仇勇 孫正輝 鄭康 袁宇恒 宋嘯天

1.中國移動通信集團(tuán)江蘇有限公司；2.鎮(zhèn)江市審計(jì)局

0 引言

現(xiàn)在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界大量討論5G中毫米波技術(shù)和超密組網(wǎng)等技術(shù)趨勢和解決方案，而在前5G時(shí)代，當(dāng)前熱點(diǎn)區(qū)域4G網(wǎng)絡(luò)容量已趨于飽和，如演唱會、體育賽事、大型活動等人群密集場景，用戶在小范圍密集出現(xiàn)，且終端使用頻繁，容量壓力巨大，提升4G網(wǎng)絡(luò)下高用戶密度時(shí)的網(wǎng)絡(luò)容量已成為當(dāng)前急需解決的問題。

增加容量的幾個可選方案如下：

一是增加頻譜利用率。通過更高階調(diào)制方式使無線電波的幅度和相位發(fā)生更多變化，產(chǎn)生載波更多不同狀態(tài)傳遞更多信息量。但在無線環(huán)境下，復(fù)雜調(diào)制方式容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼率更高，解決方式復(fù)雜。

二是增加頻譜帶寬。相對于提高頻譜利用率，增加帶寬的方法更加簡單。但是目前4G頻段都在3GHz以下，能用帶寬有限，并且頻段由國家分配，無法不限量增加，擴(kuò)容前景不足。

三是實(shí)現(xiàn)超密組網(wǎng)。通過在同一片區(qū)域內(nèi)增加4G小區(qū)數(shù)量，將用戶劃分在不同小區(qū)上承載，提高單位面積容量密度，從而實(shí)現(xiàn)容量增加。這是目前最快速便捷可行的容量提升方案。

超密組網(wǎng)的主要問題是站址選擇和干擾協(xié)調(diào)。目前普遍的思路是通過增加站址、更多小站、減小站間距的方式實(shí)現(xiàn)超密組網(wǎng)，但超密組網(wǎng)需要站址更接近用戶，天面高度適中，而公眾往往過度擔(dān)憂輻射問題，使得合適站址的選擇越來越困難，對小型化隱蔽化的要求越來越高。

同時(shí)，站點(diǎn)密集化帶來的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)問題增加。密集小區(qū)會導(dǎo)致重疊覆蓋增加，小區(qū)邊緣覆蓋質(zhì)量劣化，如果不能有效解決小區(qū)間干擾問題，超密組網(wǎng)帶來的容量增益就會下降。

1 超密組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

為解決超密組網(wǎng)存在的站址協(xié)調(diào)和小區(qū)間干擾的問題，考慮到多波束天線在同天線點(diǎn)位增加覆蓋扇區(qū)的能力以及CRAN技術(shù)中小區(qū)協(xié)同的特性，本文建議從多波束天線的使用和CRAN技術(shù)使用上研究解決方案。

1.1 基于多波束天線技術(shù)的超密組網(wǎng)方案

1.1.1 多波束天線

傳統(tǒng)的單扇區(qū)容量提升方案是在同一扇區(qū)上疊加更多載波，擴(kuò)容能力有限，而多波束天線（又稱劈裂天線）則是將一片區(qū)域劃分為不同扇區(qū)，利用多波束天線覆蓋精確化控制，波束之間良好的隔離度，切換邊界減小，有利于提升用戶感知和增加容量。

圖1 不同扇區(qū)容量提升方案

多波束天線主要分為三類：

無源多波束天線：反射面、透鏡類（準(zhǔn)光類）、矩陣類（傳輸線電路類）；

多波束相控陣天線：射頻相控、中頻相控、本振相控；

數(shù)字域多波束天線：數(shù)字多波束。

其中，民用通信領(lǐng)域主要是無源多波束天線，其中透鏡類實(shí)現(xiàn)難度大但效果好波束更多，如美國總統(tǒng)就職典禮使用透鏡結(jié)構(gòu)的多波束天線，可在原先一個扇區(qū)內(nèi)形成18個小區(qū)，可大幅提升覆蓋面積上的吞吐量。該天線產(chǎn)品體積約為普通8天線的100倍，重量約為普通8天線的10倍。

