ＩＭＴ－Ａｄｖａｎｃｅｄ家庭基站部署關(guān)鍵技術(shù)

李　劍　劉　揚　段　軍　梁學(xué)俊

[摘要]文章針對家庭基站的特點，結(jié)合IMT-Advanced的需求，對實現(xiàn)家庭基站部署的關(guān)鍵技術(shù)——自配置和自優(yōu)化及其實現(xiàn)進(jìn)行了研究和探討，并對關(guān)鍵性能進(jìn)行了評估和分析。

[關(guān)鍵詞]IMT-Advanced家庭基站自配置自優(yōu)化載波聚合

1引言

隨著3G網(wǎng)絡(luò)的部署在國內(nèi)迅速展開，中國的無線通信正快步邁入一個新的時代。而無線通信網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)也逐漸由傳統(tǒng)的以單一語音為主的模式，向語音數(shù)據(jù)混合，再向數(shù)據(jù)逐漸占據(jù)主要位置的方向發(fā)展?，F(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)部署初期以數(shù)據(jù)卡為主要接入方式就很好地說明了這一趨勢。

為了進(jìn)一步提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的容量，為承載日益豐富的業(yè)務(wù)做好準(zhǔn)備，ITU-R在2007年開始針對第四代移動通信系統(tǒng)(也稱為IMT-Advanced)進(jìn)行技術(shù)征集。此前已經(jīng)啟動的WiMAX(802.16m)和LTE被認(rèn)為是最有競爭力的兩個候選技術(shù)。隨著ITU-R對IMT-Advanced需求的明確，802.16m對原有的方案進(jìn)行了增強，而LTE也在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上推出了LTE-Advanced，準(zhǔn)備參與ITU-R的征集活動。

在這兩個技術(shù)中，除了對系統(tǒng)性能的提高外，新的網(wǎng)絡(luò)部署方案也是討論和研究的重點，比如家庭基站(Home Base Station H-BS)和中繼技術(shù)。有研究表明，今后可能有50％的話音業(yè)務(wù)以及超過70％的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在室內(nèi)使用，室內(nèi)覆蓋就成為提升用戶體驗質(zhì)量(QoE)的關(guān)鍵之一。與傳統(tǒng)的室內(nèi)覆蓋技術(shù)(如Pico cell、直放站以及室內(nèi)分布式天線系統(tǒng))相比，H-BS除了能提供室內(nèi)覆蓋以外，還可以實現(xiàn)一種面向用戶的個性化、差異化的服務(wù)提供方式。對運營商而言，H-BS的部署在一定程度上由用戶完成，還有利于節(jié)約CAPEX和OPEX。

然而，用戶畢竟不是專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)維護人員，在H-BS部署過程中能完成的工作非常有限，比如提供電源?？紤]到H-BS部署的數(shù)量可能比較大，以及用戶行為的不確定性對于家庭基站的影響，運營商不可能像部署宏小區(qū)網(wǎng)絡(luò)一樣，通過事先的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，避免網(wǎng)絡(luò)運行過程中產(chǎn)生諸如小區(qū)間干擾這一類的問題。因此，能否解決好H-BS部署及運行、維護過程中產(chǎn)生的問題，將決定這一技術(shù)是否能真正成為下一代無線通信系統(tǒng)室內(nèi)覆蓋的主要解決方案。

本文將對解決H-BS部署問題的自配置和自優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行討論，并對旨在有效控制H-BS間干擾的H-BS載波管理技術(shù)進(jìn)行評估和分析。

2家庭基站的自配置和自優(yōu)化

隨著無線通信技術(shù)使用的普及和不斷進(jìn)步，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署的復(fù)雜性也不斷提高。比如，基站的選址以及基站配置參數(shù)的設(shè)置。在網(wǎng)絡(luò)部署完成，開始正常運行后。還需要針對新的突發(fā)情況進(jìn)行及時調(diào)整，比如網(wǎng)絡(luò)故障、網(wǎng)絡(luò)流量分布的變化等。這在很大程度上提高了運營商的OPEX。自配置和自優(yōu)化(Self-Configuration ＆ Self-Optimization)技術(shù)的提出就成為解決這一問題的關(guān)鍵，將網(wǎng)絡(luò)部署和運行、維護過程中人為參與的程度降到最低，賦予網(wǎng)絡(luò)自行完成網(wǎng)絡(luò)部署初始配置以及運行過程中的性能優(yōu)化和故障處理的能力，對于H-BS而言，這一點尤為重要。因為運營商對于H-BS的控制能力已經(jīng)被弱化，而由不具備專業(yè)知識的普通用戶參與H-BS的部署和運行、維護，這就需要家庭基站具備必要的自配置和自優(yōu)化能力。

