一種基于鏈?zhǔn)叫^(qū)的校園移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)解決方案

肖平　徐瑜

為了解決當(dāng)前校園無線網(wǎng)絡(luò)的高負(fù)荷、傳輸資源不足、設(shè)備投資大、擴(kuò)容困難等問題，運(yùn)用新型的串聯(lián)多小區(qū)技術(shù)，提出一種基于鏈?zhǔn)叫^(qū)的校園移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)解決方案。在分析傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)的不足的基礎(chǔ)上，通過對(duì)實(shí)際案例的覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃，設(shè)計(jì)了符合案例場(chǎng)景的基于鏈?zhǔn)叫^(qū)的室內(nèi)分布系統(tǒng)組網(wǎng)方式，并通過分析覆蓋效果、指標(biāo)情況，以及分析與傳統(tǒng)室分的投資大小、維護(hù)難易程度的比較，論證了該方案的可行性，為校園無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、建設(shè)提供了思路。

校園無線網(wǎng)絡(luò) 室內(nèi)分布系統(tǒng) 鏈?zhǔn)叫^(qū) RSRP 傳輸資源

1 引言

校園屬于無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋中的人口密集型場(chǎng)景，由于當(dāng)前4G市場(chǎng)策略的傾斜，語音、數(shù)據(jù)資費(fèi)較低，造成了校園內(nèi)及周邊基站無線利用率、單小區(qū)PRB（Physical Resource Block，物理資源塊）利用率較高，相應(yīng)的傳輸資源緊張，如何規(guī)劃一張優(yōu)秀的校園移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來解決以上矛盾，提升用戶感知，也是運(yùn)營(yíng)商需要研究的一大課題。

2 傳統(tǒng)解決方案

2.1 傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)介紹

校園區(qū)域有大量面積超過5000 m2的建筑，無線網(wǎng)絡(luò)用戶多、業(yè)務(wù)密度及無線資源消耗大。由于第四代通信網(wǎng)絡(luò)LTE普遍采用的頻段高，無線電波穿透封閉性好的大型建筑能力相對(duì)2G/3G時(shí)代的900 M、1800 M較弱，陰影效應(yīng)明顯，建設(shè)室內(nèi)分布系統(tǒng)是解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋的必要手段。室內(nèi)分布系統(tǒng)一般采用BBU+RRU的組網(wǎng)形式，BBU置于機(jī)房，RRU室于用戶側(cè)，RRU的射頻信號(hào)發(fā)射與接收通過饋線連接的天線完成。傳統(tǒng)的室內(nèi)分布系統(tǒng)組網(wǎng)如圖1所示：

BBU每1個(gè)光口連接1個(gè)RRU，每個(gè)RRU為1個(gè)室分小區(qū)，BBU與RRU之間敷設(shè)配套光纜，BBU每個(gè)光口與RRU光口之間通過2芯光纜纖芯資源連接。

2.2 傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)的局限

（1）單小區(qū)最大在線用戶數(shù)

TD-LTE在線用戶數(shù)為保持RRC連接的用戶數(shù)，包括激活用戶（保持上行同步）和非激活用戶（不保持上行同步）。非激活用戶，處于上行失步狀態(tài)，如需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，須重新發(fā)起隨機(jī)接入過程，以建立上行同步；非激活用戶需要在eNodeB中保存UE上下文，但并不占用空口資源，決定最大非激活用戶數(shù)的主要因素是eNodeB的內(nèi)存大小。激活用戶保持RRC連接和上行同步，可以在上下行共享信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在TD-LTE系統(tǒng)的多用戶調(diào)度共享上下行業(yè)務(wù)信道傳輸模式下，對(duì)于不要求GBR（Guaranteed Bit Rate，保證比特速率）和延遲性能的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，理論上系統(tǒng)所支持的用戶數(shù)目是不受限制的，但實(shí)際eNodeB在每個(gè)子幀中需要完成用戶調(diào)度、基帶處理的全部流程，要求調(diào)度、基帶處理的能力強(qiáng)、時(shí)延短，限制了小區(qū)可以支持的最大激活用戶數(shù)。中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)的LSFT2（The Second Stage of Large Scale Field Test，大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試第二階段）提出單小區(qū)400個(gè)激活態(tài)用戶、1200個(gè)在線用戶的測(cè)試需求，即要求滿足同時(shí)提供400個(gè)用戶并發(fā)上網(wǎng)的需求。

