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    基于虛擬小區(qū)的分層異構(gòu)無線組網(wǎng)方案*

    2013-10-08 01:59:12彭木根
    電信科學(xué) 2013年1期
    關(guān)鍵詞:宏基蜂窩異構(gòu)

    李 玥,彭木根

    (北京郵電大學(xué)無線信號處理與網(wǎng)絡(luò)實驗室 北京100876)

    1 引言

    2009年12月,全球移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量首次超過話音呼叫的業(yè)務(wù)量,這是移動通信領(lǐng)域又一個重要的里程碑事件[1],而它的發(fā)生是蜂窩網(wǎng)絡(luò)有能力承載高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的必然趨勢。移動寬帶接入和無線智能終端的使用迎合了豐富的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求,也促使蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量爆炸式地增長。思科的研究報告顯示,移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的上升趨勢仍將持續(xù),實際上智能手機(jī)的保有量僅在2011年便幾乎增加了兩倍[2],這將使蜂窩網(wǎng)絡(luò)面臨巨大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量需求,而許多網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)擁擠不堪、供不應(yīng)求。

    由于移動業(yè)務(wù)需求的不斷增長,每一代蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)都將提升系統(tǒng)容量作為目標(biāo)。在我國,隨著TD-SCDMA/WCDMA/cdma2000等3G技術(shù)、ADSL/EPON/GPON等寬帶接入技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模商用,通信行業(yè)得到了前所未有的高速發(fā)展,呈現(xiàn)出一種用戶規(guī)模持續(xù)增長、移動化和寬帶化趨勢明顯的態(tài)勢。近年來,國內(nèi)三大運營商順應(yīng)國際3G路線演進(jìn)的大趨勢,積極促進(jìn)3G網(wǎng)絡(luò)向第三代移動通信系統(tǒng)長期演進(jìn)(LTE)發(fā)展。滿足快速增長的3G業(yè)務(wù)需求以及對于LTE系統(tǒng)技術(shù)的支持無疑是一種挑戰(zhàn),因為新型的移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要更加頻繁、高速和容量更大的無線傳輸。

    顯而易見,當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議規(guī)定下的LTE系統(tǒng)(LTE/LTE-Advanced)將不能適應(yīng)未來數(shù)據(jù)增長的需求。許多關(guān)于這方面技術(shù)增強的討論與工作已經(jīng)在第三代合作伙伴計劃(3GPP)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中逐漸開展[3],其中部分已提的解決方案涉及頻譜效率和頻帶擴(kuò)展等領(lǐng)域。而最為重要的則是使用分層異構(gòu)(宏小區(qū)和皮小區(qū)、小小區(qū)(small cell)重疊覆蓋)的網(wǎng)絡(luò)密集化部署方式,這也被認(rèn)定為滿足移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)長期飛速增長需求的主要解決方案。與此同時,3GPP 設(shè) 立了 LTE Small Cell Enhancement(LTE-SCE)標(biāo) 準(zhǔn)工作組,用以討論未來分層異構(gòu)的相關(guān)技術(shù)[4]。

    作為分層異構(gòu)技術(shù)的重要演進(jìn),近期業(yè)界提出一種基于虛擬小區(qū)(phantom cell)的小小區(qū)組網(wǎng)增強方案[5]。虛擬小區(qū)的實際意義在于既能滿足未來小小區(qū)設(shè)計的基本需求,又能兼顧設(shè)計實現(xiàn)的復(fù)雜度問題。此方案的一個設(shè)計原則是使用更高頻率(如3.5 GHz以及更高)的寬頻帶來提供大容量傳輸能力。與其他使用共信道方式部署的3GPP異構(gòu)小小區(qū)技術(shù)不同,該方案主要依靠空閑頻段和小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)進(jìn)行規(guī)劃和部署[6]。本文主要從現(xiàn)網(wǎng)的局限性、未來微基站的設(shè)計需求以及具體設(shè)計思路等方面,對基于虛擬小區(qū)的分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

    2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)問題和挑戰(zhàn)