2.1自配置和自優(yōu)化

在NGMN中，自配置和自優(yōu)化技術(shù)又被稱為自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(SON Self-Organizing Networks)，無論是LTE還是WiMAX都將自配置和自優(yōu)化作為一項重要技術(shù)特征。以LTE為例，LTE增強的Release 9版本中，對現(xiàn)有LTE定義的SON功能進(jìn)行了進(jìn)一步擴充，可以預(yù)見的是在LTE-Advanced中，這些功能還可能被進(jìn)一步增強。主要包括：

(1)物理小區(qū)標(biāo)識自動配置

物理小區(qū)標(biāo)識是無線網(wǎng)絡(luò)配置的一個基本參數(shù)，用于區(qū)別不同小區(qū)的無線信號，然而可用的物理小區(qū)標(biāo)識的數(shù)量是有限的，因而必然出現(xiàn)物理小區(qū)標(biāo)識重用的情況。在一個新基站部署過程中，需要通過物理小區(qū)標(biāo)識自動配置能力，為基站控制的每個小區(qū)分配一個物理小區(qū)標(biāo)識。確保在相關(guān)小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，沒有相同的物理小區(qū)標(biāo)識，且鄰居小區(qū)采用的物理小區(qū)標(biāo)識各不相同。

(2)自動鄰居關(guān)系配置

在無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，如：新基站加入／拆除或者基站故障無法工作等，基站需要能自動維護與周圍基站間的鄰居關(guān)系，這對于小區(qū)間切換、負(fù)載均衡、干擾協(xié)調(diào)等有重要意義。

(3)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)

由于無線資源的有限性，尤其是頻率資源，在小區(qū)間必然需要對無線資源進(jìn)行重用。當(dāng)鄰近小區(qū)采用的無線資源相同時，就會產(chǎn)生小區(qū)間干擾。小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)就是對鄰近小區(qū)使用的無線資源進(jìn)行協(xié)調(diào)，盡量避免在同一時段內(nèi)鄰近小區(qū)使用相同的頻率資源，或者是在干擾可以接受的情況下，允許鄰近小區(qū)使用相同的頻率資源。

(4)覆蓋和容量優(yōu)化

在網(wǎng)絡(luò)運行過程中需要對覆蓋和容量進(jìn)行優(yōu)化，包括網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的檢測和修復(fù)、小區(qū)邊緣覆蓋質(zhì)量的優(yōu)化，以及通過調(diào)整接納控制門限等參數(shù)，減少干擾，提升系統(tǒng)容量。

(5)節(jié)能及干擾減少

綠色環(huán)保是未來無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一個重要特征，節(jié)能則是其中一項重要指標(biāo)。在基站控制的小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)如果沒有終端需要服務(wù)，可以考慮暫時關(guān)閉基站，除了節(jié)能，這還能減少不必要的小區(qū)間干擾，關(guān)鍵在于相關(guān)基站在需要的時候能及時切換到工作狀態(tài)。

(6)移動魯棒性增強

對處于激活狀態(tài)的終端，小區(qū)間切換是評價系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中需要手動設(shè)置、調(diào)整切換參數(shù)。而通過自配置和自優(yōu)化功能，基站可以調(diào)整相關(guān)的無線資源管理參數(shù)，提高切換的成功率，避免不必要的切換。而對處于空閑狀態(tài)的終端而言，選取合理的小區(qū)和重選參數(shù)同樣可以減少系統(tǒng)開銷。

(7)移動負(fù)載均衡

移動通信網(wǎng)絡(luò)中，流量負(fù)載的分布會隨時間的推移發(fā)生改變，為了提高資源利用率，避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，可以通過調(diào)整小區(qū)間切換參數(shù)或小區(qū)重選參數(shù)，將小區(qū)負(fù)載轉(zhuǎn)移到鄰近小區(qū)中。這需要鄰近小區(qū)間能及時互通負(fù)載信息。

