LTE異構網(wǎng)絡技術研究

陳曉冬，吳錦蓮，王慶揚

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

1 引言

在移動寬帶業(yè)務爆發(fā)性增長、頻率和站址資源有限的背景下，采用異構方式搭建移動網(wǎng)絡是疏導熱點數(shù)據(jù)流量的有效方式。異構網(wǎng)(HetNet)將成為移動網(wǎng)絡的長期發(fā)展趨勢。但是異構網(wǎng)的引入也將帶來復雜的同頻干擾、移動性管理以及QoS等問題。

異構網(wǎng)從廣義而言，是指綜合多種無線接入網(wǎng)技術、組網(wǎng)架構、傳輸方式及各種發(fā)射功率的基站類型。如包括在移動網(wǎng)絡中增加Wi-Fi熱點。異構網(wǎng)從狹義而言，專指在宏基站覆蓋下增加同一制式的低功率節(jié)點，如微小區(qū)（micro cell）、射頻拉遠（RRH）、微微小區(qū)（pico cell）、家庭基站（HeNB）、中繼節(jié)點（relay node）等。

在LTE階段，網(wǎng)絡技術的發(fā)展使得異構組網(wǎng)成為可能。首先，LTE在時域和頻域兩個維度分配資源，具有更靈活的無線資源調(diào)度方式，同頻組網(wǎng)情況下更容易實現(xiàn)信號干擾協(xié)調(diào)；其次，下一代移動核心網(wǎng)的標準和設備可支持多種制式的無線接入技術，可實現(xiàn)對異構網(wǎng)的統(tǒng)一控制。

3GPP從R10開始進行LTE異構網(wǎng)相關技術研究和標準制定，主要包括干擾協(xié)調(diào)增強 （eICIC）、協(xié)作多點傳輸（CoMP）、移動性增強、網(wǎng)管等。

2 LTE異構網(wǎng)

2.1 網(wǎng)絡架構

按照3GPP定義，LTE異構網(wǎng)是指在宏小區(qū)覆蓋下布放低功率節(jié)點（LPN）的組網(wǎng)方式，如圖1所示，各種低功率節(jié)點主要特征見表1。

2.2 面臨的主要問題

異構組網(wǎng)可以帶來網(wǎng)絡容量的提升、網(wǎng)絡部署更加靈活等一些顯而易見的好處，但相對于單一宏站組成的同構網(wǎng)，異構網(wǎng)會面臨一些自身特有的問題，主要包括以下幾點。

（1）來自閉合用戶群（CSG）HeNB 的干擾

HeNB是異構網(wǎng)的重要組成部分，出于商業(yè)模式考慮，部分HeNB可能需要設置為CSG模式，即只允許特定用戶接入。普通公眾用戶靠近這些CSG HeNB時，由于無法正常接入會帶來額外的干擾問題。

表1 低功率節(jié)點主要特征

（2）網(wǎng)絡負荷的不均衡

異構網(wǎng)中的Pico基站應用于公共場合，用于吸收熱點話務，其發(fā)射功率遠遠小于宏基站，R8/R9傳統(tǒng)的基于參考信號強度（RSRP）的服務小區(qū)選擇機制，將導致宏小區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi)的Pico基站覆蓋范圍極其有限，無法實現(xiàn)有效的負荷分擔。

（3）高速移動用戶進/出低功率節(jié)點對性能的影響

由于低功率節(jié)點的引入，使得不同類型基站間的切換場景更加復雜，小區(qū)覆蓋范圍越小則用戶在小區(qū)內(nèi)駐留的時間越短，尤其是高速移動用戶，切換更加頻繁、切換失敗率更高，如圖2所示。

（4）回傳

隨著異構網(wǎng)站點數(shù)量的增加，對回傳（backhaul）數(shù)量的需求將會大量增加，受成本制約，海量的小功率節(jié)點只能因地制宜，利用銅纜、光纖、微波等各種各樣的寬帶接入鏈路作為回傳，回傳鏈路在帶寬、時延等方面的差異不僅影響站點的服務性能，且會影響異構網(wǎng)元節(jié)點之間的協(xié)同工作。