圖2 透鏡天線實(shí)物圖和與原理圖

而采用矩陣類多波束天線，相對來說波束間隔較小重疊較大，但工藝實(shí)現(xiàn)簡單，造價(jià)更低，更適合在民用通信領(lǐng)域規(guī)模使用。以下主要介紹此類多波束天線。

1.1.2 多波束天線原理

矩陣類（傳輸線電路類）多波束天線，主要是通過巴特勒矩陣實(shí)現(xiàn)。

基站天線陣列是由若干個輻射單元以各種組合形式（直線、圓環(huán)、三角和平面陣列）在空間上排列組成的天線系統(tǒng)，在基站天線中，決定天線陣列輻射方向圖的主要因素有：陣列單元數(shù)目、陣列單元排陣方式、陣列單元間距，以及每個陣列單元饋電的幅度和相位。多波束天線的Butler矩陣賦形原理與常規(guī)電調(diào)天線賦形原理相同，只不過給了每個陣列單元水平面幅相加權(quán)。多波束陣列的每個陣列單元幅度和相位是二維結(jié)構(gòu)，既有垂直面的一列的單元之間幅度和相位加權(quán)，實(shí)現(xiàn)常規(guī)的電調(diào)下傾角；還有水平面的列與列單元之間水平面幅度與相位差，實(shí)現(xiàn)水平面波束的合成與指向偏轉(zhuǎn)。換句話說，在這時(shí)，Butler矩陣充當(dāng)了水平面的一個具有賦形功能的移相器作用。

以五波束天線為例說明其實(shí)現(xiàn)原理。

圖3 五波束天線饋電網(wǎng)絡(luò)巴特勒矩陣

五波束天線饋電網(wǎng)絡(luò)的巴特勒矩陣分為兩級，第一級巴特勒由兩個3dB電橋和一分二功分器組成，第二級巴特勒由兩塊3×3巴特勒矩陣組成。五波束天線饋電網(wǎng)絡(luò)巴特勒矩陣不同波束輸入端口互相隔離，具有極高的隔離度，從5個不同的巴特勒輸入端口輸入射頻信號，6個輸出端口會產(chǎn)生不水平列不同相位差的信號，然后接入到天線陣列中，從而在水平面形成五個不同指向方向的波束。

1.1.3 多波束天線超密組網(wǎng)方案及技術(shù)優(yōu)勢

在站址選擇越來越困難的情況下，利用現(xiàn)有站址資源，快速增加容量，可以選擇多波束天線進(jìn)行超密組網(wǎng)。

多波束天線在應(yīng)對超密組網(wǎng)方面具備以下優(yōu)勢：

窄波束更深覆蓋：一個扇區(qū)從一般65度水平波瓣變成更窄波瓣，功率譜密度增加，邊緣信號增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)更好深度覆蓋。

新技術(shù)更大隔離：通過巴特勒矩陣，實(shí)現(xiàn)了多個波束間的信號的幅度和相位調(diào)制，隔離度夠好，波束間重疊覆蓋小，從而保證了波束間的干擾可控。

多扇區(qū)更多小區(qū)：由于波束間具備了更好的隔離度，可以同頻組網(wǎng)，同時(shí)在每個波束上可以開啟多個載波小區(qū)（例如TDD-D1/D1/D3），可以實(shí)現(xiàn)更大容量，理論上單D頻段五波束天線可以支持單天線15個載波小區(qū)開啟。

施工快更低成本：在不新增站點(diǎn)情況下，利舊現(xiàn)有站址資源，更換多波束天線，可以實(shí)現(xiàn)快速、低成本擴(kuò)容。

1.2 基于CRAN技術(shù)的超密組網(wǎng)方案

1.2.1 CRAN技術(shù)

隨著站點(diǎn)密度逐步增加，新站型帶來的立體組網(wǎng)越來越難，傳統(tǒng)大區(qū)域分層的無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式弊端明顯：基站數(shù)量快速增加，標(biāo)準(zhǔn)站址的獲取越來越困難；大量小站、拉遠(yuǎn)站需要靈活接入網(wǎng)絡(luò)，對管道、光纜纖芯資源消耗大，接入效率低；核心地帶站間距縮小，重疊覆蓋度急劇上升；底層網(wǎng)與宏站覆蓋帶來的干擾逐漸增加，容易導(dǎo)致覆蓋好速率差；基站基帶資源獨(dú)立劃分且分散使用，不能統(tǒng)籌調(diào)度，設(shè)備能耗大、基帶資源利用率低、擴(kuò)容投入大、頻率資源無法協(xié)同，CAPEX/OPEX逐年增加。

