LTE異構(gòu)網(wǎng)技術(shù)分析

符新+周巍

,,【摘要】隨著社會和通信技術(shù)的發(fā)展，人們對移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求爆發(fā)性增長，而頻率和站址的資源缺失有限的，已經(jīng)無法滿足其如此迅速的增長。在此背景下，應(yīng)用新技術(shù)來疏導(dǎo)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，分類數(shù)據(jù)流量勢在必行，異構(gòu)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。它將成為移動網(wǎng)絡(luò)的長期發(fā)展趨勢，但是異構(gòu)網(wǎng)的引入又帶來復(fù)雜的同頻干擾、移動性管理等問題。本文將對LTE 異構(gòu)網(wǎng)的組網(wǎng)方案、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并提出組網(wǎng)及技術(shù)應(yīng)用建議。

【關(guān)鍵詞】異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)低功率節(jié)點(diǎn)異構(gòu)網(wǎng)的影響路由技術(shù)覆蓋范圍擴(kuò)展協(xié)作多點(diǎn)傳輸

一、引言

LTE 的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)概念，定義為各種制式、各種功率等級的基站設(shè)備組成的多系統(tǒng)、多層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在LTE 階段， 異構(gòu)網(wǎng)的應(yīng)用有其獨(dú)有的優(yōu)勢。首先，LTE 在時(shí)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(shí)現(xiàn)信號干擾協(xié)調(diào)；其次，下一代移動核心網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備可支持多種制式的無線接入技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對異構(gòu)網(wǎng)的統(tǒng)一控制。

異構(gòu)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)在一個區(qū)域內(nèi)重疊覆蓋多個類型的小區(qū)，實(shí)現(xiàn)不同層網(wǎng)絡(luò)間的同頻部署，在頻點(diǎn)資源緊張的情況下起到改善深度覆蓋、增加網(wǎng)絡(luò)容量、提升用戶感知的作用。

二、LTE異構(gòu)網(wǎng)的主要問題及影響

LTE異構(gòu)組網(wǎng)可以帶來網(wǎng)絡(luò)容量的提升、網(wǎng)絡(luò)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(gòu)網(wǎng)，異構(gòu)網(wǎng)會面臨一些自身特有的問題，主要包括以下幾點(diǎn)。

1、低功率節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍及分流問題。異構(gòu)網(wǎng)中低功率節(jié)點(diǎn)的主要作用是吸收熱點(diǎn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，起到分流作用。但是顧名思義，其發(fā)射功率都較低，由于服務(wù)小區(qū)的選址機(jī)制，用戶會選址覆蓋區(qū)域內(nèi)信號較強(qiáng)的小區(qū)，其導(dǎo)致的結(jié)果就是低功率節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍太小，其吸收熱點(diǎn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的作用大打折扣。

2、切換問題對性能的影響。異構(gòu)網(wǎng)低功率節(jié)點(diǎn)的存在，使得服務(wù)小區(qū)數(shù)量和類型都越來越多，小區(qū)間的切換變得日益復(fù)雜。上文提到低功率節(jié)點(diǎn)的實(shí)際覆蓋范圍較小，其范圍內(nèi)的用戶基本都處于移動狀態(tài)，隨著場景內(nèi)用戶移動速度的提升，用戶駐留時(shí)間逐漸變短，這樣的結(jié)果就是用戶頻繁的在小區(qū)間切換，切換失敗率越來越高。這對網(wǎng)絡(luò)性能及用戶體驗(yàn)都有極大的影響，如圖1所示。

3、回傳

因異構(gòu)網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)，其站點(diǎn)數(shù)量的規(guī)模是巨大的，回傳需求因?yàn)榇笤?。由于低功率?jié)點(diǎn)的建設(shè)成本都較低，所以它的回傳也不會大動干戈，銅纜、光纖、微波等各種各種的寬帶接入鏈路作為回傳，在此情況下，回傳鏈路在時(shí)延、帶寬等方面的差異非常大，無法得到保障，嚴(yán)重影響了異構(gòu)網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同工作及其性能。

面臨以上問題的同時(shí)，異構(gòu)網(wǎng)對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在多個方面都有著影響。

在規(guī)劃方面：選址要分層覆蓋，發(fā)揮宏站和微站及RELAY各自的優(yōu)勢，全面解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣度和深度、及容量問題，避免使用單一站型產(chǎn)生的設(shè)備浪費(fèi)和效果不佳問題。頻率設(shè)置要不影響或盡量小影響宏站性能，有效利用建筑物等的阻隔降低干擾，利用各種干擾控制技術(shù)規(guī)避干擾。