    一直以來,運營商不斷采取新的可行方案來滿足移動業(yè)務(wù)的需求。在目前主流的網(wǎng)絡(luò)部署方案中,2G網(wǎng)絡(luò)主要為話音業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)覆蓋,在此之上疊加的3G和LTE網(wǎng)絡(luò)用來支持話音、數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)。此外,在特定熱點地區(qū),運營商Wi-Fi(operator Wi-Fi)也被作為蜂窩低移動性用戶業(yè)務(wù)的分流網(wǎng)絡(luò)。在當(dāng)前部署形式下,移動網(wǎng)絡(luò)主要包括宏蜂窩 (macrocell)、提供室外覆蓋的微蜂窩(microcell)/微微蜂窩(picocell)以及提供室內(nèi)覆蓋的家庭基站(femtocell)和分布式天線系統(tǒng)。盡管可以運用上述技術(shù),但由于以下幾個原因,支持移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長對于運營商而言仍是一個不小的挑戰(zhàn)。

    (1)頻譜

    當(dāng)前蜂窩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下的網(wǎng)絡(luò)均工作于700 MHz~2.6 GHz,而這個頻段已經(jīng)相當(dāng)擁擠,不僅由于蜂窩通信技術(shù),更廣的范圍包括商業(yè)、衛(wèi)星、政府以及其他通信應(yīng)用都競相爭奪這一頻段的資源。在許多情況下,蜂窩通信如果想繼續(xù)長期使用這段頻譜,唯一的辦法就是對某些頻段重新進(jìn)行發(fā)掘和規(guī)劃。但即使采取最優(yōu)方案,運營商在頻譜爭奪戰(zhàn)中也不可能獲得滿足長遠(yuǎn)需求的足夠大的帶寬。從以上情況來看,使用頻率更高的頻段或許是一條出路。

    (2)密集部署下對移動性的支持

    對于傳統(tǒng)基站而言,繼續(xù)縮小室外部署小區(qū)的半徑是不現(xiàn)實的,這主要是由于較高的切換率將導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量的下降和傳輸開銷的增加。傳統(tǒng)意義上的密集化部署僅指小小區(qū)對移動性較低的用戶提供服務(wù),例如femtocell或picocell。然而與此恰恰相反,未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的密集化部署需要擁有支持中等移動性甚至是高等移動性用戶業(yè)務(wù)的能力,從而使小小區(qū)的適用范圍得以擴(kuò)大。

    (3)低成本的密集化部署

    像小區(qū)規(guī)劃、配置、優(yōu)化及維護(hù)這些運維層面的工作,即使在傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中也十分繁瑣,難以處理,并且使運營商的運營成本有所增加,所以業(yè)界提出自組織網(wǎng)絡(luò)(SON)的概念,并預(yù)期通過對其進(jìn)行廣泛深入的研究尋找減輕運營商運維負(fù)擔(dān)的方法。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中部署了大量的小小區(qū)時,運維方面的壓力仍將急劇增長,因此增加網(wǎng)絡(luò)自主性的增強技術(shù)和方案在未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中將顯得不可或缺。

    (4)Wi-Fi的流量分擔(dān)作用

    Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)是一種能在密集熱點地區(qū)起到有效分流作用的運營商移動數(shù)據(jù)容量解決方案,但由于主要應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境,不能很好地滿足具有高峰時段特性(如火車、地鐵等場景)的移動業(yè)務(wù)。其次,Wi-Fi與蜂窩通信共享頻段,這將使系統(tǒng)容量受到限制,移動通信環(huán)境也變得無法被運營商所控制,而實際上如今的運營商Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)也正面臨著滿載的問題。因此,未來的小小區(qū)應(yīng)該有能力作為流量分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)。

