面向5G基于C—RAN宏微協(xié)作的極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種面向5G密集網(wǎng)絡(luò)部署的極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波設(shè)計(jì)。極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波是在C-RAN架構(gòu)下的一種微蜂窩數(shù)據(jù)載波，主要用于數(shù)據(jù)承載，支持無(wú)公共信道開(kāi)銷、極少或者沒(méi)有控制信道開(kāi)銷，能夠有效降低密集數(shù)據(jù)載波之間信令的干擾，較大幅度提高能效，并由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有利于降低數(shù)據(jù)載波的成本。重新設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)載波的信令，并重新設(shè)計(jì)宏基站和微基站的接口和交互流程。重點(diǎn)解決了3個(gè)問(wèn)題：微基站載波的發(fā)現(xiàn)和選擇、用戶同宏微載波的同步接入、宏微和微微載波間的測(cè)量切換。仿真結(jié)果表明，在相對(duì)理想的回傳支持下，能較大幅度提升系統(tǒng)的切換性能、吞吐量和能效。

信令數(shù)據(jù)分離；極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波；宏微協(xié)作

為了應(yīng)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的流量爆發(fā)式增長(zhǎng)（預(yù)計(jì)到2020年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的流量將增加1 000倍[1]），運(yùn)營(yíng)商除了引入頻譜效率更高的LTE網(wǎng)絡(luò)之外，不得不部署更加密集的網(wǎng)絡(luò)，并同時(shí)尋求更多的頻段資源（比如3 GHz以上更高的頻段）。我們預(yù)計(jì)在未來(lái)會(huì)出現(xiàn)密集部署的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)低頻的宏基站負(fù)責(zé)覆蓋和對(duì)連續(xù)性要求較高的低速業(yè)務(wù)，高頻的微基站負(fù)責(zé)熱點(diǎn)的高速數(shù)據(jù)接入。另外高頻微基站的覆蓋面較?。ㄐ∮?0 m），必然會(huì)對(duì)微基站的組網(wǎng)、移動(dòng)性、能耗等方面帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)[2]。密集覆蓋會(huì)導(dǎo)致干擾增大，降低吞吐量。同時(shí)會(huì)使得用戶頻繁切換，導(dǎo)致用戶切換失敗率增加。宏微基站的重疊覆蓋，也會(huì)造成大量的能耗開(kāi)銷，微基站數(shù)量較多（在不遠(yuǎn)的將來(lái)估計(jì)與宏基站的數(shù)量比可能大于10比1），公共廣播信道的開(kāi)銷較大，使得整體能耗較高。

云接入網(wǎng)（C-RAN）[3]是中國(guó)移動(dòng)研究院在2009年提出的未來(lái)無(wú)線接入網(wǎng)形態(tài)，旨在設(shè)計(jì)低成本、高容量、高運(yùn)營(yíng)效率的無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)。在宏微密集組網(wǎng)下，C-RAN通過(guò)微遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元（RRU）拉遠(yuǎn)的方式，將基帶處理資源進(jìn)行集中，形成一個(gè)基帶資源池并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一管理與動(dòng)態(tài)分配，在提升資源利用率、降低能耗的同時(shí)，還通過(guò)對(duì)協(xié)作化技術(shù)的有效降低干擾，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

目前3GPP的設(shè)計(jì)思路是將用于宏基站的載波進(jìn)行簡(jiǎn)化后應(yīng)用于微基站載波，微基站載波設(shè)計(jì)大多還保留了宏基站載波的設(shè)計(jì)，在測(cè)量，同步，接入和切換等機(jī)制上基本與宏站類似[4]，未充分挖掘基于宏微協(xié)作進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的可能性，這樣制約性能和能效優(yōu)化空間。本文考慮微站載波的特性（用戶量較少，覆蓋范圍較小，且用戶的移動(dòng)性較低，時(shí)間擴(kuò)展性和頻率選擇性衰落較小）和C-RAN集中基帶處理統(tǒng)一調(diào)度的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化微站載波設(shè)計(jì)，充分利用C-RAN基帶集中調(diào)度降低微基站的廣播信令開(kāi)銷和處理復(fù)雜程度，設(shè)計(jì)低復(fù)雜度、低成本和低開(kāi)銷的數(shù)據(jù)接入載波。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波是一種由微站承載的數(shù)據(jù)載波，支持無(wú)公共信道開(kāi)銷、極少或者沒(méi)有控制信道開(kāi)銷的數(shù)據(jù)載波；用戶（UE）沒(méi)有辦法通過(guò)傳統(tǒng)的廣播信號(hào)進(jìn)行極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波的發(fā)現(xiàn)、選擇，同步和切換測(cè)量[5]。本文重點(diǎn)解決如下問(wèn)題：微基站載波的發(fā)現(xiàn)和選擇，UE同宏微載波的同步，宏微和微微載波間的測(cè)量切換。本文假設(shè)信令宏基站載波沿用傳統(tǒng)的LTE基站設(shè)計(jì)。如圖1所示，基于C-RAN架構(gòu)的極簡(jiǎn)載波網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括信令宏基站載波（MC）、數(shù)據(jù)微基站載波（SC）。通過(guò)拉遠(yuǎn)宏/微RRU，基帶處理集中的方式來(lái)部署。