在優(yōu)化方面：要根據(jù)不同層網(wǎng)絡(luò)的角色定位針對優(yōu)化，宏站保證覆蓋，微站補(bǔ)充容量和覆蓋。宏微小區(qū)間的切換和重選關(guān)系復(fù)雜、且不同場景會有不同的設(shè)置原則，宏微小區(qū)的參數(shù)也要根據(jù)測試情況來酌情設(shè)置。

在維護(hù)方面：由于微基站一般都部署在掛墻、抱桿、天花板上，近端維護(hù)及上站基本不可行，遠(yuǎn)程維護(hù)需求大增。由于微基站部署量大，對于客戶問題的定位（客戶投訴定位）往往不希望像宏基站一樣采用現(xiàn)場撥測的方式，最好能通過免撥測來定位故障。

三、異構(gòu)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

為了提高異構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行增強(qiáng)，包括異構(gòu)網(wǎng)路由技術(shù)、小區(qū)覆蓋范圍擴(kuò)展、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、協(xié)作多點(diǎn)傳輸及移動性增強(qiáng)等。

3.1異構(gòu)網(wǎng)路由技術(shù)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中通常情況下從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)會同時(shí)存在多條不同的路徑，為了確保信息能到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，必需利用網(wǎng)絡(luò)中的冗余路由，同時(shí)為獲取最終的正確數(shù)據(jù)包，充分利用經(jīng)過不同的路由到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的相同數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)糾錯。另外，還可通過采用各類編碼的方式實(shí)現(xiàn)路由安全性，并實(shí)現(xiàn)路由的維護(hù)和恢復(fù)機(jī)制。

下面簡單介紹幾種主要的安全路由協(xié)議：（1）Sead路由協(xié)議，該協(xié)議考慮的重點(diǎn)主要包括了路由更新驗(yàn)證、哈希鏈、距離矢量尋路。（2）DSR輕量級安全路由協(xié)議，DSR協(xié)議既能保證不會刪除路由過程中的各中間節(jié)點(diǎn)，也能保證在路由過程中不會再增添新節(jié)點(diǎn)。為了能夠立刻檢測出列表中的任何變化，該協(xié)議的基本方法是設(shè)置了一個認(rèn)證器于源路由的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)列表每一跳中。（3）按需距離矢量路由安全協(xié)議。對DSDV、AODV等距離矢量路由協(xié)議來說，各中間節(jié)點(diǎn)必須廣播正確的路由參數(shù)是它們所關(guān)注的重要的安全問題。比如，如果路由參數(shù)包括了跳數(shù)，那么各節(jié)點(diǎn)只能對跳數(shù)加1。具體辦法是設(shè)計(jì)一個跳數(shù)的置亂串，確保路由的更新消息中跳數(shù)不會被中間節(jié)點(diǎn)所遞減。該置亂串與認(rèn)證單向的HMAC密鑰串不一樣，無需時(shí)間上的同步。（4）安全鏈路狀態(tài)路由SLSP。SLSP協(xié)議的方式與互聯(lián)網(wǎng)的鏈路狀態(tài)路由協(xié)議類似，各節(jié)點(diǎn)為更新和獲取其相鄰區(qū)域信息，都使用相鄰節(jié)點(diǎn)查找協(xié)議，為實(shí)現(xiàn)鏈路狀態(tài)信息的傳播，都通過周期性洪泛鏈路狀態(tài)LSU來進(jìn)行分組更新。

3.2覆蓋范圍擴(kuò)展

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

在CRE 機(jī)制中，服務(wù)小區(qū)的選擇條件如下：

服務(wù)小區(qū)=arg maxi∈∧（RSRPi+Biasi）

其中RSRP 表示小區(qū)參考信號強(qiáng)度，Bias 表示服務(wù)小區(qū)選擇門限偏移量，兩者單位為dB，∧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(diǎn)設(shè)置較高的偏移值，從而擴(kuò)展低功率節(jié)點(diǎn)的服務(wù)范圍， 目前CRE 主要用于Pico 覆蓋范圍的擴(kuò)展。同時(shí)，由于終端的發(fā)射功率是一樣的，接入Pico 時(shí)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(shí)提升用戶上行鏈路質(zhì)量。

