Small Cell Enhancement物理層關(guān)鍵技術(shù)研究

周代衛(wèi)，周宇，孫向前

（工業(yè)和信息化部電信研究院泰爾終端實驗室，北京 100191）

1 引言

隨著智能終端和移動互聯(lián)網(wǎng)的快速普及與迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量呈爆發(fā)式增長。雖然LTE/LTE-A商用網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和容量不斷提升，運營商仍面臨著高速增長的數(shù)據(jù)流量所帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)以及不同覆蓋場景和用戶密度下網(wǎng)絡(luò)負(fù)載失衡的問題，特別是用戶密集的熱點和室內(nèi)覆蓋盲點區(qū)域。

為解決這些問題，增強網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的分流和系統(tǒng)容量的提升，移動運營商在現(xiàn)有L T E/L T E-A網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下可部署異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Heterogeneous Network），利用宏蜂窩實現(xiàn)廣域覆蓋，同時開通小基站（Small Cell）補充移動網(wǎng)絡(luò)熱點覆蓋，進(jìn)而緩解特殊應(yīng)用場景下業(yè)務(wù)流量失衡的問題。Small Cell及其增強型技術(shù)Small Cell Enhancement（SCE）在此方面正起到越來越重要的作用。

Small Cell為工作在授權(quán)分配頻段上的低發(fā)射功率無線接入節(jié)點，通常其覆蓋范圍在10～200米之間。相比之下，宏蜂窩Macro Cell的覆蓋范圍可達(dá)數(shù)公里。Small Cell在實際應(yīng)用中可靈活配置、快速部署，用于解決熱點、盲點、弱覆蓋場景等問題，同時提升系統(tǒng)容量。在HetNet中，尤其是熱點地區(qū)，Small Cell可以有效提高整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，滿足用戶更高的業(yè)務(wù)需求。

Small Cell的產(chǎn)品形態(tài)靈活多變，可分為家用Femtocell（2×50mW）、室外Picocell（2×1W，室外補盲）、室內(nèi)Picocell（2×125mW，企業(yè)級室內(nèi)覆蓋）、Microcell（2×5W，室外補盲）等，均由電信運營商接入移動通信網(wǎng)來統(tǒng)一部署和管理。

2 Small Cell技術(shù)問題與挑戰(zhàn)

HetNet通過宏基站和小基站的多層級分層次部署，其中宏基站主要提供廣域覆蓋，而小基站用于提供熱點補充和室內(nèi)覆蓋，從而總體上提高了頻譜資源利用率，同時提供了更靈活的部署方案，緩解了移動通信網(wǎng)數(shù)據(jù)流量的負(fù)載失衡。但基站密度和接入網(wǎng)層級的提升將帶來組網(wǎng)復(fù)雜度的提高，也產(chǎn)生了一系列新的技術(shù)問題和挑戰(zhàn)，具體可以概括為如下幾方面：

2.1 小區(qū)間干擾

Small Cell部署后的干擾包括：Small Cell與Macro Cell的相互干擾、相鄰Small Cell間的干擾、Macro Cell終端用戶對Small Cell接收的干擾等。

Small Cell與Macro Cell間的干擾可以通過異頻組網(wǎng)逐步優(yōu)化，但僅適用于運營商頻譜資源較充足的情況。而實際上LTE/LTE-A一般采用宏微同頻組網(wǎng)，對于非補盲情形，宏微之間需要采取干擾協(xié)同策略以抑制相關(guān)干擾，如幾乎空白子幀ABS技術(shù)。

對于相鄰Small Cell間的干擾，Small Cell發(fā)射功率如果過大，則容易對宏站或其他Small Cell設(shè)備產(chǎn)生干擾，而發(fā)射功率過小又不能滿足一定的覆蓋要求，所以Small Cell還需要達(dá)到根據(jù)干擾狀況自動動態(tài)調(diào)整和設(shè)定其發(fā)射/導(dǎo)頻頻率的要求。

至于Macro Cell終端用戶對Small Cell接收的干擾，當(dāng)Macro Cell用戶穿越具有封閉用戶組CSG屬性的特定Small Cell區(qū)域時，因其不能接入Small Cell，該用戶下行鏈路將受到Small Cell下行信號的較大干擾，同時此用戶發(fā)射的上行信號則會干擾到Small Cell用戶的上行鏈路。為了減少這種干擾對用戶的影響，3GPP在Rel-10及后續(xù)版本對原有的干擾協(xié)調(diào)機制進(jìn)行增強，也即eICIC機制以及后續(xù)演進(jìn)的feICIC。

2.2 移動性管理

基站分布密度的攀升將不可避免地導(dǎo)致用戶越區(qū)切換愈發(fā)頻繁，一方面加重了網(wǎng)絡(luò)側(cè)的協(xié)議負(fù)荷和信令處理難度，另一方面Small Cell相對較小的覆蓋范圍會導(dǎo)致在執(zhí)行原有切換流程時較高的失敗率。