MC除了具有傳統(tǒng)LTE載波的完整設(shè)計(jì)外，還具有如下功能：

·協(xié)助SC完成初始接入

·協(xié)助MC覆蓋范圍內(nèi)所有SC的切換

·控制MC覆蓋范圍內(nèi)所有SC的調(diào)度

SC則是一種只傳數(shù)據(jù)的新型載波，并配合宏信令基站完成UE的接入、切換、調(diào)度到數(shù)據(jù)基站，進(jìn)行上下行的數(shù)據(jù)傳輸。具體地，SC的特征如下：

（1）簡(jiǎn)單、低開(kāi)銷，實(shí)現(xiàn)只傳數(shù)據(jù)

僅有上下行數(shù)據(jù)信道以及隨路的參考信號(hào)；無(wú)額外的專屬控制信道，比如LTE中的物理下行公共控制信道（PDCCH）、物理上行公共控制信道（PUCCH）以及物理隨機(jī)接入信道（PRACH）。

（2）去除傳統(tǒng)的廣播信令信號(hào)

取消用于站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)以及同步（時(shí)間粗同步、載波同步）的主同步/輔同步信號(hào)（PSS/SSS）；取消用于時(shí)間精同步、支持小區(qū)移動(dòng)性測(cè)量的小區(qū)專屬參考符號(hào)（CRS）；取消小區(qū)專屬的廣播信息，包含承載在物理廣播信道（PBCH）上的主系統(tǒng)信息塊（MIB）以及承載在物理數(shù)據(jù)共享信道（PDSCH）上的系統(tǒng)信息塊（SIB）。

2 極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波關(guān)鍵技術(shù)

極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)核心問(wèn)題是SC的發(fā)現(xiàn)、同步和測(cè)量。該問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)直接影響了SC的決策、接入和切換性能。極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波設(shè)計(jì)建議摒棄固定的廣播信號(hào)開(kāi)銷，突破性地改變傳統(tǒng)“下行廣播偵聽(tīng)”思想，由UE按需數(shù)據(jù)載波可偵聽(tīng)的需求信號(hào)，承載數(shù)據(jù)載波的SC進(jìn)行上行偵聽(tīng)，并且在MC的協(xié)助下，快速完成同UE之間的同步和數(shù)據(jù)傳輸。因此，極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)對(duì)UE發(fā)送的“上行偵聽(tīng)信號(hào)”以及“宏微協(xié)作”方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 上行偵聽(tīng)信號(hào)設(shè)計(jì)

UE上行偵聽(tīng)信號(hào)要完全取代既有的“下行廣播信號(hào)”，要求能夠有效地支持SC的識(shí)別（或者換個(gè)思路講，如果UE不能夠識(shí)別微基站，要求微基站主動(dòng)地去識(shí)別UE，服務(wù)UE）、UE同SC的上下行同步、SC信號(hào)測(cè)量以及UE上行接入功率決策。建議可以基于已有的上行探測(cè)參考信號(hào)（SRS）設(shè)計(jì)上行偵聽(tīng)信號(hào)，其相比同樣是基于Zadoff-Chu（ZC）序列的上行隨機(jī)接入前導(dǎo)（Preamble）和上行解調(diào)參考信號(hào)（DMRS）的優(yōu)勢(shì)是：Preamble主要由隨機(jī)接入U(xiǎn)E發(fā)出，并不是隨路的。而DMRS跟UE數(shù)據(jù)耦合過(guò)于緊密，不方便通過(guò)如功率增強(qiáng)的方法，支持有效的SC檢測(cè)。進(jìn)一步地，考慮考慮到未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要場(chǎng)景是MC和SC分別由不同頻段的載波承載，其中MC傾向由低頻段承載，而SC由高頻段承載。兼容性考慮，極簡(jiǎn)載波設(shè)計(jì)希望上行偵聽(tīng)SRS優(yōu)先由低頻段的MC承載，并可被SC偵聽(tīng)。SC基于偵聽(tīng)結(jié)果，完成同UE的同步和傳輸配置。下文將進(jìn)一步驗(yàn)證SRS作為上行偵聽(tīng)信號(hào)的可行性。

考慮到未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要場(chǎng)景是MC和SC分別由不同頻段的載波承載，其中MC傾向由低頻段承載，而SC由高頻段承載。兼容性考慮，極簡(jiǎn)載波設(shè)計(jì)希望上行偵聽(tīng)SRS優(yōu)先由低頻段的MC承載，并可被SC偵聽(tīng)。SC基于偵聽(tīng)結(jié)果，完成同UE的同步和傳輸配置。

（1）上行同步需求

關(guān)于CP和保護(hù)間隔[6]，借鑒傳統(tǒng)LTE中的隨機(jī)接入前導(dǎo)序列的知識(shí)，若SC要基于MC上傳輸?shù)腟RS來(lái)實(shí)現(xiàn)上行同步，要求UE對(duì)應(yīng)SC的時(shí)間提前量（TA）小于宏小區(qū)上的承載SRS的符號(hào)的CP。因?yàn)楸M管UE對(duì)于MC是上行同步的，但是對(duì)于SC尚未完成上行同步?？梢岳眯帕詈昊竞蛿?shù)據(jù)微基站覆蓋的差異性來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：對(duì)于100 m半徑的數(shù)據(jù)微基站，或者，假設(shè)最大半徑為500 m的數(shù)據(jù)微基站，其最大傳輸時(shí)間是1.667 μs，對(duì)應(yīng)的TA應(yīng)該是3.34 μs，這個(gè)TA小于SRS信號(hào)的CP（在LTE常規(guī)CP中（非擴(kuò)展CP），CP的長(zhǎng)度為4.69 μs），所以這個(gè)SRS信號(hào)對(duì)于數(shù)據(jù)基站來(lái)就不需要保護(hù)時(shí)間間隔。

