PHS站址资源在下一代移动网中的应用分析

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本文摘自《移动通信》2012年17期。作者：陆晓东

【摘要】文章分析了国内PHS站址资源现状，针对PHS退网后的站址资源使用问题，研究了在PHS站址上部署LTE小功率基站实现与宏基站混合组网的可行性，并对组网性能进行了仿真评估。仿真结果显示，基于PHS站址资源的LTE混合组网方式较传统宏基站组网方式有更好的性能增益。
　　【关键词】PHS站址 LTE LPN 混合组网 干扰协调
　　1 引言
　　PHS（Personal Handy—phone System，个人手持电话系统）俗称“小灵通”，曾经作为固定电话网络的延伸而获得大力发展。2006年国内PHS业务发展达到顶峰，用户规模达到1亿户，PHS基站规模约为160万个[1]。随着移动通信技术的演进和市场的发展，2009年工信部印发了《关于1900—1920MHz频段无线接入系统相关事宜的通知》，部署在2011年底前完成1900～1920MHz频段的清频工作；由于PHS的工作频段为1880～1930MHz，这就意味着PHS业务将退出中国市场。
　　PHS退网后如何合理利用规模庞大的PHS站址资源，不可避免地成为原PHS运营商面临的一个重要问题。如果可以将PHS站址资源用于下一代LTE移动通信网，不仅可以避免重复建设造成的资源浪费，实现现有资源的合理利用；而且可以解决未来LTE网络高带宽、高频段对基站小间距部署的布网要求。
　　2 PHS站址状况分析
　　经过几年的建设，中国电信与中国联通分别在南方与北方拥有一张覆盖较为完善的PHS网络，特别是在城市、发达乡镇等人口密集区域，PHS基站数量很多，城市的商业区、住宅区、道路以及郊区的城中村、厂房等重点区域基本实现了覆盖。
　　由于PHS基站功率小，基站高度低，一般需要布设比GSM或CDMA等移动通信基站更多的站点才能达到或接近移动网络的信号质量。对于中国电信南方各省，一个CDMA基站覆盖范围内往往布设有多个PHS基站，PHS站址与CDMA站址两者数量比例接近10：1，对于密集城区该比例数值还会更大。
　　此外，PHS网络规划以全向微蜂窝覆盖为主，根据部署区域不同，PHS基站站间距差异较大，一般在100米到1.5千米之间，城区站间距小于郊区与农村地区的站间距。
　　从站址条件来看，现有PHS基站绝大多数为室外型基站，没有机房，主要在建筑楼顶、路边电杆、灯杆等处架设基站。天面架设以抱杆与支架居多，天面承重不超过50kg。站址天面高度在10～30米之间，比GSM或CDMA基站要低。
　　3 利用PHS站址进行LTE组网
　　的可行性
　　PHS站址天面高度低，承重能力不强，不太适合部署传统的大功率宏基站设备；且PHS基站多采用220V市电，缺乏蓄电池、UPS等电源配套，容易因断电原因导致基站不工作。因此，依靠PHS站址部署LTE基站来解决周边较大范围覆盖需求的难度较大；而可以考虑在LTE宏基站覆盖区域内的若干PHS站址处部署小功率传输设备（LPN，Low Power Node，如微蜂窝、pico、RRH等），实现与宏基站混合组网，重点解决LTE宏基站覆盖区域内的弱覆盖及容量限制问题，见图1。
　　混合组网可以充分利用PHS站址特点与数量优势，但也会使网络结构变得复杂，增加网络规划与优化的难度。需要注意到混合组网带来的一些特有问题，如宏基站与LPN基站的同频或异频组网选择、LPN基站的部署位置与规模，以及LPN基站与宏基站间的干扰等，避免得不偿失。
　　3.1 LPN基站与宏基站的组网方式
　　混合组网采取异频组网方式，即宏基站与LPN基站分别配置不同频带和带宽，可以避免两者同频组网带来的相互干扰问题。但是异频组网也存在较大的缺陷，因为运营商带宽资源有限，将有限的带宽资源划分为多个频带分配给不同的基站，会减少单个UE可获得的带宽资源。
　　设定仿真条件：1个Macro小区下4个LPN小区，LPN在Macro小区内随机均匀部署，25个UE在Macro及LPN小区覆盖区域内均匀分布。通过图2所示仿真结果可以看到，同频组网方式（宏基站与LPN基站共同使用10M带宽）相对异频组网（宏基站与LPN基站分别使用5M带宽）性能更优，小区平均用户吞吐率增益与边缘用户吞吐率增益分别为宏基站单独组网时的373.5%与105.1%。
　　3.2 LPN基站的部署位置与规模
　　在选择PHS站址时，站址距离LTE宏基站的远近是一个重要的考量因素。当LPN基站部署位置距离宏基站越近，LPN基站小区边缘接收到的宏基站小区下行信号越强，意味着LPN基站小区覆盖半径越小，LPN基站对宏基站的话务分担能力越弱，引入LPN基站改善系统容量的效果也就越差。
　　设定仿真条件：LTE系统频段/带宽为2.6GHz/ 10MHz，每个宏基站小区内围绕小区中心均匀部署4个LPN基站，宏基站发射功率46dBm，LPN基站发射功率30dBm，每个宏基站覆盖区域内UE为60个，其中2/3的UE驻留LPN基站。
　　图3所示仿真结果显示，当LPN基站距离宏基站200米时，5%边缘用户吞吐率相对未采取混合组网时提升了51%，50%用户吞吐率相对未采取混合组网时提升了24.6%；而当LPN基站距离700米时，5%边缘用户吞吐率提升了822%，50%的平均用户吞吐率提升了912%，且用户驻留在LPN基站的比例从26.5%提升到64.5%。可见随着间距增大，LPN基站覆盖半径增大，对话务的吸收能力更强，用户性能也得到改善。
　　LPN基站的部署效果与LPN是否有效覆盖了热点区域也有很大关系。仿真结果显示，选择位于热点区域的PHS站址进行LPN基站部署，可带来更大的网络性能增益；而且宏基站区域内部署的LPN基站数量越多，带来的网络性能增益越大。但当LPN基站部署数量达到一定规模（本仿真场景设定为每宏基站覆盖区内部署10个LPN基站）后，针对热点进行覆盖的效果不明显。这一方面是由于LPN基站数量增加到一定规模后大部分UE基本驻留在LPN基站，另一方面是由于LPN基站数量增加导致小区间相互干扰影响了系统性能，如图4。