    (5)用戶吞吐量的公平性

    對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)而言,小區(qū)邊緣用戶吞吐量是一個難以回避的問題,LTE系統(tǒng)也不例外。按比例講,宏蜂窩的邊緣區(qū)域相對比較大,邊緣用戶吞吐量的降低將嚴(yán)重影響整個小區(qū)的吞吐量水平[7]。3GPP將小小區(qū)納入網(wǎng)絡(luò)部署的討論范圍之中,尤其是在其與宏蜂窩共信道部署的場景中,小小區(qū)的存在增加了網(wǎng)絡(luò)中的傳輸機(jī)會,故有望使整個小區(qū)的傳輸速率得以提升[6]。然而共信道部署的解決方案仍有其局限性,網(wǎng)絡(luò)中小小區(qū)數(shù)量的增加將給宏蜂窩帶來非常嚴(yán)重的干擾問題,這對于站點密集化部署的地區(qū)來說并非十分實際的容量方案。

    3 基于虛擬小區(qū)的分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

    前文提到,未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)需要滿足一系列的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),如容量、對于移動性的支持、有效的流量分擔(dān)、頻譜分配、設(shè)計的靈活性和可操作性以及吞吐量的公平性。為了達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn),微基站的設(shè)計必須完全脫離傳統(tǒng)基站的體系架構(gòu),削減某些功能而將精力主要集中在為用戶提供服務(wù)上。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中許多懸而未解的難題都因提供無縫覆蓋及其信令要求而產(chǎn)生,因此如果將這些功能放置于其他網(wǎng)元中實現(xiàn),就會大大簡化未來微基站的設(shè)計。本節(jié)將介紹一種基于虛擬小區(qū)的分層異構(gòu)無線組網(wǎng)增強方案,它屬于3GPP R12的討論范疇,也是目前為業(yè)界所熱議的網(wǎng)絡(luò)場景增強候選方案之一。為了更加清晰地闡述該方案,首先對虛擬小區(qū)的概念進(jìn)行深入討論,隨后對具體設(shè)計細(xì)節(jié)逐一進(jìn)行詳細(xì)介紹。

    3.1 虛擬小區(qū)的概念

    虛擬小區(qū)的本意旨在承載用戶業(yè)務(wù),是一種與宏基站聯(lián)合運行的微基站,被部署在宏基站覆蓋范圍內(nèi),小區(qū)半徑為20~50 m。與傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)不同,虛擬小區(qū)缺少主/輔同步信號(PSS/SSS)、小區(qū)特定參考信號(CRS)、控制信息塊/系統(tǒng)信息塊(MIB/SIB)等小區(qū)特定的信號和信道。這種小區(qū)被稱作虛擬小區(qū)的原因是它對用戶設(shè)備(UE)的可見性依賴于宏蜂窩的信令控制,UE與虛擬小區(qū)之間的信道建立與釋放等無線資源控制(RRC)過程是在宏蜂窩的控制下完成的,所以宏小區(qū)和虛擬小區(qū)是主從關(guān)系,宏基站(MeNB)發(fā)出控制信令,虛擬小區(qū)基站(PhNB)僅為用戶業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)傳輸通路,它可以被稱作“宏蜂窩輔助”的微基站。這種結(jié)構(gòu)可以通過使控制平面(C-plane,C平面)和用戶平面(U-plane,U平面)分離來實現(xiàn),如圖1所示,UE和PhNB之間的無線接口僅保留用戶平面的功能,而控制平面則交由宏基站來實現(xiàn)和管理。C/U平面分離是使虛擬小區(qū)具有高度靈活性的核心技術(shù),這樣的設(shè)計架構(gòu)不僅易于實現(xiàn),還帶來最小的信令開銷,同時兼顧了實用性和靈活性。

    虛擬小區(qū)的概念為未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)帶來一般性的設(shè)計理念和思路,它的實現(xiàn)涉及多種相關(guān)技術(shù),包括頻帶擴(kuò)展、高密度網(wǎng)絡(luò)的基帶處理、小小區(qū)的發(fā)現(xiàn)、小區(qū)規(guī)劃、負(fù)載均衡、干擾管理和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、移動性支持以及進(jìn)一步的低成本設(shè)計,在后續(xù)章節(jié)中會陸續(xù)介紹。

    圖1 C/U平面分離的虛擬小區(qū)