CRAN技術(shù)可以很好地解決上述問題。

CRAN組網(wǎng)方案在不同基站的小區(qū)之間建立業(yè)務(wù)協(xié)同關(guān)系，將基站內(nèi)部小區(qū)間的業(yè)務(wù)協(xié)同，擴(kuò)展到基站之間，從而擴(kuò)大了協(xié)同的范圍，提升網(wǎng)絡(luò)性能，改善用戶體驗(yàn)。

圖4 CRAN組網(wǎng)方案在不同基站的小區(qū)之間建立的業(yè)務(wù)協(xié)同關(guān)系

（1）“0”切換

高鐵場景或密集城區(qū)內(nèi)快速移動引起小區(qū)間頻繁切換，通過CRAN方案實(shí)現(xiàn)小區(qū)合并有效控制切換，降低掉話率。

（2）“0”干擾

密集城區(qū)站點(diǎn)過密引起嚴(yán)重的小區(qū)間干擾，小區(qū)邊緣用戶體驗(yàn)差，CRAN方案實(shí)現(xiàn)跨站小區(qū)間信號聯(lián)合接收和信號聯(lián)合功控調(diào)度，降低小區(qū)間干擾，提升小區(qū)邊緣用戶體驗(yàn)。

（3）CA Everywhere

站內(nèi)CA由于高低頻覆蓋半徑不同， 存在CA覆蓋盲區(qū)，CRAN方案實(shí)現(xiàn)站間聯(lián)合CA，補(bǔ)齊站內(nèi)載波聚合盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)CA無處不在的用戶體驗(yàn)。

1.2.2 CRAN超密組網(wǎng)方案及技術(shù)優(yōu)勢

圖5 CRAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：集中（Centralization）+協(xié)同（Coordination）

通過BBU集中放置，并在其間配置高速交換單元，開啟CRAN特性功能，支持小區(qū)間協(xié)同。

（1）基于BBU協(xié)作的站間SFN/ASFN

SFN（Single Frequency NetworK）主要應(yīng)用于室外覆蓋場景、室內(nèi)覆蓋場景、室內(nèi)和室外聯(lián)合覆蓋場景，也可以應(yīng)用于高速鐵路覆蓋場景?；驹硎菍⒍鄠€RRU合并為一個SFN小區(qū), 與合并前的非SFN小區(qū)相比，在SFN小區(qū)內(nèi)，各RRU之間的下行控制信道和PDSCH都沒有了干擾，反而可以通過下行聯(lián)合發(fā)送獲得一定的增益，同時(shí)提升了物理小區(qū)邊緣用戶的SINR。

（2）基于BBU協(xié)作的上行聯(lián)合接收（UL CoMP）

UL CoMP采用了多點(diǎn)聯(lián)合接收（JR：Joint Reception）方案，其基本原理為：利用相鄰小區(qū)的天線對某一個用戶的發(fā)送信號進(jìn)行聯(lián)合接收，獲得多天線的信號合并增益或干擾抑制增益。UL CoMP可以提升小區(qū)邊緣用戶上行吞吐率，也可以提升小區(qū)上行的平均吞吐率。對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶而言，UL CoMP使上行MCS升高，縮短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸時(shí)長；對語音業(yè)務(wù)用戶而言，UL CoMP使上行MCS升高，在極遠(yuǎn)點(diǎn)降低誤碼率，減小VoIP丟包率和時(shí)延，提升語音質(zhì)量，VoIP用戶滿意率提升。