2.2家庭基站SON的特點

(1)H-BS與宏基站的差異

針對部署場景的特點，H-BS與宏基站(Macro Base Station M-BS)有著明顯的差異性：

◆覆蓋類型：M-BS主要針對室外覆蓋，而H-BS主要針對室內(nèi)覆蓋：

◆覆蓋范圍：M-BS需要覆蓋的范圍可以從幾百米到幾公里，而H-BS只需要覆蓋幾米到幾十米即可；

◆服務(wù)用戶數(shù)：H-BS服務(wù)的用戶數(shù)遠(yuǎn)小于M-BS服務(wù)的用戶數(shù)；

◆可用性：M-BS需要維持長期穩(wěn)定的運行，H-BS可能頻繁開關(guān)：

◆網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃：M-BS的部署通常可以由運營商事先通過

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃來完成諸如選址一類的工作，但H-BS則無法實施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

◆網(wǎng)絡(luò)運行維護：M-BS主要由運營商進(jìn)行日常的運行維護，H-BS則通常主要由不具備專業(yè)知識和技能的用戶來完成。

(2)H-BS需具備的SON能力

通過這些對比不難發(fā)現(xiàn)，在某些方面H-BS對于SON的要求高于M-BS，而某些方面則不需要像M-BS那么復(fù)雜。為了實現(xiàn)用戶即插即用，H-BS需要具備的SON能力主要包括：

◆配置管理

由于H-BS需要提供的是電信級的服務(wù)。因此在H-BS啟動后，需要能自動向運營商網(wǎng)絡(luò)發(fā)起認(rèn)證、注冊等安全性相關(guān)的過程，并能從網(wǎng)絡(luò)獲取必要的配置參數(shù)。

在成功接入網(wǎng)絡(luò)并取得相關(guān)配置參數(shù)后，H-BS還需要能根據(jù)對周圍無線環(huán)境的感知，選取和調(diào)整相關(guān)參數(shù)，如：工作頻率，物理小區(qū)標(biāo)識等，在確保能正常工作的前提下，避免小區(qū)間干擾。

◆性能管理

在工作過程中，H-BS需要根據(jù)對周圍無線環(huán)境的檢測以及關(guān)鍵性能指標(biāo)的監(jiān)測結(jié)果，對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行及時調(diào)整，提高和改善容量和覆蓋，減少小區(qū)間干擾。

◆故障處理

出現(xiàn)故障時，H-BS需要根據(jù)自身能力盡量從故障中恢復(fù)，比如恢復(fù)初始配置。在無法恢復(fù)的情況下，需要以報警的方式提示用戶，并停止運行，避免對周圍小區(qū)造成不必要的干擾。

3家庭基站載波管理技術(shù)

從前面的分析可以看到，在對H-BS的自配置和自優(yōu)化要求中，減少和避免小區(qū)間干擾是確保H-BS正常工作和提高性能的關(guān)鍵。由于用戶行為的不確定性，無法預(yù)測用戶什么時候打開H-BS，什么時候關(guān)掉H-BS以及將H-BS擺放在什么位置，因此H-BS的部署無法事先進(jìn)行的規(guī)劃。這也導(dǎo)致了H-BS在部署過程中可能由于配置不當(dāng)而產(chǎn)生較為嚴(yán)重的小區(qū)間干擾，這在很大程度上會影響用戶的體驗質(zhì)量。尤其在人口居住密度較大的地區(qū)，H-BS部署的密度會比較大，這一問題尤為明顯。

對于IMT-Advanced系統(tǒng)而言，需要支持高達(dá)100MHz的頻率帶寬。考慮到H-BS需要服務(wù)的用戶數(shù)遠(yuǎn)小于M-BS且H-BS具有一定的用戶依賴性，不同用戶對于終端和帶寬的需求是不同的，因此H-BS對于頻率資源的需求有別于M-BS，且不同H-BS對于頻率資源的需求也是有差異的。結(jié)合針對IMT-Advanced提出的載波聚合技術(shù)，下面將對H-BS可能的載波管理方案進(jìn)行討論。

3.1家庭基站載波管理方案

(1)固定分配(Fixed Assignment)

這是一種最簡單和直接的方案，即H-BS的廠家可以根據(jù)運營商的對頻率資源的規(guī)劃，在產(chǎn)生H-BS的過程中就將H-BS的工作頻點和帶寬固定，或者在H-BS啟動后可以從網(wǎng)絡(luò)下載相關(guān)配置參數(shù)，一旦設(shè)定就不再更改。

(2)載波隨機選擇(Random Carrier Selection)

H-BS可以在運營商指定的頻率資源范圍內(nèi)，可能是一個載波集合，根據(jù)自身的帶寬需求，隨機部分載波構(gòu)成自己的載波聚合。在工作過程中，還可以根據(jù)需要，對載波聚合進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整仍然采用隨機選擇的方式來完成，而無須其他輔助信息。