    3.2 高頻段處的頻帶擴(kuò)展

    如前所述,為了令系統(tǒng)容量獲得顯著提升,移動通信網(wǎng)絡(luò)需要使用具有足夠帶寬的新頻段。經(jīng)過研究,業(yè)界認(rèn)為由國際電信聯(lián)盟無線電通信部門 (ITU-R)所管理的3.5 GHz及更高頻段是最佳的候選方案,目前3GPP R12/R13標(biāo)準(zhǔn)化工作正在圍繞著5 GHz頻段展開,而10 GHz也被作為未來通信系統(tǒng)演進(jìn)的目標(biāo)頻段[3]。由于無線電波傳播質(zhì)量相比2 GHz頻段有所下降,傳統(tǒng)的宏蜂窩并不適宜使用,但卻適用于擁有較低發(fā)射功率的小小區(qū)。近期一些研究也表明,這段頻譜能夠提供更高的系統(tǒng)容量[5]。

    在頻帶擴(kuò)展方面,希望獲得百兆數(shù)量級或更大的系統(tǒng)帶寬,因為這樣除了能夠獲得系統(tǒng)容量方面的收益,也能將干擾規(guī)劃方面的工作量降到最低。迄今為止,3.5 GHz及更高頻段仍具有廣闊的開發(fā)空間,運營商如果能夠獲得新頻段的頻率許可并在此占有一席之地,那么在容量規(guī)劃方面將具有更大的自由度。

    3.3 C/U平面分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

    使空中接口的控制平面與用戶平面分離是微基站設(shè)計完全脫離傳統(tǒng)基站體系架構(gòu)的第一步,這種結(jié)構(gòu)最主要的益處在于它可以在大幅提升現(xiàn)網(wǎng)容量的同時,保證宏蜂窩層的可靠覆蓋以及移動性方面的性能。在基于虛擬小區(qū)的分層異構(gòu)無線組網(wǎng)增強方案中,宏基站仍工作在現(xiàn)有頻段上,而虛擬小區(qū)被分配以較高的頻段,這樣的配置使C平面仍處于更為可靠的宏蜂窩層的控制之下。與此同時,系統(tǒng)容量因分離后的U平面能夠在高頻段獲得較大帶寬而得到提升,在設(shè)計方面也不需要對虛擬小區(qū)層進(jìn)行小區(qū)規(guī)劃、配置和優(yōu)化,使得諸如覆蓋空洞一類的問題不再是困擾運營商的難題。此外運營商還可以在網(wǎng)絡(luò)部署初期利用這種方式在特定熱點地區(qū)零散部署少量的虛擬小區(qū)來提升用戶體驗,并且隨著部署數(shù)量的增加,系統(tǒng)總?cè)萘繉⒊尸F(xiàn)出線性增長的趨勢,這種特性對于高頻段上的實際系統(tǒng)開發(fā)至關(guān)重要,因為在這個頻段上信號傳播特性較差,這使得傳統(tǒng)的全小區(qū)覆蓋變得代價昂貴且?guī)缀醪豢赡軐崿F(xiàn)。

    C/U平面分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)目前已存在應(yīng)用實例,在參考文獻(xiàn)[8]的附錄J中可以參閱到使用了支持載波聚合功能的射頻拉遠(yuǎn)頭(RRH-CA)的場景,同樣地,RRH的典型信道和信號被取消,成為宏蜂窩的從屬小區(qū),它的基帶處理工作全部交由宏基站完成,兩者之間以光纖連接。RRH技術(shù)現(xiàn)今已被眾多的3G設(shè)備商所采用,而這種分布式基站的場景也可以看作在單節(jié)點處采用C/U平面分離的架構(gòu)。

    3.4 具有獨立基帶處理能力的微基站

    未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的下一個設(shè)計目標(biāo)是要求小小區(qū)具有獨立的用戶平面基帶處理能力。將基帶處理從宏蜂窩中分離出來,能夠大幅提升系統(tǒng)的處理能力,尤其是在一個宏小區(qū)包含多個小小區(qū)的場景下,由于宏基站的能力有限,前文所述的共享基帶處理能力的方案將嚴(yán)重影響系統(tǒng)設(shè)計的可擴(kuò)展性。獨立基帶處理方案使得宏基站和小小區(qū)之間不再需要以光纖接口相連接,這種成本上的節(jié)約將帶來巨大的收益。在此方案中,PhNB從MeNB的控制下獨立出來,相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