關(guān)于時(shí)間提前量，LTE中，宏小區(qū)隨機(jī)接入前導(dǎo)對(duì)應(yīng)的TA為11比特（最大取值1 282），允許的最大的時(shí)間提前量是0.667 ms，對(duì)應(yīng)為100 km宏小區(qū)的最大的往返傳輸時(shí)間（RTD）。如果SC覆蓋范圍是500 m，那么對(duì)應(yīng)的TA應(yīng)是3.34 μs，對(duì)應(yīng)需要log2（3.34 μs/16Ts），Ts=1/30.72 μs，約合3 bit信息。而SRS允許的最大TA調(diào)整量為6 bit，是足夠?qū)崿F(xiàn)SC同步的。當(dāng)然，實(shí)際測(cè)得的TA是RTD和傳播時(shí)延擴(kuò)展的和。考慮到傳播時(shí)延擴(kuò)展對(duì)于不同頻段具有差異性，需要驗(yàn)證基于低頻段MC上傳輸?shù)腟RS得到的TA用到高頻段的可行性：參考ITU信道模型[7]，2 GHz室外NLOS最大的時(shí)延擴(kuò)展為0.36 μs，而2.5 GHz室內(nèi)NLOS最大的時(shí)延擴(kuò)展為0.12 μs，因此，如果考慮高低頻段在時(shí)延擴(kuò)展的差異性，潛在可能存在的最大時(shí)延擴(kuò)展差異為0.36 μs，小于一個(gè)TA調(diào)整步長(zhǎng)16Ts（0.52 μs）。因此，通過(guò)低頻段SRS上行偵聽(tīng)得到的TA可以很好地應(yīng)用到高頻段。

關(guān)于頻偏估計(jì)，根據(jù)ITU信道模型，頻偏主要跟中心頻點(diǎn)、UE移動(dòng)速率、信號(hào)到達(dá)角以及UE移動(dòng)方向相關(guān)。其中，最大頻偏取決于中心頻點(diǎn)和UE移動(dòng)速率。如果考慮SC主要支持移動(dòng)速率在30 km/h以及以下的移動(dòng)性，并且假設(shè)，MC部署在2 GHz頻段，而SC部署在6 GHz頻段，那么兩者的最大的頻偏分別為：55.56 Hz以及166.67 Hz，兩者的頻偏差異最大為222.23 Hz，具體的差異值跟信號(hào)到達(dá)角和UE移動(dòng)性相關(guān)；考慮到該頻偏差異值僅為L(zhǎng)TE 15 kHz子載波寬度的1.5%，UE初始接入可以忽略頻偏的影響。進(jìn)一步地，考慮到SC在高頻段工作有望采用更大的子載波寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)更小的傳輸時(shí)間間隔（TTI），頻偏的影響基本可以忽略?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中符號(hào)的CP實(shí)現(xiàn)SC頻率的微調(diào)。

（2）上行測(cè)量需求

LTE系統(tǒng)已經(jīng)使用上行SRS信號(hào)的發(fā)送實(shí)現(xiàn)UE上行信道的測(cè)量，也就是SRS本來(lái)具有可測(cè)量性。并且這個(gè)對(duì)應(yīng)具體UE的已知的SRS信號(hào)可以由MC傳遞給SC。故SRS信號(hào)對(duì)于SC也是已知、可測(cè)量的。

（3）下行同步和測(cè)量需求

在未來(lái)，越來(lái)越多的高頻數(shù)據(jù)微載波（比如3.5 GHz）會(huì)使用TDD機(jī)制，可以利用上下行信道的互易性獲取UE同SC的下行的同步信息以及測(cè)量結(jié)果。但是，如上文所述，利用SRS獲取同步和測(cè)量時(shí)存在偏移的。LTE中載波聚合（CA）中不同的子載波（CC）之間最大下行接收容忍的時(shí)鐘差為31.3 μs[8]。如果考慮傳播時(shí)延擴(kuò)展為16.7 μs的話，那么對(duì)應(yīng)的往返時(shí)延14.6 μs支持最大約1 km的覆蓋。所以可以認(rèn)為，允許SC存在一定的下行時(shí)鐘偏移。并在數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，利用隨路的導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行精確調(diào)整，比如DM-RS。

綜上，SRS用于上行偵聽(tīng)信號(hào)，支持UE同SC之間的同步、測(cè)量是完全可行的。

2.2 關(guān)鍵流程分析

基于“上行偵聽(tīng)信號(hào)”實(shí)現(xiàn)SC檢測(cè)、測(cè)量、同步的方法，要求MC為SC提供更多的支持，因此面向這種新型的架構(gòu)設(shè)計(jì)，需要新的接入和切換流程進(jìn)行支持。