（3）基于協(xié)調(diào)調(diào)度的功率控制（CSPC）

CSPC是一種在時(shí)域和頻域上對小區(qū)的發(fā)射功率進(jìn)行協(xié)調(diào)的特性，結(jié)合調(diào)度和功率控制技術(shù)用于降低小區(qū)間干擾。適用的場景是網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量上升后，PRB（Physical Resource BlocK）利用率較高且站間距較小的LTE網(wǎng)絡(luò)。CSPC特性開通后，基站根據(jù)接收到的小區(qū)功率配置結(jié)果對下行發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)整，每個小區(qū)將獲得本小區(qū)和鄰區(qū)在相同時(shí)頻資源上的發(fā)射功率配置，及時(shí)更新邊緣UE調(diào)度的MCS（Modulation and Coding Scheme），從而提升用戶的頻譜效率。

（4）基于BBU互聯(lián)的載波聚合（inter-site CA）

為了能夠在基站間實(shí)現(xiàn)載波聚合，需要運(yùn)用跨站載波聚合技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)資源利用率最大化；運(yùn)營商的離散頻譜資源（尤其是Refarming之后）可以得到充分利用，實(shí)現(xiàn)載波聚合無縫覆蓋，給用戶帶來更好的體驗(yàn)。

超密組網(wǎng)帶來的小區(qū)間干擾問題，利用CRAN技術(shù)的集中布放、干擾協(xié)調(diào)等特點(diǎn)可以解決，所以CARN技術(shù)是超密組網(wǎng)的一個應(yīng)用方案。

2 現(xiàn)網(wǎng)實(shí)踐

作者在江蘇省內(nèi)已經(jīng)開展相關(guān)研究與應(yīng)用，驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)方案落地后的效果。

2.1 多波束天線超密組網(wǎng)實(shí)踐

為驗(yàn)證多波束天線的大容量場景的使用效果，在江蘇省蘇州市、徐州市和鎮(zhèn)江市對體育活動、高校等場景進(jìn)行了驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的效果。

2.1.1 蘇州張家港馬拉松保障

（1）基本情況介紹

2017年張家港國際馬拉松賽起終點(diǎn)設(shè)在張家港世紀(jì)廣場，為保障起點(diǎn)處的用戶網(wǎng)絡(luò)感知，我們在游泳館基站（120.537，31.8801）試點(diǎn)了五波束天線。

（2）覆蓋性能測試結(jié)果

站點(diǎn)開通后，通過對道路、廣場測試，根據(jù)切換帶驗(yàn)證5波束天線覆蓋各波瓣方位角，增益效果。

圖6 增益效果

小結(jié)：

覆蓋：測試人民路及世紀(jì)廣場覆蓋較好，整體RSRP在-70至-98dbm。

SINR：整體SINR值在15至28，切換時(shí)降至10左右。

下載速率：整體下載速率在50-80Mbps，峰值可達(dá)100Mbps。

（3）旁瓣抑制效果驗(yàn)證

統(tǒng)計(jì)篩選條件：鄰區(qū)個數(shù)≥3，RSRP差值＜6db；

如圖7所示，標(biāo)紅的為重疊覆蓋區(qū)域，綠色區(qū)域?yàn)槠渌ò旮蓴_抑制效果較好。

（4）高話務(wù)場景保障效果驗(yàn)證

據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，本次張家港國際馬拉松賽涉及人員3-4萬人（其中1.2萬參賽），賽事期間FDD波束天線（分小區(qū)）對比TDD（TOP5）按時(shí)段流量、用戶數(shù)統(tǒng)計(jì)，從流量來看：FDD上行流量明顯高于TDD；下行承載相同用戶，F(xiàn)DD吸收流量也高于TDD，當(dāng)承載用戶數(shù)為100 左右時(shí)，F(xiàn)DD∶TDD（流量）=2∶1；當(dāng)承載用戶數(shù)≥200時(shí)，F(xiàn)DD∶TDD（流量）=3∶1左右。