    圖2 站點和基帶處理過程相分離的虛擬小區(qū)

    3.5 增強的頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程

    由于小區(qū)駐留和小區(qū)重選都是在宏基站層進(jìn)行的,對于處于空閑狀態(tài)的UE來說,基于虛擬小區(qū)的未來微基站是透明的,這意味著運營商不需要監(jiān)控虛擬小區(qū)中和尋呼相關(guān)的任何過程,從而減少小區(qū)規(guī)劃、配置和優(yōu)化方面的工作量,此外因為虛擬小區(qū)缺少典型的小區(qū)特定信道,UE不用頻繁地進(jìn)行測量和解碼,使得UE的能耗降低,終端的續(xù)航時間延長。系統(tǒng)只需要在UE處于激活態(tài)或者宏基站發(fā)起相關(guān)過程時進(jìn)行針對小小區(qū)的小區(qū)發(fā)現(xiàn),其中包括快速發(fā)現(xiàn)和信道建立等過程。

    快速并且高能效的小區(qū)發(fā)現(xiàn)對于增加小小區(qū)的流量分擔(dān)機(jī)會是非常有意義的,特別是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的微基站部署較為松散時,這一點顯得更加至關(guān)重要。為此需要對小區(qū)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行功能上的增強,小小區(qū)工作在較高頻段,系統(tǒng)必須支持跨頻段的小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程。一般而言,異構(gòu)分層網(wǎng)絡(luò)中的UE無論處于空閑態(tài)還是激活態(tài),均有可能發(fā)起小區(qū)發(fā)現(xiàn)的過程,因為即使周圍沒有小小區(qū)UE也會嘗試搜尋,這將縮短UE的電池續(xù)航時間。當(dāng)UE處于空閑狀態(tài)時則更為明顯,所以采取措施減少UE頻間小區(qū)識別過程的次數(shù)是十分必要的。基于虛擬小區(qū)的未來分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)擁有更寬的頻譜范圍,子載波的數(shù)量也大幅增加,只有更快速的小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程才能適應(yīng)組網(wǎng)方式的變化。

    基于以上原因,UE需要一種增強的發(fā)現(xiàn)信號使得頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程更加流暢和高效,其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下:

    ·發(fā)現(xiàn)信號必須與宏基站的信號同步,因為頻間小區(qū)的發(fā)現(xiàn)過程需要宏基站的輔助;

    ·為了快速解碼,發(fā)現(xiàn)信號必須是相互正交的。

    PhNB并不需要使用GPS來獲得精準(zhǔn)同步,但必須與宏基站下行發(fā)現(xiàn)信號的發(fā)送周期嚴(yán)格同步,這樣做的目的是減少頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)過程的次數(shù),而信號的正交特性又降低了UE在密集部署場景下檢測小小區(qū)的難度。快速頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)的流程和時序如圖3所示。

    3.6 負(fù)載均衡和干擾協(xié)調(diào)

    小小區(qū)的另一個設(shè)計要素是平衡相鄰小區(qū)的負(fù)載能力。對于較小的覆蓋區(qū)域,相比傳統(tǒng)宏基站面臨更加劇烈的業(yè)務(wù)量變化,為了解決這一問題,網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)支持負(fù)載均衡功能,在 LTE中,負(fù)載均衡用來處理小區(qū)之間的不均衡負(fù)載問題,在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下,使網(wǎng)絡(luò)容量達(dá)到最大化。具體實現(xiàn)層面的討論包括:

    圖3 快速頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)

    ·宏基站如何引導(dǎo)UE轉(zhuǎn)移至某個特定的小小區(qū),這涉及宏基站對RRC進(jìn)行維護(hù)的過程;

    ·負(fù)載均衡功能的細(xì)節(jié)方案,包括觸發(fā)門限和接入控制等問題;