2.2.1 極簡(jiǎn)載波接入

基于極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波接入如圖2所示。在宏微協(xié)作雙連接接入過(guò)程中，MC跟終端接口完成信令面的配置，與此同時(shí)，MC控制SC完成上行偵聽(tīng)，決策選出數(shù)據(jù)面無(wú)線資源。該過(guò)程主要包含如下步驟：

（1）隨機(jī)接入以及SRS分配

UE采用LTE 4步隨機(jī)接入過(guò)程接入到MC，其中MC在無(wú)線資源控制（RRC）[9]建立隨機(jī)接入消息（Msg4）中為用戶配置SRS以及進(jìn)行SRS無(wú)線資源分配。

（2）UE上下文傳遞、SRS偵聽(tīng)以及SC無(wú)線資源決策

UE完成信令承載1（SRB1）及其無(wú)線資源配置，并在SRB1同MC完成非接入層信令（NAS），包含業(yè)務(wù)請(qǐng)求、用戶能力、安全激活的交互（該過(guò)程涉及無(wú)線信令5條，若不考慮核心網(wǎng)交互時(shí)延的話，時(shí)延15 ms）。與此同時(shí)，MC配置SC偵聽(tīng)對(duì)應(yīng)SRS信號(hào)，基于SRS獲取UE的TA估計(jì)、信號(hào)測(cè)量，并反饋給MC，由MC基于反饋信息以及其他已知的上下文信息，選擇出最優(yōu)的SC；進(jìn)一步地，MC聯(lián)合最優(yōu)SC，決策最優(yōu)SC上對(duì)應(yīng)于UE的無(wú)線資源分配?！吧闲袀陕?tīng)以及決策”涉及到空口SRS偵聽(tīng)、SRS偵聽(tīng)結(jié)果回傳、SRS偵聽(tīng)結(jié)果處理，并完成最優(yōu)SC以及最優(yōu)SC上的資源決策，對(duì)應(yīng)時(shí)延為：SRS偵聽(tīng)持續(xù)時(shí)間+SRS偵聽(tīng)結(jié)果回傳+SRS偵聽(tīng)結(jié)果處理+最優(yōu)SRS以及最優(yōu)SC上的資源決策；如果SRS偵聽(tīng)持續(xù)時(shí)間為10 ms（參考：LTE中需要獲取8個(gè)PSS/SSS樣本，持續(xù)時(shí)間40 ms，才能檢測(cè)出信號(hào)最優(yōu)的3個(gè)小區(qū)。這里假設(shè)SRS比PSS/SSS更加密集，或者檢測(cè)性能更好。因?yàn)镾RS相比PSS/SSS更容易實(shí)現(xiàn)干擾協(xié)調(diào)），那么在理想回傳以及集中基帶池環(huán)境下，5 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)SRS偵聽(tīng)結(jié)果回傳、處理以及資源決策是可以實(shí)現(xiàn)的。因此，“結(jié)合上行偵聽(tīng)的SC資源決策”可以不造成更大的接入時(shí)延。

（3）RRC連接重配置

MC同UE交互完成信令承載2（SRB2）及數(shù)據(jù)承載（DRB）建立和無(wú)線資源分配。其中無(wú)線資源包含最優(yōu)SC的接入信息，包括異頻數(shù)據(jù)載頻頻域同步偏置、TA、上行接入功率、資源分配。

（4）SC接入以及數(shù)據(jù)傳輸

UE完成SRB2以及DRB配置，并且基于收到的SC的TA、利用上下行信道互易性，以及基于數(shù)據(jù)載頻頻域同步偏置，完成同最優(yōu)數(shù)據(jù)基站的上下行同步。然后，UE可以在SC上對(duì)應(yīng)無(wú)線資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；傳輸過(guò)程中可以基于隨路的DMRS，調(diào)整時(shí)間、頻域同步以及信道估計(jì)。

相比傳統(tǒng)的單連接接入流程，雙連接接入的時(shí)延可能多在連接重配置的時(shí)候不僅要考慮承載的配置，還需要考慮數(shù)據(jù)站點(diǎn)的上下行同步配置，另一方面，由于上行偵聽(tīng)方案可能實(shí)現(xiàn)不了非常精確的同步狀態(tài)（包括時(shí)頻和信道估計(jì)），需要在數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整。上行偵聽(tīng)方案對(duì)應(yīng)的能效和性能增益或者損失需要具體的評(píng)估來(lái)驗(yàn)證。

2.2.2 極簡(jiǎn)載波切換

極簡(jiǎn)載波引入后，主要新的切換場(chǎng)景是宏微載波之間的切換（如圖3所示），大致的思路類似于初始接入。不同的是觸發(fā)SC偵聽(tīng)的時(shí)機(jī)不同，MC可以根據(jù)正在服務(wù)的SC反饋上來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度低于某一門(mén)限值，則可以觸發(fā)附近的SC進(jìn)行SRS的偵聽(tīng)。同樣的，MC告知對(duì)應(yīng)的SC關(guān)于UE的標(biāo)識(shí)以及UE的SRS配置以及資源位置，然后SC偵聽(tīng)對(duì)應(yīng)SRS信號(hào)，并將SRS偵聽(tīng)信號(hào)反饋給MC，MC基于SRS獲取UE的TA估計(jì)和信號(hào)測(cè)量等。MC根據(jù)反饋信息以及其他已知的上下文信息，選擇出最優(yōu)的SC；進(jìn)一步地，MC聯(lián)合最優(yōu)SC，決定UE的無(wú)線資源分配。后續(xù)完成SC無(wú)線資源重配置和SC接入以及數(shù)據(jù)傳輸。