3.3 用户驻留与切换问题
　　考虑到用户的实际分布与站址的可用性，在布网时有时不可避免需要在靠近宏站区域部署LPN基站。在这种情况下，为了提高LPN基站的覆盖半径，提高话务分流的效果，可以修改用户的驻留与切换参数，让更多的UE驻留或及时切换到LPN基站。
　　修改用户的驻留与切换参数方式包括设置RE（Range Extension），以及调整切换关键参数如功率测量偏移量Qoffset等。RE为宏基站小区与LPN基站小区的驻留信号强度RSRP门限差值，设定为正值即UE接收到的宏基站RSRP高于LPN基站RSRP，此时UE选择驻留在LPN基站。从表1所示的仿真结果[2]看，RE设为0dB时，下行5%的边缘用户吞吐量是没有部署LPN时的1.5倍；而RE设为3dB时，该增益扩大为2.1倍。对上行性能的影响趋势也是如此。但随着LPN基站数量的增加，由于大量用户已经纳入LPN基站覆盖范围，RE带来的系统性能提升效果将减弱。
　　采用RE的缺陷是，LPN基站覆盖边缘的UE会受到宏基站下行干扰，导致下行SINR变差。因此在实际布网时，还需要根据用户分布、业务类型、LPN基站与宏基站的相对位置合理设置RE。
　　3.4 LPN基站与宏基站间的干扰问题
　　利用PHS站址部署LPN基站的另一个主要问题，是LPN基站与宏基站之间的小区间干扰。由于混合组网时LPN基站部署在宏基站的覆盖区域内，小区间干扰的影响比传统组网方式更大。为了降低LPN基站小区边缘用户的控制信道和业务信道干扰，在3GPP R10的标准化研究过程中，提出采取ABS（Almost Blank Subframe）的时域干扰消除方案，将宏基站的部分子帧配置为ABS子帧，在ABS子帧调度LPN基站的边缘用户。在3GPP R11阶段还增加了对混合组网场景下多点协作传输CoMP（Coordinated Multi—Point transmission）技术的研究。这些新技术的应用，可以较好地解决混合组网方式中存在的小区间干扰问题。
　　总体来说，通过合理的网络规划与参数配置，采取一定的干扰协调等技术手段，利用PHS站址资源实现LTE混合组网在技术上是可行的。当然在实际利用PHS站址建网中，还要解决好网络建设的其他关键问题，比如传输、基站配套（如电源）以及基站设备体积与重量对天面安装的要求等。
　　4 建议
　　利用PHS站址部署LTE LPN基站时，在部署位置上，应该尽可能选择热点区域的站址，以及离宏基站相对较远或宏基站弱覆盖区域的站址。
　　在部署数量上，需要综合考虑建站投资成本与加站效果，一般选择站点数量在6个以下。
　　在部署方式上，可以采取在PHS站址部署小基站或BBU+RRU的方式。PHS由于技术原因，基站与控制器间的传输主要采用ISDN的2B+D传输技术，无法满足LTE对传输带宽的需求。因此如果要利用PHS站址进行LTE基站部署，就需要为现有的PHS站址铺设光纤；如果距离2G/3G基站较近，也可以考虑将BBU部署在2G/3G基站，而采取RRU拉远部署在PHS站址的方式。
　　在站址选择与安装上，尽可能选择天面承重能力强的PHS站址。对于一些天面承重能力差或者对基站设备体积有限制的站址，如灯杆或墙面，应选择站型较小的LPN基站，或考虑未来的有源天线形态。
　　5 结束语
　　站址资源是移动运营商最宝贵的资源之一。PHS站址密度大、高度低、占地面积小，适合用于LPN基站与宏基站进行混合组网。仿真结果表明，通过合理的部署与参数配置，并结合干扰协调等技术，基于PHS站址资源的LTE混合组网方式较传统宏基站组网方式有更好的性能增益，如能在LTE网络建设中加以合理应用，不仅可以避免资源浪费，还能有效提高运营商的网络质量。
　　参考文献：
　　[1] 尚笑彬，樊磊，王洪海，等. 利用小灵通站址及室外系统提高3G覆盖的研究[A]. 中国通信学会青年工作委员会. 2009通信理论与技术新发展：第十四届全国青年通信学术会议论文集[C]. 北京： 电子工业出版社， 2009： 703—706.
　　[2] Nokia Siemens Networks， Nokia. Discussion of Pico Node Range Extension Benefits[R]. 3GPP TSG RAN WG1 #62—bis Meeting， Xi''an， China， October 11—15， 2010.