陸 璐 錢國寶

1.中國移動通信集團江蘇有限公司鹽城分公司；2.揚州大學

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，用戶對手機信號的強弱、上網(wǎng)速率、時延感知越來越敏感。用戶的主要活動范圍在室內(nèi)，大部分流量是在室內(nèi)環(huán)境中產(chǎn)生，室內(nèi)的覆蓋問題一直以來都是運營商亟待解決的問題，這主要是因為室分不同于宏站，其覆蓋范圍小、針對性強，一次性投資經(jīng)常難以滿足用戶的需求。本研究介紹了一種雙流+錯層覆蓋的低成本、高性能的室分覆蓋解決方案，利用上下樓層間的信號同時給用戶提供服務(wù)，從而降低一半的單層投資成本。而在用戶感知上，由于上下樓層可以同時提供服務(wù)，其上網(wǎng)速率、時延感知可以得到較大提升。

1 研究背景

無線通信的室分覆蓋建設(shè)模式已經(jīng)在大量的文獻中得到研究，其作為室分場景的解決方案是一個主要的研究分支。大部分研究使室分的性能方面得到了提高，但對于低成本室分系統(tǒng)的研究相對較少，且缺少對建設(shè)成本方面的考量。

當前，5G室分部署方式主要有三種方案：（1）傳統(tǒng)室分雙路方案；（2）傳統(tǒng)單路室分錯層MIMO方案（MIMO，Multiple Input Multiple Output，多入多出技術(shù)，一種多天線解決方案，可以實現(xiàn)空分復(fù)用的能力，從而提高空口傳輸能力）；（3）新型室分方案。其中，新型室分方案和傳統(tǒng)室分雙路方案的雙流效果較好，一般可實現(xiàn)Rank2及以上占比達到90%以上（Rank，即秩，在5G系統(tǒng)中對應(yīng)空分復(fù)用層數(shù)，即可能采用的下行傳輸流數(shù)）。傳統(tǒng)單路室分錯層MIMO方案的雙流效果較差，受現(xiàn)場環(huán)境影響較大，Rank2占比一般在0%到60%之間。

在此背景下，本研究在確保5G用戶感知的前提下，開展5G傳統(tǒng)雙流室分場景下實現(xiàn)Rank4占比提升研究工作，提高下行至四流傳輸，提高用戶的5G網(wǎng)絡(luò)感知和5G網(wǎng)絡(luò)滿意度，從而找到一個低成本、高效益的室分覆蓋建設(shè)解決方案。

2 數(shù)據(jù)描述

本研究所用數(shù)據(jù)源分別來自設(shè)計院、網(wǎng)管中心OMC、現(xiàn)場測試輸出軟件Probe。

如圖1所示，室分設(shè)計圖紙為某設(shè)計院應(yīng)中國移動要求對目標室分進行覆蓋建設(shè)的設(shè)計圖紙，并通過相關(guān)的審計。從設(shè)計圖紙中我們可以得到目標室分覆蓋的走線分布、設(shè)備安裝位置等信息。通過這些信息可以獲知可能的優(yōu)化提升空間，從而提出針對性的優(yōu)化解決方案。

網(wǎng)管中心，主要提供實際覆蓋小區(qū)的邏輯數(shù)據(jù)和用于方案評估的KPI指標數(shù)據(jù)，邏輯數(shù)據(jù)有小區(qū)CGI（Cell Global Identity，小區(qū)全球標識）、RRU（Remote Radio Unit，射頻拉遠單元）、射頻通道、小區(qū)功率等。KPI（Key Performance Indicator，關(guān)鍵性能指標）指標數(shù)據(jù)有接通率、掉線率、切換成功率、RANK2以上占比等。

現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，主要提供現(xiàn)場測試的RSRP（Reference Signal Receiver Power，參考信號接收功率）、SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號與干擾加噪聲比）、RANK等指標數(shù)據(jù)。用于目標方案的前后驗證，以確認目標方案的影響，評估目標方案的可行性。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 基本原理

傳統(tǒng)室分系統(tǒng)的部署方式一般為單流部署，其天饋系統(tǒng)無法滿足多流的部署要求。在5G上，主要通過傳統(tǒng)室分錯層部署的方式，啟動雙流，但性能較室外宏站或者新型室分明顯低了很多，主要原因是物理條件限制導(dǎo)致其在SU-MIMO模式下，用戶依然無法超過2流的數(shù)據(jù)限制。為了降低部署要求，并實現(xiàn)大于2流的傳輸目標，采用平層雙流+錯層覆蓋的方式，使得上下層間可以形成大于2流的傳輸條件，構(gòu)成4流傳輸條件。并通過MU-MIMO使得各個RRU之間構(gòu)成空分條件，從而實現(xiàn)小區(qū)吞吐能力的成倍提升。