傳統(tǒng)LTE切換流程要求在信令面上首先釋放源站點(diǎn)的連接，并在目標(biāo)站點(diǎn)完成同步接入以及資源重配，并且在數(shù)據(jù)面上要求完成源站點(diǎn)到目的站點(diǎn)的緩存數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。相比之下，本切換流程基于C-RAN集中基帶池處理，完全是基帶池內(nèi)部操作，而且因?yàn)椴簧婕俺休d的重配置（而是站點(diǎn)和物理資源的重配）、不需要額外的隨機(jī)接入過(guò)程以及用戶面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移（因?yàn)橛脩裘娼y(tǒng)一由信令基站路由調(diào)度），能夠節(jié)約較多的空口信令，以及時(shí)延開(kāi)銷。

3 仿真評(píng)估

本文以傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）為基準(zhǔn)[10]、參照EARTH[11]功耗模型，對(duì)極簡(jiǎn)載波新型設(shè)計(jì)（NCT）進(jìn)行了評(píng)估和比較。其中重點(diǎn)考慮了不同的移動(dòng)等級(jí)，包括：3 km/h、30 km/h、60 km/h[12]，以及不同的時(shí)延的回傳，如2 μs、10 ms，分別對(duì)應(yīng)理想回傳以及不理想回傳。

系統(tǒng)吞吐量和系統(tǒng)能效比較如圖4示。圖4中LTE為傳統(tǒng)LTE HetNet，NCT為基于極簡(jiǎn)載波新載波類型，2 μs、10 ms為不同時(shí)延的C-RAN回傳。高速移動(dòng)場(chǎng)景下，由于UE的信號(hào)測(cè)量時(shí)延導(dǎo)致沒(méi)法對(duì)變化的信號(hào)的環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，并且由于切換時(shí)延導(dǎo)致切換的命令同新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不匹配，導(dǎo)致切換的失敗率增加，導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量的降低、系統(tǒng)能效降低。相比傳統(tǒng)的LTE HetNet，極簡(jiǎn)載波NCT能夠較好優(yōu)化移動(dòng)性能，即隨著UE移動(dòng)速度的增大，切換引發(fā)的性能下降會(huì)有所緩和。對(duì)于LTE HetNet，30 km/h的移動(dòng)速率就引發(fā)了42%的吞吐量以及能效的損失，相比之下，基于理想回傳的極簡(jiǎn)載波NCT的吞吐量損失是19%，而不理想回傳對(duì)應(yīng)的損失是43%（盡管如此，由于NCT大幅節(jié)約了小蜂窩固定信令傳輸開(kāi)銷，高時(shí)延NCT仍有增益）?？梢?jiàn)，NCT架構(gòu)對(duì)于切換性能的優(yōu)化（直接關(guān)系到系統(tǒng)吞吐量和能效的優(yōu)化）同C-RAN回傳密切相關(guān)。在理想回傳下，NCT的系統(tǒng)吞吐量和能效較LTE網(wǎng)絡(luò)有顯著提升，在低速場(chǎng)景（3 km/h）增益為26%，在中高速移動(dòng)場(chǎng)景下（30 km/h和60 km/h）的增益尤為明顯，分別為76%和110%。這是因?yàn)樵谥懈咚賵?chǎng)景下，基于NCT的網(wǎng)絡(luò)同時(shí)從信令節(jié)約以及移動(dòng)性提升兩個(gè)方面帶來(lái)增益。隨著回傳時(shí)延的增大，比如10 ms，基于NCT的網(wǎng)絡(luò)性能和能效增益將下降，特別是中高速移動(dòng)場(chǎng)景下，由于回傳的不及時(shí)，導(dǎo)致切換性能大幅下降，吞吐量和能效也大幅下降。結(jié)論：新型載波的設(shè)計(jì)依賴于較為理想的回傳，基于理想回傳的新型載波能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)的切換、吞吐量性能以及系統(tǒng)能效。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于數(shù)據(jù)信令解耦的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是解決密集高頻段小蜂窩部署的重要手段，得到業(yè)界的廣泛認(rèn)同。那么如何實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)信令解耦方案，提升系統(tǒng)切換、吞吐量、能效等性能，需要更多的探索。本文從一種極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波設(shè)計(jì)思想出發(fā)，探索了在C-RAN架構(gòu)下基于宏站協(xié)作實(shí)現(xiàn)無(wú)公共信道開(kāi)銷的數(shù)據(jù)載波的可能性，并給出了架構(gòu)和流程分析。該方案能夠有效解決密集高頻段小蜂窩的切換干擾、能耗較高等問(wèn)題，并且不會(huì)帶來(lái)更大的信令負(fù)荷以及時(shí)延。仿真結(jié)果顯示，方案能夠有效提升系統(tǒng)的能效、性能（吞吐量、切換）。后續(xù)工作將進(jìn)一步量化分析初始同步（時(shí)間、頻域）偏差對(duì)系統(tǒng)性能的影響。并將融合面向高頻段新型物理波形設(shè)計(jì)，驗(yàn)證所述新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的性能和能效，并進(jìn)一步優(yōu)化。

