謝衛(wèi)浩++張文++彭海濤

1 背景

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢，電信運(yùn)營商關(guān)注校園高話務(wù)區(qū)（以學(xué)生宿舍區(qū)為代表）的FDD-LTE覆蓋預(yù)案，為今后的校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)作準(zhǔn)備。

背景是根據(jù)3G話務(wù)的經(jīng)驗(yàn)，正常教學(xué)日21：00～23：00，學(xué)生宿舍區(qū)用戶高度密集且數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)話務(wù)量大，容易引發(fā)系統(tǒng)話務(wù)負(fù)荷重、資源瓶頸擁塞的問題，需要制定區(qū)別于大網(wǎng)的特殊覆蓋組網(wǎng)方式。

某省會(huì)城市典型的高校宿舍區(qū)環(huán)境如圖1所示。多層宿舍樓一般為5～6層高，長度為40～80米，樓間距為15～35米，有較多的“口”字型或“一”字型樓宇。

2 3種類型小區(qū)定義

為描述方便，按覆蓋面積的大小，將宿舍區(qū)涉及的小區(qū)類型分為宏小區(qū)、微小區(qū)和微微小區(qū)。

2.1 宏小區(qū)

（1）基本定義

即現(xiàn)網(wǎng)的常規(guī)室外基站小區(qū)，天線高度高于建筑物天面，覆蓋半徑數(shù)百米。宏站的信號(hào)源為RRU或傳統(tǒng)宏基站。

可以通過扇區(qū)裂化或站址裂化進(jìn)行擴(kuò)容，詳見第5節(jié)。

（2）容量特征

蜂窩組網(wǎng)的室外宏小區(qū)考慮商用、鄰區(qū)加載情況，小區(qū)下行平均吞吐量為35Mbps左右，每小區(qū)可承載的RRC連接用戶數(shù)均大于100個(gè)（不考慮商務(wù)License），如果按100個(gè)連接用戶計(jì)算，宏小區(qū)每用戶RRC連接態(tài)下行平均速率可達(dá)350kbps左右；因?yàn)镽RC連接態(tài)由用戶下載數(shù)據(jù)時(shí)間和無數(shù)據(jù)下載等待休眠時(shí)間這2部分組成，所以用戶感受速率會(huì)明顯高于連接態(tài)平均速率。根據(jù)3G話務(wù)數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)，上述速率水平能夠滿足高校學(xué)生用戶的使用且有足夠裕量。

一個(gè)宏小區(qū)可覆蓋十幾棟到幾十棟宿舍樓。

2.2 微小區(qū)

（1）基本定義

含燈桿站、點(diǎn)射站和室內(nèi)DAS等幾種形式，覆蓋半徑從幾十米到100米。

燈桿站、點(diǎn)射站也稱為室外微小區(qū)，要求天線和目標(biāo)寢室窗戶之間視距可達(dá)。如果是燈桿站，信號(hào)源適合使用瓦級(jí)微站（例如中興的8912產(chǎn)品），覆蓋范圍相對較大，覆蓋半徑介于幾十米到100米之間，1個(gè)燈桿站可覆蓋1棟或者幾棟宿舍樓的視距直達(dá)面；如果是附著于建筑物的點(diǎn)射站，信源可選瓦級(jí)微站或百毫瓦級(jí)Pico（例如中興的8102產(chǎn)品），使用Pico時(shí)信源應(yīng)放置于樓內(nèi)，通過較短饋線外接小定向天線覆蓋對面樓宇，覆蓋距離較近（例如20～40米），詳見第5節(jié)。

使用DAS時(shí)，可認(rèn)為室內(nèi)微小區(qū)，幾層樓共用1個(gè)RRU或者每層樓獨(dú)用1個(gè)RRU，不建議在同一樓層進(jìn)行小區(qū)分裂。