（2）建設(shè)資源投入大

以單小區(qū)支持400并發(fā)用戶為標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)覆蓋場(chǎng)景的理論小區(qū)數(shù)Ncells為：

Ncells=Nsub/400 （1）

其中，Nsub為并發(fā)上網(wǎng)需求用戶數(shù)。

現(xiàn)有各廠商1臺(tái)BBU，光口數(shù)為6個(gè)，一個(gè)覆蓋場(chǎng)景的理論BBU需求數(shù)NBBU為：

NBBU=Ncells/6 （2）

傳統(tǒng)室分一個(gè)小區(qū)需要至少2芯光纜纖芯資源，一個(gè)覆蓋場(chǎng)景的理論纖芯需求數(shù)NFiber為：

NFiber=2Ncells （3）

以湘潭大學(xué)（簡(jiǎn)稱“湘大”）琴湖學(xué)生公寓為例，該公寓有11棟樓宇，約5200位住戶，考慮90%的用戶滲透率、70%的并發(fā)率，則有3276位用戶同時(shí)處于激活態(tài)。若建設(shè)傳統(tǒng)室分，綜合公式（1）、（2）、（3），則需要至少9個(gè)小區(qū)、2個(gè)BBU、18芯光纜資源。

（3）后期擴(kuò)容復(fù)雜

隨著住戶增加、用戶滲透率提高、并發(fā)率的增加，可能會(huì)有更多的用戶同時(shí)處于激活態(tài)，則需要進(jìn)行擴(kuò)容，需要小區(qū)分裂。當(dāng)增加至總數(shù)超過12個(gè)小區(qū)，傳統(tǒng)小區(qū)在增加RRU的同時(shí)需增加BBU，且每增加1個(gè)小區(qū)需要增加2芯光纜資源。當(dāng)前光纜資源屬于珍貴資源，施工、布放難度大，而高校通常不可采用明線敷設(shè)，需利用既有管道資源；但既有管道資源有限、容量有限，多數(shù)情況無法完成光纜敷設(shè)及布放。

3 基于鏈?zhǔn)叫^(qū)的室內(nèi)分布系統(tǒng)

3.1 方案設(shè)計(jì)

將多臺(tái)RRU串接起來，1臺(tái)RRU配置為1個(gè)小區(qū)，在BBU傳輸帶寬、處理能力允許的情況下，一個(gè)BBU光口可承載多個(gè)小區(qū)，且多個(gè)小區(qū)只需要2芯光纜資源，隨著用戶數(shù)增加，需要小區(qū)分裂，只要在原有光纜上新開接頭，利舊在用2芯纖資源插入新RRU即可，如圖2所示。

目前各設(shè)備供應(yīng)商均已支持同鏈多小區(qū)技術(shù)，但不同制式、不同廠商網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有所不同，需根據(jù)具體配置和參數(shù)微調(diào)方案。仍以湘潭大學(xué)琴湖學(xué)生公寓為例，針對(duì)實(shí)際采用的諾基亞TD-LTE網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進(jìn)行討論。

（1）組網(wǎng)方式

為充分利舊原有資源，琴湖公寓采用原址GSM天饋合路的形式，原GSM為室外射燈天線。如圖3所示，規(guī)劃三條鏈?zhǔn)叫^(qū)，第一條鏈?zhǔn)叫^(qū)為3個(gè)小區(qū)，分別為1棟北、4棟南、4棟北；第二條鏈?zhǔn)叫^(qū)為4個(gè)小區(qū)，2棟南、2棟北、6棟南、6棟北；第三條鏈?zhǔn)叫^(qū)為4個(gè)小區(qū)，8棟南、8棟北、10棟南、10棟北。

（2）覆蓋規(guī)劃

TD-LTE以RSRP（Reference Signal Receiving Power，參考信號(hào)接收功率）值來衡量小區(qū)的覆蓋能力。RSRP是一個(gè)表示接收信號(hào)強(qiáng)度的絕對(duì)值，在一定程度上可反映移動(dòng)臺(tái)距離基站的遠(yuǎn)近，度量小區(qū)覆蓋范圍大小。對(duì)于高校區(qū)域，要求TD-LTE覆蓋邊緣的RSRP大于-105 dBm。