3 關鍵技術

為了解決上述提到的技術問題，提高異構組網(wǎng)場景下的頻譜利用率及邊界用戶性能，3GPP從LTE-A開始對一些關鍵技術進行增強，包括小區(qū)覆蓋范圍擴展、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、協(xié)作多點傳輸及移動性增強等。

3.1 覆蓋范圍擴展

為了讓Pico等低功率節(jié)點更好地吸收話務，3GPP引入了覆蓋范圍擴展（cell range extension，CRE）的概念，即通過在服務小區(qū)選擇門限中增加偏移量的方式，擴展低功率節(jié)點的服務范圍。

在CRE機制中，服務小區(qū)的選擇條件如下：

服務小區(qū)=arg maxi∈Λ(RSRPi+Biasi)

其中RSRP表示小區(qū)參考信號強度，Bias表示服務小區(qū)選擇門限偏移量，兩者單位為dB，Λ表示檢測到的小區(qū)集合，i表示集合中某小區(qū)編號。

通過對低功率節(jié)點設置較高的偏移值，從而擴展低功率節(jié)點的服務范圍，目前CRE主要用于Pico覆蓋范圍的擴展。同時，由于終端的發(fā)射功率是一樣的，接入Pico時上行鏈路損耗明顯小于接入宏基站的上行鏈路損耗，CRE可同時提升用戶上行鏈路質量。

CRE在擴展低功率節(jié)點覆蓋范圍的同時，會使得低功率節(jié)點覆蓋邊緣受到的宏基站下行干擾更為嚴重，所以必須考慮更有效的干擾抑制和協(xié)調(diào)技術。

3.2 eICIC

除CRE機制增加同頻干擾外，HetNet組網(wǎng)還會面臨CSG HeNB引起的干擾問題，主要干擾場景如下（見圖3[1]）：

（1）宏基站用戶靠近但無法接入CSG HeNB，受到HeNB下行干擾；

（2）宏基站用戶靠近但無法接入CSG HeNB，對HeNB上行產(chǎn)生干擾；

（3）HeNB用戶靠近但無法接入 CSG HeNB2，受到HeNB2下行干擾；

（4）采用CRE技術的Pico基站用戶，受到宏基站的下行干擾。

3GPP R8/R9典型ICIC技術在HetNet組網(wǎng)中有一定局限性。

·R8/R9中基于X2接口信息交互的ICIC技術，僅在頻率域針對無線承載（RB）進行協(xié)調(diào)與調(diào)度，無法解決同步信道、公共信道、控制信道的干擾問題。

·R8/R9中軟頻率復用技術，由于低功率節(jié)點分布具有不確定因素且數(shù)目較多，將使得軟頻率復用效率大大降低。

為此3GPP R1O/R11引入了ICIC增強（eICIC）技術，包括時域eICIC、頻域eICIC和功率域eICIC。

時域eICIC：在宏基站或低功率節(jié)點中預留部分保護時隙，用于發(fā)射準空子幀，從而減少干擾，準空子幀主要指ABS（almost blank subframe），而 R8/R9中定義的 MBSFN sub-frame也可以作為準空子幀使用。其中ABS僅傳送公共參考信號（CRS）；而MBSFN sub-frame僅在第一個符號傳送控制信息和公共參考信號。準空子幀的位置采用半靜態(tài)配置的方式，可通過X2接口在宏基站與低功率節(jié)點之間傳遞配置信息。時域eICIC技術是目前ICIC增強技術的研究重點和熱點。

頻域eICIC：主要包括跨載波調(diào)度和躲避載波（escape carrier）?？巛d波調(diào)度是指通過將載波分為兩個子集來解決下行控制信號的干擾問題，其中子集1用于數(shù)據(jù)和控制信號的傳輸，子集2主要用于數(shù)據(jù)傳輸以及低功率控制信號傳輸。以f1和f2兩載波系統(tǒng)為例：宏基站小區(qū)邊緣，將f1作為子集1；而相應的Pico小區(qū)邊緣，將f2作為子集1，從而有效地降低控制信號的干擾。