（2）容量特征

由于室外微小區(qū)傳播環(huán)境為視距直達(dá)、距離較近，小區(qū)平均吞吐量略高于宏小區(qū)，估計(jì)為40Mbps左右，每小區(qū)可承載的RRC連接用戶數(shù)均不低于100個(gè)（不考慮商務(wù)License），按100個(gè)計(jì)算，室外微小區(qū)每用戶RRC連接態(tài)下行平均速率可達(dá)400kbps。

室內(nèi)DAS小區(qū)的下行平均吞吐量約為50～60Mbps（單通道室分），每小區(qū)可承載的RRC連接用戶數(shù)均不低于100個(gè)（不考慮商務(wù)License），按100個(gè)計(jì)算，室內(nèi)小區(qū)每用戶RRC連接態(tài)下行平均速率可達(dá)500～600kbps，容量承載能力優(yōu)于室外微小區(qū)。

對于燈桿站、點(diǎn)射站方式，每棟宿舍樓由2～4個(gè)小區(qū)進(jìn)行覆蓋，進(jìn)一步增加小區(qū)數(shù)量的潛力較小；用DAS方式，信號(hào)源可裂化為每層樓1個(gè)小區(qū)，則1棟宿舍樓最多可由5～6個(gè)小區(qū)覆蓋，擴(kuò)容潛力最大且分裂實(shí)施簡便。

2.3 微微小區(qū)

（1）基本定義

包括pRRU同樓層小區(qū)裂化部署（例如中興的Q-Cell產(chǎn)品）和Pico室內(nèi)分布式部署這2種方式。

該方式適用于極端容量需求場景，即話務(wù)量超大、超密集或者視頻等大流量業(yè)務(wù)非常集中的宿舍樓，預(yù)計(jì)出現(xiàn)這種需求的概率較小。

（2）容量特征

pRRU或Pico的單小區(qū)容量承載能力與室內(nèi)微小區(qū)（DAS）近似，參見上文所述。

Pico在宿舍樓內(nèi)分布式部署時(shí)，由于宿舍內(nèi)寢室隔墻較多，每個(gè)Pico的覆蓋半徑僅有10米左右，每層樓均需要部署3～5個(gè)Pico，則1棟樓就需要18～30個(gè)，每個(gè)Pico都是獨(dú)立小區(qū)容量，這種方式具備最大的網(wǎng)絡(luò)容量承載能力。如果pRRU在宿舍樓內(nèi)分布式部署，視其分裂還是共小區(qū)方式，其容量承載能力介于Pico分布式和DAS方式之間。

3 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的層次

3.1 基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)宏小區(qū)裂化不能滿足宿舍區(qū)容量需求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋通常會(huì)部署2層：“宏小區(qū)”+“微小區(qū)”（見圖2）或者“宏小區(qū)”+“微微小區(qū)”。

圖2 宏微2層覆蓋組網(wǎng)示意圖

宏小區(qū)是基礎(chǔ)，主要解決面上（道路、地面）的覆蓋，而且能兼顧小部分的話務(wù)負(fù)荷，由微小區(qū)或微微小區(qū)承擔(dān)主要話務(wù)負(fù)荷。

在同一區(qū)域，“微小區(qū)”和“微微小區(qū)”這2種類型原則上不重疊存在，只會(huì)選擇其中一類進(jìn)行實(shí)施，而且實(shí)施時(shí)會(huì)成片推廣。究竟是選擇“微小區(qū)”還是“微微小區(qū)”，主要基于每棟宿舍樓的用戶容量實(shí)際需求，需求量特別大的則可能會(huì)用到“微微小區(qū)”，大多數(shù)情況下“微小區(qū)”就能夠滿足要求。