    ·小小區(qū)之間的資源完全復(fù)用時的干擾協(xié)調(diào)問題,包括頻域和時域兩個維度。

    負(fù)載均衡提升了系統(tǒng)吞吐量,因而使系統(tǒng)的多路復(fù)用增益增加,然而同時也應(yīng)該考慮到吞吐量的公平性,舉個最簡單的例子,可以將用戶平均吞吐量作為負(fù)載均衡的小區(qū)選擇標(biāo)準(zhǔn),稱為Cell Metric。

    其中,BW為小區(qū)占用的總帶寬,N為用戶數(shù)目,SINR為信干噪比(signal to interference ratio),這里考慮的是小區(qū)的平均SINR。

    對于接入控制,可以引入多種條件參量,如目標(biāo)小區(qū)負(fù)載門限、SINR門限,甚至可以是上述小區(qū)選擇標(biāo)準(zhǔn)的差值。此外,功率調(diào)整可解決資源復(fù)用下的干擾問題,對于靜態(tài)復(fù)用的小區(qū)還可以簡單通過頻率規(guī)劃來有效避免復(fù)雜的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)過程。功率調(diào)整也可用于增加或減少小區(qū)的覆蓋范圍,這在虛擬小區(qū)的結(jié)構(gòu)下非常容易實現(xiàn),因為不需要考慮小區(qū)典型信道的最優(yōu)功率設(shè)置問題??梢哉fPhNB在功能上的缺失換來了覆蓋范圍的自由度。

    3.7 小區(qū)規(guī)劃、配置及管理

    前面討論了未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)通過功能上的簡化來降低其設(shè)計的復(fù)雜度,然而可運營性也是小小區(qū)系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)之一,應(yīng)該盡量本著節(jié)約安裝、規(guī)劃和管理等方面成本的原則進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)。本節(jié)將重點闡述未來微基站系統(tǒng)中的小區(qū)規(guī)劃、小區(qū)配置和小區(qū)管理3方面內(nèi)容。

    (1)小區(qū)標(biāo)識管理

    一般而言,即便在傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,小區(qū)標(biāo)識(ID)的管理都是一個沉重的負(fù)擔(dān),因為小區(qū)ID的數(shù)量十分有限,如在LTE系統(tǒng)中只有504個。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)數(shù)目不斷增加時,運營商需要頻繁進(jìn)行重新規(guī)劃,以避免小區(qū)ID的沖突。隨著未來分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中小小區(qū)數(shù)量的劇烈增長,小區(qū)ID管理的復(fù)雜程度也逐漸增加。雖然一些類似于“即插即用”的技術(shù)已經(jīng)在SON的范疇中出現(xiàn),但對于分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)超高密度部署的場景來說,還是會出現(xiàn)諸如小區(qū)ID混淆之類的問題。而采用基于虛擬小區(qū)的組網(wǎng)方案就能大幅降低這類問題發(fā)生的可能性,這是因為依賴于物理小區(qū)標(biāo)識(PCI)而存在的小區(qū)典型信道或信號在虛擬小區(qū)中并不出現(xiàn)。

    (2)業(yè)務(wù)量監(jiān)測

    業(yè)務(wù)量監(jiān)測和統(tǒng)計對于基站的優(yōu)化和負(fù)載分析來說是至關(guān)重要的,但基站的測量功能會導(dǎo)致成本開銷和系統(tǒng)復(fù)雜度的增加。對于小小區(qū)而言,將此功能交由宏基站完成是更優(yōu)的選擇。在主從運營模式下,宏基站可以監(jiān)測與小小區(qū)相關(guān)的所有連接,如UE的RLC上報以及PDCP層的相關(guān)過程等,同時存儲一些信息以供進(jìn)一步分析。這樣不僅使得宏基站可以為運營商提供遠(yuǎn)程監(jiān)控小小區(qū)的渠道,而且降低了微基站的成本和設(shè)計的復(fù)雜性。