躲避載波方案主要用于宏基站與存在CSG的HeNB的干擾場景，宏基站能夠使用所有的載波，HeNB僅能使用其中的某些載波。以兩載波為例，載波規(guī)避方案中，宏基站可以使用所有的兩個載波f1和f2，而HeNB僅能使用其中一個載波f2。因此f1載波中不存在HeNB同頻干擾，宏基站可以將靠近HeNB的宏小區(qū)用戶分配到f1載波中。躲避載波技術可以與HeNB的載波選擇技術DCS（dynamic carrier selection）相結合，以減輕HeNB間干擾。

功率域eICIC：此方案主要用于宏基站與存在CSG的HeNB的干擾場景。HeNB智能功率設置為其中的代表方案，HeNB智能功能設置技術中，HeNB根據(jù)對宏基站下行功率測量結果對發(fā)射功率進行調(diào)整，從而減少對宏基站的干擾，此功率調(diào)整過程是開環(huán)過程，無需空口信令交互。功率調(diào)整算法如下。

其中Pmax和Pmin分別表示HeNB最大和最小發(fā)射功率（單位為dBm），CRS為最強同頻宏基站下行參考信號強度測量值（單位為dBm/RE），是 H eNB下行RB數(shù)是每個RB的子載波數(shù)，參數(shù)α是用于調(diào)整HeNB功率控制曲線的斜率，參數(shù)β是用于調(diào)整HeNB的功率控制曲線的截距，如圖4所示。

為了進一步提高低功率節(jié)點的分流能力，進一步降低ABS方案中存在的通用參考信號（CRS）、同步信道、廣播信道等干擾對LTE異構網(wǎng)性能的影響，3GPP R11提出了多種進一步增強技術，主要包括：

·CRS干擾消除技術，如基于被干擾UE接收機的CRS干擾抵消技術和受干擾子幀打孔/速率匹配技術，以及基于被干擾eNode B發(fā)射機的CRS干擾位置數(shù)據(jù)靜默技術；

·網(wǎng)絡輔助的小區(qū)檢測和干擾消除技術，如在切換過程中，源小區(qū)通過高層信令提前將目標小區(qū)檢測所需的一些基礎信息，如小區(qū)物理標識、循環(huán)前綴類型、無線幀結構、天線端口數(shù)等發(fā)送給用戶終端，從而提高用戶切換的可靠性；

·子幀偏移技術，對干擾小區(qū)和服務小區(qū)進行一定子幀位置的偏移，從而避免兩者在同步信道上的干擾。

3.3 協(xié)作多點傳輸

協(xié)作多點傳輸（CoMP）技術是在多個協(xié)作節(jié)點（基站）之間通過共享數(shù)據(jù)、信道狀態(tài)信息（CSI）、調(diào)度信息、預編碼矩陣索引（PMI）等進行協(xié)作處理，以提高小區(qū)邊緣用戶的性能。根據(jù)是否共享數(shù)據(jù)信息，CoMP技術可以分為兩類：多點聯(lián)合處理（JP）和多點協(xié)調(diào)調(diào)度/波束成形（CSCB）[2]。

·多點聯(lián)合處理：多個協(xié)作節(jié)點之間通過共享數(shù)據(jù)、調(diào)度信息等，聯(lián)合為目標用戶提供服務。根據(jù)數(shù)據(jù)信息是否同時由多個傳輸節(jié)點進行傳送，又可將此類技術分為聯(lián)合傳輸技術和動態(tài)節(jié)點選擇技術，由服務小區(qū)按需選擇。

·多點協(xié)調(diào)調(diào)度／波束成形技術：UE測量信道特征，確定PMI和CQI并將該信息上報給基站，基站根據(jù)每個用戶反饋的PMI和CQI進行協(xié)作調(diào)度，為用戶分配合適的時頻資源，并結合波束成形進一步減少干擾。

仿真結果表明，使用CoMP技術可以明顯改善用戶尤其是邊緣用戶吞吐量，如宏站與Pico采用多點聯(lián)合處理對上行信號進行聯(lián)合解碼，可以使80%覆蓋概率下的用戶吞吐量從10 Mbit/s左右上升到20 Mbit/s左右[3]。