有一種情況例外，就是室內(nèi)微小區(qū)（DAS）和微微小區(qū)可以并存，例如：宿舍樓一部分樓層用DAS，另一部分樓層用微微小區(qū)。

3.2 干擾協(xié)調(diào)和控制

（1）宏微之間

為控制宏微小區(qū)之間的干擾，可采用以下方式之一：

◆微小區(qū)或微微小區(qū)均使用2.1GHz頻段，與宏小區(qū)（1.8GHz）異頻，可配置宏→微為A4異頻切換，例如：微小區(qū)RSRP>-105dBm時(shí)切換到2.1G，微→宏為A5異頻切換；微小區(qū)RSRP<-110dBm、宏小區(qū)RSRP>-105dBm時(shí)才切換到1.8G，這樣有利于UE快速且穩(wěn)定駐留在微小區(qū)，由微小區(qū)承擔(dān)主要話務(wù)。

◆如果微小區(qū)處于宏小區(qū)信號(hào)較弱的區(qū)域，則相互影響較小，宏微可以同頻。

（2）宏小區(qū)裂化

由于宏站天線需放置于教學(xué)樓或宿舍樓天面，天線掛高通常為25～35米，難以降低，校園屬于普通城區(qū)環(huán)境，為了避免小區(qū)間的重疊切換區(qū)比例過大影響下行信噪比，校園內(nèi)站間距不宜低于400米，同時(shí)配合較大下傾角（含電下傾）、合適的天線朝向、充分利用建筑物阻隔。例如：四川大學(xué)、西南交通大學(xué)老校區(qū)的現(xiàn)網(wǎng)拓?fù)?，站間距主要為400～650米，通過進(jìn)一步分裂、縮小站間距來增加宏小區(qū)數(shù)量的潛力不大。

（3）微小區(qū)之間

主要指室外微小區(qū)之間的干擾控制。盡量利用建筑物的遮擋，使室外微小區(qū)之間視距不可達(dá)，因?yàn)槲⑿^(qū)的天線通常低于建筑物天面，實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求難度低于宏小區(qū)情形；視距可達(dá)的微小區(qū)之間，應(yīng)充分利用天線波瓣角、天線朝向來降低小區(qū)之間的重疊區(qū)。

（4）微微小區(qū)之間

注意不同的pRRU超級(jí)小區(qū)之間或Pico之間的距離、點(diǎn)位設(shè)置，盡量避免寢室內(nèi)到相鄰無線節(jié)點(diǎn)之間的距離相等、墻體穿透損耗相等，在房間內(nèi)形成切換區(qū)，避免無線節(jié)點(diǎn)之間有奇數(shù)個(gè)房間，應(yīng)充分利用房間間隔、墻體穿透損耗特點(diǎn)，令任一個(gè)寢室內(nèi)到相鄰無線節(jié)點(diǎn)的空間路徑均有明顯差異，減少房間內(nèi)切換區(qū)面積，例如無線節(jié)點(diǎn)之間有偶數(shù)個(gè)房間。

4 部署分析步驟

4.1 基本步驟

高校宿舍區(qū)覆蓋部署方式的分析和建設(shè)步驟可參考圖3所示。

具體說明如下：

（1）“每棟宿舍所需FDD-LTE小區(qū)數(shù)”小于1個(gè)時(shí)，則可以多棟相鄰的宿舍樓共享1個(gè)小區(qū)，根據(jù)片區(qū)小區(qū)數(shù)量需求缺口的大小，選擇宏小區(qū)裂化方式或者部署室外微小區(qū)方式。例如：如果需求的小區(qū)總數(shù)是現(xiàn)網(wǎng)宏小區(qū)的2倍左右，則宏小區(qū)裂化方式可基本滿足；如果需求的小區(qū)總數(shù)是現(xiàn)網(wǎng)宏小區(qū)的3倍以上，則建議選擇微小區(qū)方式。