根據(jù)電磁波自由空間傳播損耗公式，空間損耗Ls的計(jì)算方式如下：

Ls=20lg（F）+20lg（D）+32.4 （4）

上式中D為傳播距離，單位為km；F為電磁波頻率，單位為MHz，F(xiàn)取值范圍為2320～2370 MHz（取2330 MHz）。

根據(jù)公式（4）可計(jì)算出2330 MHz信號(hào)的可視空間傳播損耗，如表1所示：

總的路徑損耗L為：

L=Ls+M （5）

其中，Ls為空間損耗，M為衰落余量。

根據(jù)大量測(cè)試數(shù)據(jù)分析，常見建筑體的衰落余量取值如表2所示：

根據(jù)實(shí)際覆蓋場(chǎng)景采用公式（6）估算距天線最遠(yuǎn)處的覆蓋邊緣區(qū)用戶接收點(diǎn)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)電平：

Pr=Pt+Ga-PL-M （6）

其中，Pr為接收點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度，Pt為天線口信號(hào)強(qiáng)度，Ga為天線的增益，PL為路徑損耗，M為隔墻損耗及衰落余量。

以最弱天線接口輸入信號(hào)強(qiáng)度-14 dBm為準(zhǔn)，琴湖公寓室內(nèi)最遠(yuǎn)處距該天線為40 m，射燈天線的增益為14 dBi，信號(hào)最多穿越兩堵磚墻（實(shí)際有大量窗戶存在，信號(hào)衰減小于兩堵墻的陰影衰落），按式（6）計(jì)算該覆蓋邊緣場(chǎng)強(qiáng)為Pr=-102 dBm，大于-105 dBm。

由此可見，上述鏈?zhǔn)叫^(qū)組網(wǎng)規(guī)劃信號(hào)強(qiáng)度可滿足琴湖公寓通信要求，符合設(shè)計(jì)初衷。

（3）容量規(guī)劃

結(jié)合組網(wǎng)方式與覆蓋要求，該公寓設(shè)置11個(gè)小區(qū)，按公式（1）計(jì)算，可支持4400個(gè)處于激活態(tài)的并發(fā)用戶，大于3276的用戶需求數(shù)，保有一定余量，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 實(shí)施效果評(píng)估

（1）覆蓋效果及指標(biāo)情況

鏈?zhǔn)叫^(qū)室分系統(tǒng)開通后，測(cè)試的覆蓋信號(hào)強(qiáng)度RSRP值在室外為-95 dBm～-70 dBm，室內(nèi)-105 dBm～-85 dBm，在規(guī)劃設(shè)計(jì)門限值內(nèi)，室外/室內(nèi)RSRP強(qiáng)度測(cè)試如圖4、圖5所示：

日忙時(shí)、夜忙時(shí)各小區(qū)指標(biāo)均在正常值范圍內(nèi)，以鏈1第1小區(qū)為例，忙時(shí)KPI指標(biāo)如圖6所示。

（2）與傳統(tǒng)室分對(duì)比分析

若采用傳統(tǒng)室內(nèi)分布，想要達(dá)到同樣的覆蓋效果與容量，湘潭大學(xué)琴湖公寓需要22芯光纜資源，諾基亞TD-LTE設(shè)備至少需要兩臺(tái)BBU（與設(shè)備廠家BBU能力有關(guān)，諾基亞TD-LTE設(shè)備若后期進(jìn)行小區(qū)分裂，需新增BBU或擴(kuò)展板）；采用鏈?zhǔn)叫^(qū)只占用6芯傳輸資源，兩臺(tái)BBU。具體投資對(duì)比分析如表3所示：

4 結(jié)束語

根據(jù)校園內(nèi)樓宇和用戶的實(shí)際分布，結(jié)合文中總結(jié)的覆蓋、容量分析及計(jì)算方法，靈活應(yīng)用基于鏈?zhǔn)叫^(qū)的室內(nèi)分布系統(tǒng)，串接基站各個(gè)小區(qū)，在保證一定系統(tǒng)余量的前提下，可以規(guī)劃、建設(shè)出符合場(chǎng)景需求的高效校園移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，最大程度節(jié)約光纜纖芯資源、設(shè)備投資，且降低了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，便于后期硬件擴(kuò)容及維護(hù)，提高了資源利用率及投資回報(bào)率。本方案已在多所高校區(qū)域應(yīng)用并取得良好效果。

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