CoMP的實現(xiàn)需要網(wǎng)元間緊密協(xié)調(diào)，如采用聯(lián)合傳輸時，由多個協(xié)作節(jié)點同時向用戶提供PDSCH數(shù)據(jù)傳輸，信號之間的時延必須滿足LTE系統(tǒng)的CP要求才能被接收機正確接收，節(jié)點間必須保持同步；另外為滿足HARQ的嚴格時序要求，節(jié)點須具備低時延的回傳鏈路。在HetNet場景下，各種低功率節(jié)點回傳鏈路質量參差不齊，對CoMP的實現(xiàn)是一個挑戰(zhàn)。目前CoMP適用于使用光纖連接的RRH節(jié)點，對于使用其他傳輸，且需要進行eNode B間協(xié)調(diào)的異構網(wǎng)場景，CoMP的適用性有待進一步研究。

3.4 移動性增強

仿真結果表明，異構網(wǎng)組會影響移動性能，根據(jù)3GPP研究結果[4]，異構網(wǎng)切換失敗率較宏基同構網(wǎng)增加近一倍（從2.4%增加到4.6%），且異構網(wǎng)用戶切換更加頻繁，短時間駐留的發(fā)生概率從14.2%增加到16.9%。

為提升異構網(wǎng)移動性能，需考慮垂直切換的性能優(yōu)化、家庭基站移動性管理問題，主要目標包括以下方面。

·保持用戶在不同小區(qū)間移動時業(yè)務覆蓋的連續(xù)性，支持宏站與低功率節(jié)點間的切換，支持低功率節(jié)點之間的切換。

·保證切換時延、切換成功率等指標，盡量減少不必要的切換。

·具有較好的小區(qū)選擇策略，用戶在信號重疊區(qū)應能選擇最好的小區(qū)接入，該小區(qū)除了信號滿足要求、允許用戶接入、帶寬滿足業(yè)務要求等基本條件外，還要兼顧網(wǎng)絡整體效率。

目前宏站與Pico、RRH等低功率節(jié)點間的切換功能已基本具備，宏站與HeNB間的切換功能正在完善。性能優(yōu)化方面主要考慮小區(qū)選擇策略、HetNet場景下的切換失敗優(yōu)化、基于UE移動速度的優(yōu)化、CSG HeNB的切換等議題。

·小區(qū)選擇策略：增強終端對低功率節(jié)點的發(fā)現(xiàn)/辨別機制，尤其是異頻部署場景，需采取特別措施使UE在宏站信號良好的情況下，也可以優(yōu)先選擇異頻的低功率節(jié)點接入，以實現(xiàn)負荷分擔。同時盡量減少異頻測量對終端功耗及業(yè)務性能的影響。

·基于UE移動速度的優(yōu)化：主要避免高速移動的UE在經(jīng)過Pico時的頻繁切換，可以基于網(wǎng)絡/UE控制來減少非必要切換，如何準確估計UE的移動狀態(tài)是方案實現(xiàn)的難點。

另外，需考慮異構網(wǎng)相關增強技術對移動性能的影響，包括非連續(xù)接收（DRX）、CRE、eICIC等。非連續(xù)接收可能會影響空閑態(tài)小區(qū)重選的及時性；非連續(xù)發(fā)送可能會影響連接態(tài)切換的及時性,所以3GPP對DRX對異構網(wǎng)移動性能影響進行了仿真。后續(xù)將進一步研究CRE、ABS、eICIC等技術的應用對移動性能的影響。

4 組網(wǎng)相關問題探討

為充分利用不同網(wǎng)絡間的互補特性，協(xié)同是保證異構網(wǎng)組網(wǎng)性能的關鍵，尤其是資源分配的協(xié)同。因此異構組網(wǎng)需要考慮宏站與低功率節(jié)點間是同頻還是異頻組網(wǎng)，各網(wǎng)元節(jié)點間是否要有直接交互的接口，網(wǎng)元間是否需要同步等。