MIMO（Multiple Input Multiple Output）是一種成倍提升系統(tǒng)頻譜效率的技術(shù)，它泛指在發(fā)送端和接收端采用多根天線，并輔助一定的信號處理技術(shù)來完成通信。MIMO提升系統(tǒng)頻譜效率的能力和天線數(shù)目強相關(guān)。5G宏站使用大規(guī)模天線陣技術(shù)來提升空分能力，室分場景只能通過提升通道數(shù)來實現(xiàn)。

MIMO通過綜合使用信號處理技術(shù)可以獲得接收分集、波束賦形、空間復(fù)用等增益，提升系統(tǒng)容量，提升頻譜效率。上行接收分集原理如圖2所示。

圖2 上行接收分集原理圖

UE發(fā)送的信號x經(jīng)過不同的信道到達gNodeB的M根天線r1-rM，gNodeB對各路接收信號分別乘以權(quán)值wi，然后對各天線上的信號進行合并，得到信號y。合并后的信號可以表示為：y=W（Hx+N）。其中，W=（w1……wM）為各天線的接收權(quán)值組成的1*M維的向量；H=（h1……h(huán)M）T為M*1空間信道矩陣。hi為信道系數(shù)，上標T表示轉(zhuǎn)置運算。信號經(jīng)歷信道后幅度和相位都會發(fā)生變化，信號乘以信道系數(shù)得到經(jīng)歷信道后的信號；N=（n1……nM）T為各天線接收到的噪聲組成的M*1維的向量；x：發(fā)送信號。下行波束賦形是指gNodeB側(cè)發(fā)射信號經(jīng)過加權(quán)后，形成帶有方向性的窄波束。

加權(quán)原理如圖3所示，待傳輸?shù)男盘?，在不同的天線邏輯端口用不同的權(quán)值（w1……wM）進行加權(quán)，實現(xiàn)信號幅度和相位的改變。多天線發(fā)射，輸出的信號疊加后呈現(xiàn)出一定的方向性，指向UE。天線越多，波束越窄，也可以更靈活的控制波束的方向。

圖3 加權(quán)示意圖

圖3中權(quán)值（w1……wM）需要根據(jù)下行信道情況計算得到，用于改變波束寬度和方向。

計算權(quán)值有兩種不同的方法：通過SRS（Sounding Reference Signal）計算權(quán)值的過程，權(quán)值簡稱為SRS權(quán)；通過PMI（Precoding Matrix Indication）計算權(quán)值的過程，權(quán)值簡稱為PMI權(quán)。

對于TDD低頻小區(qū)，天線數(shù)為4T4R及以上時，gNodeB支持下行SRS權(quán)與PMI權(quán)自適應(yīng)功能，即自適應(yīng)地選擇采用SRS權(quán)或PMI權(quán)，使權(quán)值可以更準確地反映業(yè)務(wù)信道的質(zhì)量，可以提升邊緣用戶的下行用戶吞吐率；天線數(shù)為4T4R以下時，固定采用PMI權(quán)，不支持SRS權(quán)。

通過顯著增加收發(fā)天線，獲得更高的陣列、分集、波束賦形增益，提升小區(qū)覆蓋，從而可以提升用戶上行平均吞吐率和用戶下行平均吞吐率。

3.2 方案設(shè)計

方案分析流程如圖4所示。

圖4 方案設(shè)計流程圖

該方案依賴于傳統(tǒng)室分，目的是將傳統(tǒng)室分的能力提高到和室外宏站相當?shù)乃俾仕健Ｒ蕾囉趶S家的硬件特性，需要實現(xiàn)RRU雙拼功能。目前，華為廠家21A版本可以實現(xiàn)2個RRU雙拼（此時，不支持小區(qū)合并），如圖5所示。

圖5 雙拼方案示意圖

具體方案如下：

（1）選取試點目標

選取寶龍廣場南側(cè)進行方案試點。該小區(qū)的設(shè)計圖，如圖6所示。

圖6 寶龍廣場室內(nèi)分布設(shè)計圖

（2）試點條件核定

寶龍廣場南側(cè)區(qū)域經(jīng)現(xiàn)場測試核實為1個小區(qū)，小區(qū)名：鹽城-亭湖-寶龍城市廣場購物中心C區(qū)傳統(tǒng)室分-H5M-2661，小區(qū)下掛8臺RRU（初步判斷為每層2臺RRU，分別覆蓋B區(qū)、C區(qū)南部）。

（3）改造方案

C區(qū) 東 南：1F和3F雙 拼 為Sector0，2F和4F雙 拼 為Sector1；

C區(qū) 西 南：1F和3F雙 拼 為Sector2，2F和4F雙 拼 為Sector3；

C區(qū)東南和西南共計涉及4個雙拼扇區(qū)，最后將4個雙拼扇區(qū)合并到1個小區(qū)。

3.3 方案部署

站型要求：3900&5900系列基站，其中3900系列基站要求BBU為BBU3910。DBS3900&5900 LampSite基 站，其 中DBS3900 LampSite基站要求BBU為BBU3910。

