基于实际城区场景的TD-LTE异构网络性能研究*

祝炜凯 ，赵竹岩 ，康剑锋 ，谈振辉

（1.北京交通大学宽带无线移动通信研究所 北京100044；2.诺基亚西门子通信技术（北京）有限公司 北京 100007）

1 引言

在移动互联网高速发展的今天，多种多样的网络应用带来了飞速的数据流量增长。到2014年，移动数据流量将会以每年一倍的速度增长[1]；研究表明移动数据流量中70%～80% 是由室内用户产生[2]。而下一代通信系统LTE（long term evolution，长期演进技术）使用的高频段（2 GHz及以上），使得无线信号传输损耗大，穿透能力弱，直接导致室内信号质量较差。传统的改善信号覆盖质量的做法是增加宏基站的覆盖密度，然而在密集城区布置新的宏基站成本和难度很大，需要考虑其他方法来改善网络性能。

研究表明，利用现有Macro eNode B（宏基站）对小区内的中低速率用户进行覆盖，在热点地区新布置功率和覆盖范围更小的基站组成异构网络，能有效改善网络性能[3]。小功率的基站包括布置在室外的Micro eNode B（微基站）和布置在室内的Femto eNode B（家庭基站）。本文研究密集城区环境下TD-LTE网络采用单一宏小区网络组网和异构网络组网的网络性能。研究的TD-LTE网络部署场景分别为：单一宏小区网络；宏小区/微小区异构网络；宏小区/家庭基站小区异构网络；宏小区/微小区/家庭基站小区异构网络。研究中根据实际3G宏小区网络建立TD-LTE参考网络，即采用实际网络中的基站位置、天线高度、方向、下倾角等参数，并通过该地区的三维地图计算用户在楼层中的分布和信号传播损耗。

2 研究方法和系统模型

[4]定义了一系列异构网络仿真场景和模型，本文在此基础上进一步研究，考虑了三维用户分布、三维传播路径模型等参考文献[4]中忽略的方面。具体阐述如下。

2.1 三维用户分布

用户分布为三维空间非均匀分布（如图1用户三维分布示意），用户分布在地面和不同高度的建筑物内。假设用户落入三维坐标（x,y,Floor）的概率密度与该点的参考网络宏小区吞吐量统计值成正比。(x,y)为平面二维坐标，分辨率为10 m×10 m；Floor为楼层号。仿真中认为室内用户占整个小区内用户总数的70%，参考网络同一宏小区覆盖范围内各楼层室内用户等概率分布。室内外用户分布概率计算式如式（1）、式（2）所示。其中 αTPeNodeB(m)是参考网络下(x,y)所处宏小区m的统计吞吐量占参考网络统计吞吐量的比例，Floor(x,y)是二维坐标(x,y)处最大楼层数，M是宏小区m内室内二维平面点的个数，N是宏小区m内室外二维平面点的个数。

2.2 三维传播损耗模型

本文采用三维传播损耗模型，考虑了eNode B天线的三维空间增益（包括水平增益和垂直增益）、eNode B和UE天线高度、eNode B天线下倾角等三维空间因素。其中，由于经验损耗模型中接收机天线高度限定在10 m以下，而高层用户高度远大于10 m，因此需要修正经验损耗模型。定义高度增益，非地面用户（接收机天线高度大于1.5 m）可利用地面用户（接收机天线高1.5 m）经验路径损耗公式计算结果与高度增益相加，得到修正的路径损耗值。利用三维射线追踪（3D ray-tracing）仿真工具[5]研究参考网络内室内平面坐标不同高度上路径损耗值之间的关系，经过大量样本的平均可以得到高度增益如图2所示。当用户位于1.5～48 m时，路径损耗随楼层高度的增加以0.14 dB/m减少；当用户位于48～79 m时，路径损耗随楼层高度增加而停止减少，并反以0.058 dB/m增加。由于79 m以上样本值过少，为了模型准确性，79 m以上高度增益采用79 m处的值，可以发现高度增益为非正值，说明地面用户路径损耗相对较大；高度增益在48 m处出现极小值，而该参考网络中eNode B的天线高度平均值为45 m左右 （因此该高度路径损耗均值应为最小）。