4.1 頻率

在傳統(tǒng)3G系統(tǒng)中，由于缺乏有效的干擾規(guī)避機制，一般建議宏站與Pico/Femto基站之間采用異頻組網(wǎng)，以減少網(wǎng)絡干擾。在LTE系統(tǒng)中，由于LTE在時域和頻域兩個維度分配資源，具有更靈活的無線資源調(diào)度方式，同頻組網(wǎng)情況下可以通過ICIC、CoMP等技術進行干擾協(xié)調(diào)。仿真結果表明宏站與Pico基站同頻組網(wǎng)具有更高的頻譜利用率。

對于中繼節(jié)點來說，如頻率資源充裕，接入鏈路與回傳鏈路之間采用不同的頻段，即帶外中繼可以獲得更好的性能。

對于CSG HeNB，與宏站之間的干擾協(xié)調(diào)非常困難，可優(yōu)先考慮異頻組網(wǎng)。另外將CSG HeNB設置為可以兼容公眾用戶且CSG用戶優(yōu)先的混合（hybrid）模式也是比較好的辦法。

4.2 同步

在傳統(tǒng)的LTE FDD同構網(wǎng)絡中，eNode B之間不需要時間同步，但在采用時域eICIC以及CoMP聯(lián)合傳輸時，發(fā)送節(jié)點之間在時間和頻率上都必須嚴格同步。這在RRH場景是比較容易實現(xiàn)的，但在分散部署的Pico場景，則需要額外增加GPS等同步方式。

4.3 接口

異構網(wǎng)的性能與節(jié)點間協(xié)同的松緊程度密切相關，節(jié)點間的協(xié)同越緊密，網(wǎng)絡整體性能越好[4]。而eICIC、CoMP以及SON等協(xié)同技術均要求在異構網(wǎng)節(jié)點之間可以進行信息交互，信息交互主要通過基站內(nèi)接口或X2接口實現(xiàn)。RRH間的協(xié)同性能是最好的，可以進行站內(nèi)協(xié)同，而Pico、HeNB、Relay的信息交互接口在逐步完善過程中，如R10開始支持Pico的X2接口，R11開始支持HeNB的X2接口。

4.4 回傳與節(jié)點選擇

具備高帶寬、低時延回傳鏈路（如點對點/WDM光纖）的場景，可以考慮部署RRH，應用CoMP、動態(tài)eICIC等技術實現(xiàn)與宏站之間的高度協(xié)同，提升網(wǎng)絡整體性能。對于其他如銅線、微波等質量較差的回傳鏈路，則考慮部署相對獨立的低功率節(jié)點，Pico等相對獨立的低功率節(jié)點也可以通過ICIC等技術實現(xiàn)簡單的干擾管理，并實現(xiàn)與宏站之間的切換。

總體而言，RRU與高性能回傳的組合可以獲得更好的網(wǎng)絡性能，Pico/HeNB與低性能回傳的組合卻能提高建網(wǎng)靈活性、降低建網(wǎng)成本，運營商需根據(jù)具體場景選擇性價比最佳的方案。

5 結束語

LTE在時域和頻域兩個維度分配資源，具有更靈活的無線資源調(diào)度方式，更容易實現(xiàn)ICIC、CoMP等干擾協(xié)調(diào)技術。另外，下一代移動核心網(wǎng)的標準和設備可支持多種制式的無線接入技術，可實現(xiàn)對異構網(wǎng)的統(tǒng)一控制，有利于異構組網(wǎng)的實現(xiàn)。隨著移動數(shù)據(jù)業(yè)務爆發(fā)性增長，頻率和站址資源越來越緊張，異構網(wǎng)將成為移動網(wǎng)絡的長期發(fā)展趨勢。但異構網(wǎng)的引入在帶來網(wǎng)絡容量提升的同時將帶來同頻干擾、移動性管理以及QoS等問題，需要進一步解決，其中干擾問題仍然是下一步研究的重點。

1 3GPP TR 36.814.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects(Release 9)

2 吳梅，黃帆，桑林等.協(xié)作式多點傳輸在LTE-A系統(tǒng)中的應用.移動通信，2010(10):43～47

3 Sara Landstrōm,Anders Furusk魦r,Klas Johansson,etal.Heterogeneous networks——increasing cellular capacity.Ericsson Review,2011(1)

4 3GPP TR 36.839.Mobility Enhancements in Heterogeneous Networks(Release 11),V0.5.0,2012