單板要求：UBBPg。射頻要求：RRU5150-D。

小區(qū)要求：兩個RRU支持的頻率范圍和收發(fā)天線數(shù)相同。支持兩個同型號的2R RRU拼成4R的SUL小區(qū)。支持兩個同型號的2T2R RRU或兩個同型號的2T4R RRU拼成4T4R的小區(qū)；支持兩個同型號的4T4R RRU拼成8T8R的FDD P天線小區(qū)。

兩個RRU的CPRI光纖長度差不能超過2km。兩個RRU的CPRI光纖只支持連接到同一個制式的基帶板。兩個RRU只能采用星型或級聯(lián)組網(wǎng)。對于級聯(lián)組網(wǎng)，總的拉遠距離不超過20km。

軟件要求：V100R017C00SPC150或以上版本。

本方案選取寶龍廣場C區(qū)東南，僅實施1F2F方案試點（目的是驗證方案的可行性和增益）。

為了避免原有小區(qū)影響，新創(chuàng)建一個小區(qū)，作為試點小區(qū)，規(guī)劃數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 寶龍廣場C區(qū)小區(qū)規(guī)劃數(shù)據(jù)

改造涉及到MO數(shù)據(jù)的刪除與添加。數(shù)據(jù)配置過程主要是去激活源小區(qū)，然后對TRP數(shù)據(jù)進行改造，添加新小區(qū)數(shù)據(jù)，最后將TRP和新小區(qū)綁定并激活。

4 結(jié)果

對上述的部署方案進行效果評估，從網(wǎng)管性能指標及現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)兩個方面考量。其中，網(wǎng)管性能指標是站在網(wǎng)絡(luò)側(cè)角度進行方案有效性評估，而現(xiàn)場測試則是站在用戶的角度對方案的實際感知能力做性能評估。由網(wǎng)絡(luò)側(cè)、用戶側(cè)的雙重評估結(jié)果來綜合評判方案的性能。

4.1 網(wǎng)管指標

如表2所示，由于改造區(qū)域只涉及改造前小區(qū)的四分之一，其流量存在明顯收縮，但其業(yè)務(wù)量明顯大于改造前的四分之一。也就是說流量相較改造前無明顯波動。改造后無線接通率、無線掉線率、切換成功率整體指標平穩(wěn)，變化不大。

表2 改造前后指標變化

如圖7所示，小區(qū)改造前只有Rank1、Rank2占比，無Rank3、Rank4占比，即無3流及以上空分。改造后，Rank3占比高達47.88%，Rank4占比也占到20.53%，3流及以上空分復(fù)用明顯。

圖7 改造前后Rank變化

4.2 測試指標

現(xiàn)場采用客戶感知體驗系統(tǒng)（感知App）和SpeedTest5g兩款測試軟件進行CQT測試。

如表3所示，傳統(tǒng)雙流室分場景下，在5個點位進行測試，結(jié)果顯示傳統(tǒng)室分場景在感知App軟件測試平均下載速率688.35 Mbps，平均上傳速率80.36Mbps；SpeedTest5g軟件測試平均下載速率717.20 Mbps，平均上傳速率90.21 Mbps。

表3 改造前上傳、下載速率遍歷測試數(shù)據(jù)

如表4所示，傳統(tǒng)雙流室分+錯層MIMO場景下，在同樣5個點位進行測試，感知App軟件測試平均下載速率927.03Mbps，平均上傳速率83.60Mbps；SpeedTest5g軟件測試平均下載速率1092.95 Mbps，平均上傳速率94.18Mbps。

表4 改造后上傳、下載速率遍歷測試數(shù)據(jù)

如表5所示，對比純傳統(tǒng)雙流室分和傳統(tǒng)室分+錯層MIMO方案，后者在下行方向增益明顯，感知App軟件測試增益高達34.67%，SpeedTest5g軟件測試增益高達52.39%；上行增益相對較小，但兩款軟件測試均有小幅抬升約4%。

表5 改造前后上傳、下載速率平均變化

Index感知App SpeedTest5g上傳 下載 上傳 下載增益 4.03% 34.67% 4.40% 52.39%

5G傳統(tǒng)雙流室分+錯層MIMO覆蓋方案可以實現(xiàn)傳統(tǒng)室分下行4流，下載速率至少提升30%以上，可以大幅提升小區(qū)的下行感知能力，增強用戶對網(wǎng)絡(luò)的感知。通過本次下行四流MIMO方案研究，有效指引5G傳統(tǒng)室分的后期建設(shè)，在保證用戶感知的前提下，實現(xiàn)降本增效的目標。

5 結(jié)束語

本研究提出了一種雙流+錯層覆蓋的室分覆蓋解決方案。為了更好地降低網(wǎng)絡(luò)成本，通過調(diào)整室分的無源分布系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，以及小區(qū)和RRU的綁定關(guān)系，實現(xiàn)了一種低成本、高性能的解決方案，對中低容量需求的室分場景信號覆蓋提供了數(shù)據(jù)支撐和有價值參考。