（3）RRC連接重配置

MC同UE交互完成信令承載2（SRB2）及數(shù)據(jù)承載（DRB）建立和無(wú)線資源分配。其中無(wú)線資源包含最優(yōu)SC的接入信息，包括異頻數(shù)據(jù)載頻頻域同步偏置、TA、上行接入功率、資源分配。

（4）SC接入以及數(shù)據(jù)傳輸

UE完成SRB2以及DRB配置，并且基于收到的SC的TA、利用上下行信道互易性，以及基于數(shù)據(jù)載頻頻域同步偏置，完成同最優(yōu)數(shù)據(jù)基站的上下行同步。然后，UE可以在SC上對(duì)應(yīng)無(wú)線資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；傳輸過(guò)程中可以基于隨路的DMRS，調(diào)整時(shí)間、頻域同步以及信道估計(jì)。

相比傳統(tǒng)的單連接接入流程，雙連接接入的時(shí)延可能多在連接重配置的時(shí)候不僅要考慮承載的配置，還需要考慮數(shù)據(jù)站點(diǎn)的上下行同步配置，另一方面，由于上行偵聽(tīng)方案可能實(shí)現(xiàn)不了非常精確的同步狀態(tài)（包括時(shí)頻和信道估計(jì)），需要在數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整。上行偵聽(tīng)方案對(duì)應(yīng)的能效和性能增益或者損失需要具體的評(píng)估來(lái)驗(yàn)證。

2.2.2 極簡(jiǎn)載波切換

極簡(jiǎn)載波引入后，主要新的切換場(chǎng)景是宏微載波之間的切換（如圖3所示），大致的思路類似于初始接入。不同的是觸發(fā)SC偵聽(tīng)的時(shí)機(jī)不同，MC可以根據(jù)正在服務(wù)的SC反饋上來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度低于某一門(mén)限值，則可以觸發(fā)附近的SC進(jìn)行SRS的偵聽(tīng)。同樣的，MC告知對(duì)應(yīng)的SC關(guān)于UE的標(biāo)識(shí)以及UE的SRS配置以及資源位置，然后SC偵聽(tīng)對(duì)應(yīng)SRS信號(hào)，并將SRS偵聽(tīng)信號(hào)反饋給MC，MC基于SRS獲取UE的TA估計(jì)和信號(hào)測(cè)量等。MC根據(jù)反饋信息以及其他已知的上下文信息，選擇出最優(yōu)的SC；進(jìn)一步地，MC聯(lián)合最優(yōu)SC，決定UE的無(wú)線資源分配。后續(xù)完成SC無(wú)線資源重配置和SC接入以及數(shù)據(jù)傳輸。

傳統(tǒng)LTE切換流程要求在信令面上首先釋放源站點(diǎn)的連接，并在目標(biāo)站點(diǎn)完成同步接入以及資源重配，并且在數(shù)據(jù)面上要求完成源站點(diǎn)到目的站點(diǎn)的緩存數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。相比之下，本切換流程基于C-RAN集中基帶池處理，完全是基帶池內(nèi)部操作，而且因?yàn)椴簧婕俺休d的重配置（而是站點(diǎn)和物理資源的重配）、不需要額外的隨機(jī)接入過(guò)程以及用戶面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移（因?yàn)橛脩裘娼y(tǒng)一由信令基站路由調(diào)度），能夠節(jié)約較多的空口信令，以及時(shí)延開(kāi)銷。

3 仿真評(píng)估

本文以傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）為基準(zhǔn)[10]、參照EARTH[11]功耗模型，對(duì)極簡(jiǎn)載波新型設(shè)計(jì)（NCT）進(jìn)行了評(píng)估和比較。其中重點(diǎn)考慮了不同的移動(dòng)等級(jí)，包括：3 km/h、30 km/h、60 km/h[12]，以及不同的時(shí)延的回傳，如2 μs、10 ms，分別對(duì)應(yīng)理想回傳以及不理想回傳。