(3)自動載波管理(Autonomous Carrier Management)

H-BS可以針對自身的頻率帶寬需求，利用自配置過程中從網(wǎng)絡(luò)獲取的可用頻率資源配置信息，根據(jù)載波聚合的原則，將運營商提供的頻率資源劃分為多個載波。通過對每個載波的干擾測量結(jié)果，選擇干擾最小的載波(一個或多個)構(gòu)成自己的載波聚合。不同H-BS對可用頻率資源的劃分可能不同，載波聚合需要的頻率帶寬資源也可能不同。載波聚合的調(diào)整可以是周期性的。也可以根據(jù)實際需要，以事件驅(qū)動的方式來觸發(fā)。

3-2性能評估

為了便于比較上述不同方案的性能，論文采用系統(tǒng)級評估的方法，對典型應(yīng)用場景下，三種方案的性能進(jìn)行了評估。

根據(jù)ITU-R和3GPP對于IMT-Advanced技術(shù)的評估方法和要求，室內(nèi)H-BS部署場景如圖1所示。室外M-BS部署場景采用19站點57小區(qū)場景，宏小區(qū)站點間距離為500m。主要系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。采用文獻(xiàn)。中簇(Ciuster)的概念分別對三種不同的簇密度進(jìn)行了評估，即每個簇中包括2個、5個和10個H-BS的三種情況。

3.3結(jié)果及討論

假設(shè)M-BS需要的頻率資源為80MHz，而H-BS需要的頻率資源為20MHz。假設(shè)每個載波帶寬為10MHz，那么M-BS需要8個載波，H-BS需要2個載波。假設(shè)H-BS的可用頻率資源為80MHz，分別對兩種不同的頻率配置方式進(jìn)行評估，即獨立信道模式(Independent Channel)，H-BS可用的頻率資源與M-BS正交和共信道模式(Co—channel)，H-BS可用的頻率資源與M-BS相同。對下行鏈路評估結(jié)果進(jìn)行討論，限于篇幅，僅給出密度為10個H-BS每簇的結(jié)果，如圖2所示

(1)獨立信道模式

鄰居H-BS之間的干擾對系統(tǒng)性能有明顯影響，隨著H-BS部署密度的增加，系統(tǒng)性能明顯下降。

如圖2所示，即便在H-BS較高的時候，與固定分配相比，采用更靈活的載波管理方案可改善系統(tǒng)性能。其中。隨機載波選擇方案可以獲得約5dB的增益。而自動載波管理方案則可以獲得約10dB的增益。在部署密度較低的時候。采用靈活的載波管理方案還能獲得更高的性能增益。

(2)共信道模式

來自M-BS的干擾對H-BS的性能有著非常明顯的影響，以至于采用靈活的載波管理方案帶來的增益不像獨立信道模式那樣明顯。

但即便是在受到M-BS強烈干擾的情況下，與固定分配方案相比，采用自動載波管理仍然可以獲得2dB～8dB的性能增益。

從對評估結(jié)果的分析中不難發(fā)現(xiàn)，采用靈活的載波管理方案有助于改善H-BS的系統(tǒng)性能。對于M-BS網(wǎng)絡(luò)而言，在采用共信道模式時，H-BS的部署同樣會對其性能產(chǎn)生影響。一方面需要在M-BS網(wǎng)絡(luò)中利用干擾協(xié)調(diào)技術(shù)來改善性能。另一方面，也可以在H-BS網(wǎng)絡(luò)中引入其它的干擾協(xié)調(diào)解決方案，這與本文提出的靈活的載波管理方案并不沖突。

除此以外，在有富余頻率資源的情況下，還可以考慮采用部分共信道，M-BS與H-BS共用部分頻率資源，甚至是獨立信道模式，這將有助于改善M-BS和H-BS的系統(tǒng)性能，當(dāng)然這要根據(jù)運營商的頻率資源使用策略而定。

4結(jié)束語

作為下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋的重要解決方案，家庭基站已經(jīng)成為各大主流技術(shù)支持的一種重要網(wǎng)絡(luò)部署方式。有別于傳統(tǒng)宏基站，家庭基站的部署主要由用戶完成，因此，自配置和自優(yōu)化就成為家庭基站必備的能力。其中，為了解決好家庭基站部署過程產(chǎn)生的基站間干擾，采用靈活的載波管理技術(shù)可以在一定程度上改善系統(tǒng)性能。