CRE 在擴(kuò)展低功率節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍的同時(shí)，會使得低功率節(jié)點(diǎn)覆蓋邊緣受到的宏基站下行干擾更為嚴(yán)重，所以也必須要有更有效的干擾抑制和協(xié)調(diào)技術(shù)。

3.3協(xié)作多點(diǎn)傳輸

協(xié)作多點(diǎn)傳輸（CoMP）技術(shù)是在多個協(xié)作節(jié)點(diǎn)（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(yù)編碼矩陣索引（PMI）等進(jìn)行協(xié)作處理，以提高小區(qū)邊緣用戶的性能。

使用CoMP 技術(shù)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(diǎn)聯(lián)合處理對上行信號進(jìn)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。

CoMP 的實(shí)現(xiàn)需要網(wǎng)元間緊密協(xié)調(diào)， 如采用聯(lián)合傳輸時(shí)，由多個協(xié)作節(jié)點(diǎn)同時(shí)向用戶提供PDSCH 數(shù)據(jù)傳輸，信號之間的時(shí)延必須滿足LTE 系統(tǒng)的CP 要求才能被接收機(jī)正確接收，節(jié)點(diǎn)間必須保持同步；另外為滿足HARQ 的嚴(yán)格時(shí)序要求，節(jié)點(diǎn)須具備低時(shí)延的回傳鏈路。在HetNet場景下，各種低功率節(jié)點(diǎn)回傳鏈路質(zhì)量參差不齊，對CoMP的實(shí)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(diǎn)，對于使用其他傳輸，且需要進(jìn)行eNode B 間協(xié)調(diào)的異構(gòu)網(wǎng)場景，CoMP 的適用性有待進(jìn)一步研究。

3.4移動性增強(qiáng)

由于異構(gòu)網(wǎng)的特性，它會影響通信的移動性能，根據(jù)3GPP研究結(jié)果，異構(gòu)網(wǎng)切換失敗率較宏基同構(gòu)網(wǎng)增加近一倍（從2.4%增加到4.6%），且因?yàn)榈凸β使?jié)點(diǎn)覆蓋范圍等因素的影響，異構(gòu)網(wǎng)用戶切換更加頻繁。

為此，我們不得不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(biāo)包括：（1）保持用戶在不同小區(qū)間移動時(shí)業(yè)務(wù)覆蓋的連續(xù)性，支持宏站與低功率節(jié)點(diǎn)間的切換，支持低功率節(jié)點(diǎn)之間的切換。（2）保證切換時(shí)延、切換成功率等指標(biāo)，盡量減少不必要的切換。（3）具有較好的小區(qū)選擇策略，用戶在信號重疊區(qū)應(yīng)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(wù)要求等基本條件外，還要兼顧網(wǎng)絡(luò)整體效率。

目前宏站與Pico、RRH 等低功率節(jié)點(diǎn)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。另外， 需考慮異構(gòu)網(wǎng)相關(guān)增強(qiáng)技術(shù)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(shí)性；非連續(xù)發(fā)送可能會影響連接態(tài)切換的及時(shí)性, 所以我們還有很多問題需要進(jìn)一步研究解決。

四、總結(jié)

未來的無線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、構(gòu)成復(fù)雜、覆蓋廣，業(yè)務(wù)種類及服務(wù)質(zhì)量要求多樣，其網(wǎng)絡(luò)特征與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、各類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其設(shè)計(jì)方法、以及物理層技術(shù)呈現(xiàn)異構(gòu)化傾向。異構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要研究方向。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)能夠充分利用現(xiàn)有不同無線網(wǎng)絡(luò)之間的特性互補(bǔ)效能，為不同的用戶提供較好的接入服務(wù)，從而讓用戶享受到更便捷的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，對它的研究具有重大的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3]Sara Landstrōm, Anders Furusksar, Klas Johansson, et al.Heterogeneous networks—increasing cellular capacity. EricssonReview，2011（1）

[4]程日濤，趙旭凇. TD-LTE異構(gòu)網(wǎng)層間互操作策略與實(shí)現(xiàn)機(jī)制分析. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2013（1）

3.4移動性增強(qiáng)

由于異構(gòu)網(wǎng)的特性，它會影響通信的移動性能，根據(jù)3GPP研究結(jié)果，異構(gòu)網(wǎng)切換失敗率較宏基同構(gòu)網(wǎng)增加近一倍（從2.4%增加到4.6%），且因?yàn)榈凸β使?jié)點(diǎn)覆蓋范圍等因素的影響，異構(gòu)網(wǎng)用戶切換更加頻繁。