賽事期間FDD（5波束）吸收流量205.52GB，占比30.59%，通信車吸收流量138.59GB，占比20.63%，現(xiàn)網(wǎng)TDD吸收流量327.78GB，占比48.79%?？梢奆DD五波束天線和通信車吸收了超過一半的業(yè)務(wù)量，同時(shí)5個FDD小區(qū)吸收的業(yè)務(wù)超過通信車的10個小區(qū)吸收的業(yè)務(wù)，整體吸收效果優(yōu)于通信車。

圖7 重疊覆蓋區(qū)域以及其它波瓣干擾抑制效果較好的區(qū)域

2.1.2 小結(jié)

上述案例說明，在大業(yè)務(wù)量場景下的超密組網(wǎng)，可以通過多波束天線的使用來實(shí)現(xiàn)，能夠保持小區(qū)間良好的隔離度，各個波束覆蓋和吸收業(yè)務(wù)情況良好。

2.2 CRAN超密組網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用

2.2.1 南京高校應(yīng)用

前期對南京進(jìn)行了CRAN整體規(guī)劃，目前主要完成部分高校區(qū)域的調(diào)整。第一批已完成20個區(qū)域，平均聚合8個物理站，MR重疊覆蓋度17%，干擾小區(qū)占比11%，經(jīng)過測試和統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證，該方案（見圖8）實(shí)現(xiàn)了容量提升。

圖8 某站點(diǎn)實(shí)施改造方案

（1）CRAN能實(shí)現(xiàn)站間載波聚合，提高客戶體驗(yàn)

在4G覆蓋較好的地點(diǎn)，站間載波聚合的下載速率平均增益能夠達(dá)到95%左右。

在4G覆蓋較差的地點(diǎn)，站間載波聚合的下載速率平均增益為83%左右。

圖9 站間下行載波聚合測試

開啟站間載波聚合后，比僅開啟站內(nèi)載波聚合時(shí)，用戶進(jìn)入載波聚合狀態(tài)的比例增加了20個百分點(diǎn)以上。

開啟站間載波聚合后，比僅開啟站內(nèi)載波聚合時(shí)，用戶的平均下載速率提升了2Mbps。

圖10 道路拉網(wǎng)測試對比

基于C-RAN的站間載波聚合的性能已接近于站內(nèi)載波聚合，支持D頻段內(nèi)及F+D頻段間的聚合。

站間載波聚合能力使用戶進(jìn)入載波聚合狀態(tài)的比例顯著增加，用戶速率提升。

（2）CRAN能實(shí)現(xiàn)站間干擾抑制，降低干擾

小區(qū)邊緣用戶平均下行速率由8.5Mbps提高到11.2Mbps，平均增益32%，最大增益達(dá)到207%。

用戶下行速率在5Mbps以上的采樣點(diǎn)明顯增多。

平均編碼調(diào)制等級（MCS）由9.7提高至11.5。

圖11 站間下行CoMP效果

圖12 關(guān)閉后邊緣用戶速率下降

小區(qū)上行邊緣用戶平均上行速率由254Kbps提高到402Kbps，平均增益59%，最大增益107%。用戶上行速率在1～5Mbps的采樣點(diǎn)明顯增多。小區(qū)上行吞吐率平均增益4.1%。

圖13 站間上行CoMP效果

圖14 開啟后邊緣用戶速率提升

2.2.2 小結(jié)

CRAN技術(shù)的部署，可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)間載波聚合，提高用戶體驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)間干擾協(xié)同，降低干擾，提高整體容量，有效應(yīng)對超密組網(wǎng)情況下小區(qū)間重疊覆蓋和同頻干擾。

3 結(jié)論

前5G時(shí)代，隨著4G網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，各種新興業(yè)務(wù)的發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)容量的要求越來越高，超密組網(wǎng)是運(yùn)營商必須采取的措施之一;而應(yīng)對由此帶來的站址難選、成本高企以及重疊覆蓋、站間干擾，應(yīng)用多波束天線和CRAN技術(shù)可以有效解決上述難題。這兩種方案可以用于應(yīng)對高校、高端CBD、演唱會、體育賽事、廣場等超高話務(wù)和大型活動場景。江蘇移動在此方面做了一些研究和應(yīng)用，希望能夠?qū)π袠I(yè)發(fā)展提供一定的探索價(jià)值。