2.3 系统模型

TD-LTE系统级仿真的物理层模型如参考文献[6]所述，仿真中没有直接考虑快速分组调度、链路自适应、混合自动重传和用户分级等影响小尺度衰落的因素，而是将这些因素包含在SINR（信干噪比）/吞吐量映射曲线（通过其他链路级仿真器得到）中。用户按照下行链路最大导频信道SINR原则选择接入宏小区、微小区或者家庭基站小区。采用优化中断率的资源分配算法，即每个小区内按UE的下行SINR从大到小的优先级为每个用户分配能满足系统设定速率的资源块数量，若资源块数量还有剩余，则将剩余资源块全部分配给SINR最高的用户；若高优先级用户用尽所有资源块，则低优先级UE吞吐量为0。其他仿真参数见表1。

表1 仿真参数

2.4 异构组网原则

中断率，即一定区域内用户下行吞吐量小于系统设定吞吐量的用户数占该区域内所有用户数的百分比。本文以中断率作为关键性能指标。当整个网络中断率高于中断率设定值（如5%）时，按照中断率由大到小的优先级对网络中的热点地区布置一定数量带内微小区或带外家庭基站小区，与原有宏小区网络组成异构网络，直到网络中断率达到设定要求或按约束条件无法继续布置新的小区为止。具体部署算法见参考文献[5]。

3 仿真结果与分析

参考网络为以国内某城市现有3G宏小区网络为基础升级的TD-LTE网络，每个宏小区基站认为已经升级为三扇区TD-LTE基站，基站位置、天线高度、下倾角等信息采用原有网络配置。为了避免边界效应，只研究中心区域内的33个TD-LTE宏小区基站站址，即99个扇区的覆盖区域，平均站间距为330 m，其他宏基站作为干扰基站。在中心区域按照2.1节描述的用户密度函数播撒2 280个用户（平均每个宏小区有22个用户）。本文研究了4种场景下网络的性能，其中场景1为参考网络 （宏小区网络），场景2、3、4为在场景1的宏小区网络基站上，按照2.4节异构组网原则组成新的异构网络，场景2、3、4的异构形式分别为宏小区/微小区、宏小区/家庭基站小区、宏小区/微小区/家庭基站小区。

表2是4种场景仿真结果，图3是4种场景用户下行吞吐量累积分布曲线。图3拐点纵坐标对应中断率，拐点横坐标对应设定速率1 024 kbit/s。由表2和图3可知，场景1单一宏小区网络中断率高达20%；场景2与场景1相比，新增200个微小区（平均每个宏小区2个微小区）满足了5.0%的中断率要求，网络吞吐量也增加了2.85倍；场景3在所有满足约束条件的位置布置了共4 206个家庭基站小区（平均每个宏小区42个家庭基站小区），虽然使得网络吞吐量与场景1相比增加了7.1倍，但中断率（7.7%）仍然不能满足要求，与场景2相比家庭基站小区覆盖效率极低；场景4与场景1相比，通过100个微小区和1 000个家庭基站小区达到了5.0%的中断率 （平均每个宏小区1个微小区，10个家庭基站小区），并使得网络吞吐量增加4.3倍。

表2 4种场景仿真结果

图4～图7是4种场景不同高度上UE连接小区分布和UE中断率随高度的分布，从不同楼层（每层楼高3.1 m）上分析网络的中断率及其分布情况。不同线条的柱状图代表不同类型小区。特定高度上网络中断率等于该高度上不同小区中断率之和。各高度上的用户数量是不同的，高度越高，用户数量越少。