為此，我們不得不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(biāo)包括：（1）保持用戶在不同小區(qū)間移動時(shí)業(yè)務(wù)覆蓋的連續(xù)性，支持宏站與低功率節(jié)點(diǎn)間的切換，支持低功率節(jié)點(diǎn)之間的切換。（2）保證切換時(shí)延、切換成功率等指標(biāo)，盡量減少不必要的切換。（3）具有較好的小區(qū)選擇策略，用戶在信號重疊區(qū)應(yīng)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(wù)要求等基本條件外，還要兼顧網(wǎng)絡(luò)整體效率。

目前宏站與Pico、RRH 等低功率節(jié)點(diǎn)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。另外， 需考慮異構(gòu)網(wǎng)相關(guān)增強(qiáng)技術(shù)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(shí)性；非連續(xù)發(fā)送可能會影響連接態(tài)切換的及時(shí)性, 所以我們還有很多問題需要進(jìn)一步研究解決。

四、總結(jié)

未來的無線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、構(gòu)成復(fù)雜、覆蓋廣，業(yè)務(wù)種類及服務(wù)質(zhì)量要求多樣，其網(wǎng)絡(luò)特征與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、各類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其設(shè)計(jì)方法、以及物理層技術(shù)呈現(xiàn)異構(gòu)化傾向。異構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要研究方向。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)能夠充分利用現(xiàn)有不同無線網(wǎng)絡(luò)之間的特性互補(bǔ)效能，為不同的用戶提供較好的接入服務(wù)，從而讓用戶享受到更便捷的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，對它的研究具有重大的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3]Sara Landstrōm, Anders Furusksar, Klas Johansson, et al.Heterogeneous networks—increasing cellular capacity. EricssonReview，2011（1）

[4]程日濤，趙旭凇. TD-LTE異構(gòu)網(wǎng)層間互操作策略與實(shí)現(xiàn)機(jī)制分析. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2013（1）

3.4移動性增強(qiáng)

由于異構(gòu)網(wǎng)的特性，它會影響通信的移動性能，根據(jù)3GPP研究結(jié)果，異構(gòu)網(wǎng)切換失敗率較宏基同構(gòu)網(wǎng)增加近一倍（從2.4%增加到4.6%），且因?yàn)榈凸β使?jié)點(diǎn)覆蓋范圍等因素的影響，異構(gòu)網(wǎng)用戶切換更加頻繁。

為此，我們不得不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(biāo)包括：（1）保持用戶在不同小區(qū)間移動時(shí)業(yè)務(wù)覆蓋的連續(xù)性，支持宏站與低功率節(jié)點(diǎn)間的切換，支持低功率節(jié)點(diǎn)之間的切換。（2）保證切換時(shí)延、切換成功率等指標(biāo)，盡量減少不必要的切換。（3）具有較好的小區(qū)選擇策略，用戶在信號重疊區(qū)應(yīng)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(wù)要求等基本條件外，還要兼顧網(wǎng)絡(luò)整體效率。

目前宏站與Pico、RRH 等低功率節(jié)點(diǎn)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。另外， 需考慮異構(gòu)網(wǎng)相關(guān)增強(qiáng)技術(shù)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(shí)性；非連續(xù)發(fā)送可能會影響連接態(tài)切換的及時(shí)性, 所以我們還有很多問題需要進(jìn)一步研究解決。

四、總結(jié)

未來的無線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、構(gòu)成復(fù)雜、覆蓋廣，業(yè)務(wù)種類及服務(wù)質(zhì)量要求多樣，其網(wǎng)絡(luò)特征與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、各類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其設(shè)計(jì)方法、以及物理層技術(shù)呈現(xiàn)異構(gòu)化傾向。異構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要研究方向。異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)能夠充分利用現(xiàn)有不同無線網(wǎng)絡(luò)之間的特性互補(bǔ)效能，為不同的用戶提供較好的接入服務(wù)，從而讓用戶享受到更便捷的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，對它的研究具有重大的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3]Sara Landstrōm, Anders Furusksar, Klas Johansson, et al.Heterogeneous networks—increasing cellular capacity. EricssonReview，2011（1）

[4]程日濤，趙旭凇. TD-LTE異構(gòu)網(wǎng)層間互操作策略與實(shí)現(xiàn)機(jī)制分析. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2013（1）