（2）“所需FDD-LTE小區(qū)數(shù)”為1～6個(gè)時(shí)，則建議選用微小區(qū)模式。

（3）“所需FDD-LTE小區(qū)數(shù)”大于6個(gè)時(shí)，則可考慮采用微微小區(qū)模式。

每種模式還可細(xì)分為幾種分支，具體選擇哪個(gè)分支取決于校園當(dāng)?shù)丨h(huán)境、現(xiàn)有條件和投資規(guī)模等多種因素，參見第5節(jié)。例如：已有宿舍樓建有2G/3G的DAS系統(tǒng)，那么LTE應(yīng)優(yōu)先采用這種方式，通常只需合路共享即可省事省力。

4.2 容量預(yù)算方法

建議以RRC連接用戶數(shù)而不是吞吐量來評估宿舍區(qū)所需的小區(qū)數(shù)量，因?yàn)楦鶕?jù)3G的經(jīng)驗(yàn)，校園的小區(qū)吞吐量不是話務(wù)的瓶頸。

估算宿舍樓（或片區(qū)）所需小區(qū)數(shù)量=取整（忙時(shí)FDD-LTE連接用戶數(shù)（RRC連接態(tài)）/每小區(qū)正常承載用戶數(shù)） （1）

其中，忙時(shí)FDD-LTE連接用戶數(shù)（RRC連接態(tài)）=學(xué)生數(shù)量*電信用戶滲透率*FDD-LTE用戶滲透率*忙時(shí)激活連接比例。假設(shè)校園區(qū)域的每小區(qū)RRC連接用戶數(shù)上限為100個(gè)，小區(qū)正常負(fù)荷承載為70%，則對應(yīng)70個(gè)用戶。

舉例：針對某棟宿舍樓，學(xué)生宿舍的常見平面布局是中間為走廊，兩邊為大致對稱的寢室，宿舍樓尺寸為長（60～80米）*寬（15～20米），寢室的常見尺寸為寬（3～4米）*深（6～7米）。那么，宿舍樓每層約有30～45個(gè)寢室，每個(gè)寢室按平均5個(gè)學(xué)生居住來算，每層樓約有150～225個(gè)學(xué)生，1棟樓按5～6層計(jì)算，則每棟樓有學(xué)生750～ 1 350人。取1棟樓典型值1 000人，參照上文計(jì)算方法，LTE業(yè)務(wù)發(fā)展初期FDD-LTE用戶滲透率為50%，中后期為80%，則1棟樓所需的小區(qū)數(shù)為：

（1）LTE業(yè)務(wù)發(fā)展初期：

INT（1000*50%*50%*25%/70）=1

（2）LTE業(yè)務(wù)發(fā)展中后期：

INT（1000*50%*80%*25%/70）=2

4.3 實(shí)施策略

由于用戶規(guī)模是逐步增長的，超前一次性建成的話可能令網(wǎng)絡(luò)資源長時(shí)間冗余閑置，按現(xiàn)狀動(dòng)態(tài)滾動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的話，有可能前期的設(shè)計(jì)與后期需求形成矛盾，因此建議按LTE發(fā)展中后期的目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施。

5 校園常用覆蓋方式介紹和對比

5.1 宏小區(qū)裂化—劈裂天線應(yīng)用

該方式的容量可比傳統(tǒng)組網(wǎng)方式提升50%～80%，在3G已有小規(guī)模的應(yīng)用。其特點(diǎn)是要將常規(guī)的65度水平波瓣角天線替換為2*33度的劈裂天線，基站小區(qū)設(shè)備數(shù)量翻倍。

優(yōu)點(diǎn)是扇區(qū)分裂對容量提升有明顯作用，實(shí)施簡便、改造成本較低（更換天線、增加基站設(shè)備）；缺點(diǎn)是容量分裂的地理定位不夠精確，基站必須靠近話務(wù)密集區(qū)，否則效果不明顯。

5.2 宏小區(qū)裂化—站址裂化

基本思路是縮小宏小區(qū)的覆蓋面積，增加基站密度，通過降低天線掛高、加大下傾角、降低下行發(fā)射功率等措施配套實(shí)現(xiàn)。該方式改變了宏小區(qū)拓?fù)?，通常能提?～2倍容量，進(jìn)一步提升難度較大。