图4表明场景1下单一宏小区各高度中断率都在5%以上，30层以下网络中断率在10%～50%，35～44层的用户中断率在30%以上。

图5表明场景2下，微小区分流了各个高度上至少25%的用户；15层以上区间，分流能力可达45%以上。在中断率分布方面，与场景1相比，30层以下小区中断率全部降至3%～18%，引入的微小区中断率较低不超过5%；而30层以上区间，中断率有增有减（0～100%），对中断率改善效果明显不如30层以下。

图6表明场景3下，家庭基站小区对网络用户的分流能力主要集中在30层以上的楼层，在35层以上楼层分流能力超过85%，分流能力超过场景2中的微小区；对30层以下的分流用户能力在25%～40%，分流能力不如场景2中微小区。中断率分布方面，30层以下的中断率在4%至37%之间，不如场景2的微小区；30层以上的中断率全部为0，效果明显好于场景2网络。

图7表明场景4下，35层以上楼层区间，UE几乎全部连接至家庭基站或微小区，以家庭基站小区分流为主（65%～100%）；30层及以下各楼层，多数用户连接至宏小区（43%～73%），其次是微小区（20%～40%），家庭基站小区最多只能分流20%用户。中断率分布方面，30层以下的中断率分布为3%～18%，接近场景2性能，好于场景3性能。30层以上的中断率全部为0，与场景3性能相同，远好于场景2性能。

总而言之，宏小区的覆盖范围最广，能吸收最多的用户数，但由于在实际部署中宏小区离用户较远，并且受宏小区密度的限制，不能为热点小区用户提供足够的网络容量，同时由于天线下倾角设置等原因，不能为高层用户提供很好的覆盖。微小区优势在于30层以下网络高质量的覆盖能力，能分流较多用户并有效降低网络中断率；和宏基站相比，微基站可以部署在离用户所在楼层更近的地方，因此可以提供更好的楼内覆盖，并且更好吸收楼内用户产生的数据流量。家庭基站小区优势在于提高网络容量和30层以上网络的覆盖能力，分流大量30层以上用户并解决该楼层区间网络中断率问题；和宏基站、微基站相比，家庭基站小区可以布置在室内，服务用户的信号质量高，但是由于发射功率很小，按最大SINR原则决定的覆盖范围小，因此在30层以下宏（微）小区信号质量较好，分流能力不如宏（微）小区。宏小区/微小区/家庭基站小区异构方式能发挥两种低功率小区各自的优势，降低各个高度上网络中断率和网络总体中断率，提升网络的覆盖能力，增加网络的容量。

4 结束语

本文对密集城区场景进行了三维建模，对4种场景不同高度网络性能进行了详细研究，得到不同异构方式网络性能以及微小区和家庭基站小区的特性。根据实际需求，灵活选择不同的异构组网方式，发挥微小区和家庭基站小区各自在低层/高层网络的优势，可以达到更好的覆盖和容量性能。

参考文献

1 Cisco VNI Forecast.Cisco Visual Networking Index:Global Mobile Data Traffic Forecast Update 2010-2015.Cisco Public Information,February 1,2011

2 Zhen Liu,Sorensen T,Wigard J.A site-specific study of inbuildingwirelesssolutions.ProceedingsofIEEE Vehicular Technology Conference,Ottawa,Canada,2010

3 Kimmo Hiltunen.Comparison of different network densification alternatives from the LTE downlink performance point of view.Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference,San Francisco,United States,Sep 2011

4 3GPP TR 36.814.Further Advancements for E-UTRA,Physical Layer Aspects version 1.5.1,December 2009

5 Colleti C.Mogensen P,Irmer R.Deployment of LTE in-band relay and micro base station in a realistic metropolitan scenario.Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference,San Francisco,United States,Sep 2011

6 Zhao ZhuYan,Wang Jian,Guan Hao,et al.TD-LTE network deployment evolution in a metropolitan scenario.Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference,San Francisco,United States,Sep 2011