    (3)閉合接入模式

    家庭基站或Wi-Fi接入點這種低功率節(jié)點 (LPN),有時工作在閉合用戶組(CSG)模式,處于小小區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi)的宏基站用戶不具有接入權(quán)限,LPN的密集部署將會給這部分用戶帶來較大的下行干擾,未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)必須解決這一問題,基于虛擬小區(qū)的主從結(jié)構(gòu)使宏基站能夠控制和協(xié)調(diào)眾多的小小區(qū),從而選擇最佳的配置和傳輸方案降低網(wǎng)絡(luò)中的干擾水平。

    4 發(fā)展方向與前景

    基于虛擬小區(qū)的未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案仍有改進(jìn)的空間,本節(jié)將提及其中的兩個發(fā)展方向。首先是虛擬小區(qū)的聚簇部署,LTE系統(tǒng)早期布網(wǎng)可能只在熱點區(qū)域部署小小區(qū),但隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶量的持續(xù)提升,用戶會希望在更大范圍內(nèi)享受LTE帶來的高速率體驗,小小區(qū)的部署范圍將越來越廣,節(jié)點的區(qū)域密度也越來越高,可以看成微基站以聚簇的形態(tài)在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn),而這需要在移動性方面提出增強的方案來支持這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外,設(shè)備到設(shè)備(D2D)的通信方式也是未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)可能的發(fā)展方向,信息在用戶設(shè)備之間直接傳遞也是網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量分擔(dān)的方式之一。下面將對這兩點做詳細(xì)闡述。

    4.1 小區(qū)聚簇與移動性問題

    室外部署場景下對于高移動性的支持問題一直都是小小區(qū)設(shè)計中的主要瓶頸,如果未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)只能為移動性較低的用戶提供服務(wù),那么小小區(qū)的應(yīng)用范圍會大大受限,這種部署方式也將在長期演進(jìn)中失去競爭力,因此亟需為超高密度部署的小小區(qū)網(wǎng)絡(luò)找到新的移動性解決方案。傳統(tǒng)的切換過程都會涉及小區(qū)覆蓋邊界這一概念,在未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)中卻不存在這種邊界,而用小區(qū)集群組(cell cluster association)概念取而代之,它與參考文獻(xiàn)[5]中的虛擬小區(qū)組(phantom cell association)或?qū)?/層2移動性有著同樣的含義。在小區(qū)集群組的定義下,微基站的覆蓋區(qū)域中包含多個小小區(qū),在此區(qū)域內(nèi)的小區(qū)均采用基于虛擬小區(qū)的組網(wǎng)方式,并不需要啟動與高層相關(guān)的切換過程,因而缺少切換參數(shù)TTT(time to trigger),也不存在針對此功能的控制信令開銷。如圖4(a)所示,虛擬小區(qū)組一種可能的實現(xiàn)方式是選出一個中心節(jié)點作為簇頭來控制其他虛擬小區(qū),簇頭和成員之間應(yīng)該具有理想的回程鏈路。這種方案可以看成一種集中式的無線接入網(wǎng)(CRAN),因為集群組中存在中心節(jié)點可進(jìn)行整體調(diào)配和控制,從而可實現(xiàn)基帶容量共享同時基帶資源動態(tài)分配的基帶池結(jié)構(gòu)。對于不同虛擬小區(qū)間的業(yè)務(wù)均衡處理可通過協(xié)作多點傳輸技術(shù)(CoMP)輕而易舉地實現(xiàn)[9],網(wǎng)絡(luò)的資源利用率進(jìn)而得以提升?;趩未仡^—多成員的虛擬小區(qū)簇結(jié)構(gòu)可以為更廣闊的地理面積提供覆蓋,并且可以減少網(wǎng)絡(luò)中的切換次數(shù)以及流向核心網(wǎng)的控制平面信令開銷,這對于網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展愈發(fā)重要,因為智能終端引領(lǐng)的諸如 “機(jī)器到機(jī)器”(M2M)的未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都需要RRC一直處于激活的狀態(tài)。

    4.2 支持D2D通信方式的虛擬小區(qū)

