用燈管所總控開關(guān)取電，道路旁商鋪、小區(qū)內(nèi)的站點(diǎn)可以考慮與業(yè)主簽訂搭電協(xié)議取電或者接公共變壓器獨(dú)立開戶，無法就近取電的情況下采用直流遠(yuǎn)供。

5.4造價(jià)

根據(jù)室外微小基站的建設(shè)方案，一個(gè)典型微小基站與宏基站的建設(shè)造價(jià)對(duì)比情況如表3、圖5所示。

表3　宏微基站造價(jià)對(duì)比表

圖5　宏微基站建設(shè)造價(jià)對(duì)比圖

從表3可知，一個(gè)典型室外宏基站的投資造價(jià)為29.5萬元，微小基站為5.4萬元，宏基站大概是微小基站的5.5倍，微小基站的投資造價(jià)大大低于宏基站。

6　結(jié)論

微小基站并不是LTE時(shí)代才出現(xiàn)的新概念，只不過在LTE時(shí)代之前，微小基站主要用于補(bǔ)盲場景中，應(yīng)用場景比較狹窄并且使用量比較小。

LTE的發(fā)展建設(shè)可以概括為3個(gè)階段：（1）、大規(guī)模室外雙頻（低頻段、高頻段）宏基站協(xié)同組網(wǎng)階段，（2）、宏基站與微小基站協(xié)同組網(wǎng)階段，（3）、FDD/TDD混合組網(wǎng)階段。目前LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本上完成了階段一的建設(shè)，微小基站由于造價(jià)與技術(shù)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在階段二中開始大規(guī)模建設(shè)，成為LTE網(wǎng)絡(luò)中必不可少的重要角色，

將在LTE及未來5G網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮出越來越重要的作用。

7　英文縮略語

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（2016-05-11）