系統(tǒng)吞吐量和系統(tǒng)能效比較如圖4示。圖4中LTE為傳統(tǒng)LTE HetNet，NCT為基于極簡(jiǎn)載波新載波類型，2 μs、10 ms為不同時(shí)延的C-RAN回傳。高速移動(dòng)場(chǎng)景下，由于UE的信號(hào)測(cè)量時(shí)延導(dǎo)致沒(méi)法對(duì)變化的信號(hào)的環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，并且由于切換時(shí)延導(dǎo)致切換的命令同新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不匹配，導(dǎo)致切換的失敗率增加，導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量的降低、系統(tǒng)能效降低。相比傳統(tǒng)的LTE HetNet，極簡(jiǎn)載波NCT能夠較好優(yōu)化移動(dòng)性能，即隨著UE移動(dòng)速度的增大，切換引發(fā)的性能下降會(huì)有所緩和。對(duì)于LTE HetNet，30 km/h的移動(dòng)速率就引發(fā)了42%的吞吐量以及能效的損失，相比之下，基于理想回傳的極簡(jiǎn)載波NCT的吞吐量損失是19%，而不理想回傳對(duì)應(yīng)的損失是43%（盡管如此，由于NCT大幅節(jié)約了小蜂窩固定信令傳輸開(kāi)銷，高時(shí)延NCT仍有增益）?？梢?jiàn)，NCT架構(gòu)對(duì)于切換性能的優(yōu)化（直接關(guān)系到系統(tǒng)吞吐量和能效的優(yōu)化）同C-RAN回傳密切相關(guān)。在理想回傳下，NCT的系統(tǒng)吞吐量和能效較LTE網(wǎng)絡(luò)有顯著提升，在低速場(chǎng)景（3 km/h）增益為26%，在中高速移動(dòng)場(chǎng)景下（30 km/h和60 km/h）的增益尤為明顯，分別為76%和110%。這是因?yàn)樵谥懈咚賵?chǎng)景下，基于NCT的網(wǎng)絡(luò)同時(shí)從信令節(jié)約以及移動(dòng)性提升兩個(gè)方面帶來(lái)增益。隨著回傳時(shí)延的增大，比如10 ms，基于NCT的網(wǎng)絡(luò)性能和能效增益將下降，特別是中高速移動(dòng)場(chǎng)景下，由于回傳的不及時(shí)，導(dǎo)致切換性能大幅下降，吞吐量和能效也大幅下降。結(jié)論：新型載波的設(shè)計(jì)依賴于較為理想的回傳，基于理想回傳的新型載波能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)的切換、吞吐量性能以及系統(tǒng)能效。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于數(shù)據(jù)信令解耦的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是解決密集高頻段小蜂窩部署的重要手段，得到業(yè)界的廣泛認(rèn)同。那么如何實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)信令解耦方案，提升系統(tǒng)切換、吞吐量、能效等性能，需要更多的探索。本文從一種極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波設(shè)計(jì)思想出發(fā)，探索了在C-RAN架構(gòu)下基于宏站協(xié)作實(shí)現(xiàn)無(wú)公共信道開(kāi)銷的數(shù)據(jù)載波的可能性，并給出了架構(gòu)和流程分析。該方案能夠有效解決密集高頻段小蜂窩的切換干擾、能耗較高等問(wèn)題，并且不會(huì)帶來(lái)更大的信令負(fù)荷以及時(shí)延。仿真結(jié)果顯示，方案能夠有效提升系統(tǒng)的能效、性能（吞吐量、切換）。后續(xù)工作將進(jìn)一步量化分析初始同步（時(shí)間、頻域）偏差對(duì)系統(tǒng)性能的影響。并將融合面向高頻段新型物理波形設(shè)計(jì)，驗(yàn)證所述新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的性能和能效，并進(jìn)一步優(yōu)化。

（3）RRC連接重配置

MC同UE交互完成信令承載2（SRB2）及數(shù)據(jù)承載（DRB）建立和無(wú)線資源分配。其中無(wú)線資源包含最優(yōu)SC的接入信息，包括異頻數(shù)據(jù)載頻頻域同步偏置、TA、上行接入功率、資源分配。

（4）SC接入以及數(shù)據(jù)傳輸

UE完成SRB2以及DRB配置，并且基于收到的SC的TA、利用上下行信道互易性，以及基于數(shù)據(jù)載頻頻域同步偏置，完成同最優(yōu)數(shù)據(jù)基站的上下行同步。然后，UE可以在SC上對(duì)應(yīng)無(wú)線資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；傳輸過(guò)程中可以基于隨路的DMRS，調(diào)整時(shí)間、頻域同步以及信道估計(jì)。

相比傳統(tǒng)的單連接接入流程，雙連接接入的時(shí)延可能多在連接重配置的時(shí)候不僅要考慮承載的配置，還需要考慮數(shù)據(jù)站點(diǎn)的上下行同步配置，另一方面，由于上行偵聽(tīng)方案可能實(shí)現(xiàn)不了非常精確的同步狀態(tài)（包括時(shí)頻和信道估計(jì)），需要在數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整。上行偵聽(tīng)方案對(duì)應(yīng)的能效和性能增益或者損失需要具體的評(píng)估來(lái)驗(yàn)證。

2.2.2 極簡(jiǎn)載波切換

極簡(jiǎn)載波引入后，主要新的切換場(chǎng)景是宏微載波之間的切換（如圖3所示），大致的思路類似于初始接入。不同的是觸發(fā)SC偵聽(tīng)的時(shí)機(jī)不同，MC可以根據(jù)正在服務(wù)的SC反饋上來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度低于某一門(mén)限值，則可以觸發(fā)附近的SC進(jìn)行SRS的偵聽(tīng)。同樣的，MC告知對(duì)應(yīng)的SC關(guān)于UE的標(biāo)識(shí)以及UE的SRS配置以及資源位置，然后SC偵聽(tīng)對(duì)應(yīng)SRS信號(hào)，并將SRS偵聽(tīng)信號(hào)反饋給MC，MC基于SRS獲取UE的TA估計(jì)和信號(hào)測(cè)量等。MC根據(jù)反饋信息以及其他已知的上下文信息，選擇出最優(yōu)的SC；進(jìn)一步地，MC聯(lián)合最優(yōu)SC，決定UE的無(wú)線資源分配。后續(xù)完成SC無(wú)線資源重配置和SC接入以及數(shù)據(jù)傳輸。