    與聚簇的方式恰恰相反,低成本的分布式解決方案仍然是未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的一個重要目標(biāo),也只有如此才能令小小區(qū)適用于更加廣泛的應(yīng)用環(huán)境之中。D2D是一種存在于UE之間的機(jī)會點到點通信方式,它的信息傳輸使用的是空白頻段資源[10]。如果將來點到點通信的需求有所增長,那么D2D通信方式必將會被未來LTE綠色網(wǎng)絡(luò)所吸納。實際上支持D2D的微基站應(yīng)該擁有與UE相類似的功能,并且與宏基站之間存在回程鏈路、與UE之間存在點對點的直傳鏈路,使D2D成為一種潛在的機(jī)會流量分擔(dān)機(jī)制。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4(b)所示,類似于UE的小小區(qū)也可以被看成虛擬小區(qū)的一種變式,因為它既受宏基站控制,又是具有流量分擔(dān)功能的網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備(基站),從而可以認(rèn)識到,任何種類的終端設(shè)備都能以機(jī)會的方式充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的基站,而提供業(yè)務(wù)的節(jié)點其部署密度大幅增加能夠帶來網(wǎng)絡(luò)容量的顯著提升。

    5 結(jié)束語

    本文介紹了一種未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的增強方案。為了適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)部署要求,小小區(qū)的設(shè)計應(yīng)完全脫離當(dāng)前傳統(tǒng)的基站體系架構(gòu),因此基于虛擬小區(qū)的分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案應(yīng)運而生。在這種方案中,微基站的設(shè)計采用虛擬小區(qū)的理念,并使用較高的頻段進(jìn)行通信,它通過將空中接口的控制平面與用戶平面分離來適應(yīng)回程鏈路、基帶處理、移動性支持和部署密度等方面的設(shè)計要求。目前此方案被業(yè)界廣泛關(guān)注和研究,在3GPP標(biāo)準(zhǔn)化Study Item LTE-SCE中也有相關(guān)討論。

    本文還介紹了必要的支持技術(shù),如頻間信號發(fā)現(xiàn)、負(fù)載均衡和干擾協(xié)調(diào)、小區(qū)規(guī)劃、配置和管理以及在進(jìn)一步增強中可能涉及的小區(qū)聚簇、移動性問題和D2D技術(shù)。可以說,虛擬小區(qū)C/U平面分離結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)既充滿意義又富有挑戰(zhàn),未來的標(biāo)準(zhǔn)化工作仍需要從定義新接口和信令級增強方面做出努力,使得基于虛擬小區(qū)的小小區(qū)組網(wǎng)方案得以不斷完善,最終令4G網(wǎng)絡(luò)的長期演進(jìn)能夠邁上新的臺階。

    圖4 未來分層異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的進(jìn)一步擴(kuò)展

    1 Ericsson.Mobile Data Traffic Surpasses Voice.Ericsson Press Release 23,Mar 2010

    2 Cisco Whitepaper.Cisco VisualNetworking Index:Global Mobile Data Traffic Forecast Update,2012

    3 NTT DoCoMo.Requirements,Candidate Solutions&Technology Roadmap for LTE R12 Onward.RWS-120010,Jun 2012

    4 3GPP RAN#57.RP-121418.LTE SI:Study on Scenarios and Requirements for LTE Small Cell Enhancements

    5 Ishii H.A novel architecture for LTE-B,c-plane/u-plane split and phantom cell concept.IEEE Globecom 2012 Workshop,2012(12):624~630

    6 Parkvall S,Danlman E,Jongren G,et al.Heterogeneous Network Deployments in LTE.Ericsson Review,2011

    7 Osterbo O.Scheduling and capacity estimation in LTE.The 23rd International Teletraffic Congress,San Francisco,USA,2011

    8 3GPP TS 36.300.V11.3.0.E-UTRA and E-UTRAN Overall Description,Stage 2

    9 Mogensen P,Koivisto T,Klaus I,et al.LTE-Advanced:the path towardsgigabit/sin wirelessmobile communications.IEEE Wireless VITAE,2009:147~151

    10 Fodor G,Danlman E,Mildh G,et al.Design aspects of network assisted device-to-device communications.IEEE Communications Magazine,2012,50(3):170~177

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