該方式操作的難度、工作量和成本都比上文的劈裂天線分裂方式更大，而優(yōu)點(diǎn)是地理定位精確、擴(kuò)容效果較好。

5.3 室外微小區(qū)—立桿站

把無線信號(hào)源和天線放置于校園燈桿、監(jiān)控桿或電力桿上，天線掛高5～10米，低于建筑物天面高度，視距覆蓋鄰近的宿舍樓。這是深度覆蓋的一種常用方式，無線信號(hào)源通常采用瓦級(jí)微站。

如果立桿站（微站）和室外宏站之間同頻組網(wǎng)，則立桿站應(yīng)選擇在宏站覆蓋相對較弱的地方；如果宏微異頻組網(wǎng)，則條件可以大幅放寬。

5.4 室外微小區(qū)—“微站/Pico+室外定向小天線”

也稱為點(diǎn)射站，信號(hào)源可采用瓦級(jí)微站或百毫瓦級(jí)Pico，本文將重點(diǎn)介紹成本較低的信號(hào)源——百毫瓦級(jí)Pico。

由于學(xué)生宿舍樓間距較?。?0～40米），以視距直達(dá)為主，當(dāng)只覆蓋對面樓宇正面的寢室時(shí)，室內(nèi)縱深較小，可采用Pico信號(hào)源+定向天線的方式。

鏈路預(yù)算計(jì)算表明：Pico下行最大發(fā)射功率125mW，采用10dBi增益_水平波瓣角65度_垂直波瓣角28度的小板狀天線（該天線已商用），饋線跳線插損0.5dB，陰影衰落裕量8dB，2.1GHz頻段，室外視距傳播環(huán)境下，經(jīng)過建筑物穿透損耗20dB到達(dá)室內(nèi)RSRP≥-100dBm的覆蓋半徑可達(dá)40～50米。

舉例：如果樓間距為30米，Pico安裝于樓梯通道內(nèi)，天線安裝于外墻上，則覆蓋對面樓宇的立面面積較大（寬38米*高15米），可覆蓋幾十個(gè)寢室，如圖4所示。

各宿舍樓之間采用對打，某高校局部的覆蓋組網(wǎng)示例如圖5所示。

由此可見，覆蓋每棟宿舍樓只需2～4個(gè)Pico信號(hào)源即可，且施工簡便。

5.5 室內(nèi)微小區(qū)—DAS

即傳統(tǒng)室分方式，2G、3G網(wǎng)絡(luò)在高校宿舍已有規(guī)模應(yīng)用。

5.6 微微小區(qū)—室內(nèi)Pico分布式

在學(xué)生宿舍內(nèi)走廊天花，間隔一段距離放置1個(gè)Pico（例如中興的8102，又稱室內(nèi)毫瓦級(jí)站）。

優(yōu)點(diǎn)是無需鋪設(shè)饋線，以網(wǎng)線替代，施工簡便；缺點(diǎn)是受寢室墻體間隔較多的影響，每個(gè)Pico的覆蓋范圍有限，需要部署的數(shù)量較多。

5.7 微微小區(qū)—室內(nèi)pRRU分布式

與室內(nèi)Pico分布式部署類似，只是把Pico替換為pRRU。

增加的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品更美觀，而且pRRU之間可合并為超級(jí)小區(qū)，也可分裂，配置更靈活；缺點(diǎn)是需要部署的pBridge、pRRU數(shù)量較多，設(shè)備投資成本要高一些。

5.8 各種覆蓋方式的對比

為便于理解，從運(yùn)營商關(guān)注的幾個(gè)維度對上述多種覆蓋方式進(jìn)行了對比，具體如表1所示。

參考文獻(xiàn)：

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