傳統(tǒng)LTE切換流程要求在信令面上首先釋放源站點(diǎn)的連接，并在目標(biāo)站點(diǎn)完成同步接入以及資源重配，并且在數(shù)據(jù)面上要求完成源站點(diǎn)到目的站點(diǎn)的緩存數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。相比之下，本切換流程基于C-RAN集中基帶池處理，完全是基帶池內(nèi)部操作，而且因?yàn)椴簧婕俺休d的重配置（而是站點(diǎn)和物理資源的重配）、不需要額外的隨機(jī)接入過(guò)程以及用戶面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移（因?yàn)橛脩裘娼y(tǒng)一由信令基站路由調(diào)度），能夠節(jié)約較多的空口信令，以及時(shí)延開(kāi)銷。

3 仿真評(píng)估

本文以傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）為基準(zhǔn)[10]、參照EARTH[11]功耗模型，對(duì)極簡(jiǎn)載波新型設(shè)計(jì)（NCT）進(jìn)行了評(píng)估和比較。其中重點(diǎn)考慮了不同的移動(dòng)等級(jí)，包括：3 km/h、30 km/h、60 km/h[12]，以及不同的時(shí)延的回傳，如2 μs、10 ms，分別對(duì)應(yīng)理想回傳以及不理想回傳。

系統(tǒng)吞吐量和系統(tǒng)能效比較如圖4示。圖4中LTE為傳統(tǒng)LTE HetNet，NCT為基于極簡(jiǎn)載波新載波類型，2 μs、10 ms為不同時(shí)延的C-RAN回傳。高速移動(dòng)場(chǎng)景下，由于UE的信號(hào)測(cè)量時(shí)延導(dǎo)致沒(méi)法對(duì)變化的信號(hào)的環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，并且由于切換時(shí)延導(dǎo)致切換的命令同新的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不匹配，導(dǎo)致切換的失敗率增加，導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量的降低、系統(tǒng)能效降低。相比傳統(tǒng)的LTE HetNet，極簡(jiǎn)載波NCT能夠較好優(yōu)化移動(dòng)性能，即隨著UE移動(dòng)速度的增大，切換引發(fā)的性能下降會(huì)有所緩和。對(duì)于LTE HetNet，30 km/h的移動(dòng)速率就引發(fā)了42%的吞吐量以及能效的損失，相比之下，基于理想回傳的極簡(jiǎn)載波NCT的吞吐量損失是19%，而不理想回傳對(duì)應(yīng)的損失是43%（盡管如此，由于NCT大幅節(jié)約了小蜂窩固定信令傳輸開(kāi)銷，高時(shí)延NCT仍有增益）?？梢?jiàn)，NCT架構(gòu)對(duì)于切換性能的優(yōu)化（直接關(guān)系到系統(tǒng)吞吐量和能效的優(yōu)化）同C-RAN回傳密切相關(guān)。在理想回傳下，NCT的系統(tǒng)吞吐量和能效較LTE網(wǎng)絡(luò)有顯著提升，在低速場(chǎng)景（3 km/h）增益為26%，在中高速移動(dòng)場(chǎng)景下（30 km/h和60 km/h）的增益尤為明顯，分別為76%和110%。這是因?yàn)樵谥懈咚賵?chǎng)景下，基于NCT的網(wǎng)絡(luò)同時(shí)從信令節(jié)約以及移動(dòng)性提升兩個(gè)方面帶來(lái)增益。隨著回傳時(shí)延的增大，比如10 ms，基于NCT的網(wǎng)絡(luò)性能和能效增益將下降，特別是中高速移動(dòng)場(chǎng)景下，由于回傳的不及時(shí)，導(dǎo)致切換性能大幅下降，吞吐量和能效也大幅下降。結(jié)論：新型載波的設(shè)計(jì)依賴于較為理想的回傳，基于理想回傳的新型載波能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)的切換、吞吐量性能以及系統(tǒng)能效。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于數(shù)據(jù)信令解耦的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是解決密集高頻段小蜂窩部署的重要手段，得到業(yè)界的廣泛認(rèn)同。那么如何實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)信令解耦方案，提升系統(tǒng)切換、吞吐量、能效等性能，需要更多的探索。本文從一種極簡(jiǎn)數(shù)據(jù)載波設(shè)計(jì)思想出發(fā)，探索了在C-RAN架構(gòu)下基于宏站協(xié)作實(shí)現(xiàn)無(wú)公共信道開(kāi)銷的數(shù)據(jù)載波的可能性，并給出了架構(gòu)和流程分析。該方案能夠有效解決密集高頻段小蜂窩的切換干擾、能耗較高等問(wèn)題，并且不會(huì)帶來(lái)更大的信令負(fù)荷以及時(shí)延。仿真結(jié)果顯示，方案能夠有效提升系統(tǒng)的能效、性能（吞吐量、切換）。后續(xù)工作將進(jìn)一步量化分析初始同步（時(shí)間、頻域）偏差對(duì)系統(tǒng)性能的影響。并將融合面向高頻段新型物理波形設(shè)計(jì)，驗(yàn)證所述新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的性能和能效，并進(jìn)一步優(yōu)化。