目前，LTE/LTE-A的切換參數(shù)配置原本是基于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境而設(shè)計，但在HetNet中，小區(qū)邊界處的信號變化并不同于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，同時終端測量指標(biāo)也更復(fù)雜。因此主要為同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)而設(shè)定的切換參數(shù)并不能適應(yīng)HetNet環(huán)境下的切換。

為了解決HetNet中的移動性問題，3GPP主要從2個方向開展技術(shù)研究：一種是盡可能地簡化切換流程，并降低切換頻次，即當(dāng)終端用戶在同一Macro Cell范圍內(nèi)的不同Small Cell間移動時，通過由Macro Cell主導(dǎo)和決定是否需要切換，并總體上控制切換流程；另一種方向是針對HetNet本身特性進(jìn)行優(yōu)化，如采用移動性錨點（Mobility Anchor）技術(shù)，以及針對HetNet的切換參數(shù)做進(jìn)一步的重定義、擴(kuò)展和優(yōu)化等。

2.3 回程承載

Small Cell回程網(wǎng)絡(luò)通常采用公用數(shù)據(jù)網(wǎng)PDN，如xDSL，但PDN因同時承載固網(wǎng)寬帶用戶，其傳輸帶寬經(jīng)常受其他用戶的擠占和忙閑時的影響，擁塞也時常發(fā)生。但信令、操作管理維護(hù)OAM及交互類業(yè)務(wù)（如Video Streaming、VoIP等）對數(shù)據(jù)速率、報文延時/抖動、丟包率有較高要求，必須在傳輸層面保障不同業(yè)務(wù)的QoS等級。

在PDN傳輸質(zhì)量難以保障的情況下可改用無線傳輸，但需要事先評估Small Cell與無線傳輸中繼節(jié)點間的無線傳輸信道質(zhì)量，當(dāng)無線信道質(zhì)量較好時，如無障礙物的視距傳播LOS條件，可采用微波傳輸，但在建筑物密集且衰落大的城市環(huán)境，可使用非視距傳播NLOS技術(shù)來解決回程問題，如Relay。

2.4 負(fù)荷均衡

在系統(tǒng)容量方面，通常Small Cell比Macro Cell小很多，因此在移動用戶和業(yè)務(wù)分布不均的情況下，特別是熱點地區(qū)和高峰時段，容易出現(xiàn)部分Small Cell用戶超限和流量擁塞，而部分其他Small Cell較為空閑的情況，這將拉低網(wǎng)絡(luò)的整體使用率，同時直接關(guān)系到用戶使用感受，還可能引發(fā)網(wǎng)絡(luò)過載甚至癱瘓等故障。

為高效利用Small Cell系統(tǒng)資源，有效分流網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的動態(tài)調(diào)配，通?？刹扇煞矫娴呐e措：一方面通過重定向Redirection機制將系統(tǒng)繁忙的Small Cell用戶轉(zhuǎn)移至空閑的鄰區(qū)Small Cell；另一方面通過小區(qū)邊界擴(kuò)展技術(shù)CRE（Cell Range Extension）來吸收更多的Macro Cell用戶，分流更多的宏站流量。

2.5 維護(hù)和優(yōu)化

Small Cell在具體部署位置和配置數(shù)量上可靈活調(diào)整，且數(shù)目較為龐大，在實際應(yīng)用中鄰區(qū)配置的不合理會導(dǎo)致HetNet進(jìn)一步復(fù)雜化，非常不利于系統(tǒng)規(guī)劃和后續(xù)優(yōu)化，也不利于用戶移動性管理，降低用戶使用體驗。同時，過多的鄰區(qū)也可能導(dǎo)致小區(qū)切換更頻繁，增加終端設(shè)備功耗，浪費網(wǎng)絡(luò)資源。因此在部署規(guī)劃、運營維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方面都存在很大的挑戰(zhàn)。

針對HetNet的這一特點，在前期網(wǎng)絡(luò)部署時需充分考慮到不同場景下配置鄰區(qū)的數(shù)量和切換參數(shù)以及鄰小區(qū)的無線環(huán)境和系統(tǒng)負(fù)載，通過SON自組網(wǎng)技術(shù)自主配置網(wǎng)絡(luò)，減少人為干預(yù)；同時通過后期的不斷維護(hù)，優(yōu)化鄰小區(qū)測量配置，避免冗余的宏微小區(qū)間切換、乒乓切換等。

3 SCE物理層關(guān)鍵技術(shù)

為有效解決上述Small Cell所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，3GPP在Rel-12中提出了小區(qū)增強SCE（Small Cell Enhancement）技術(shù)，并重點在底層物理層提出了兩大關(guān)鍵優(yōu)化和改進(jìn)方向：頻譜效率的提高和小區(qū)間高效協(xié)作。

3.1 頻譜效率的提高

為提高LTE/LTE-A現(xiàn)行頻譜效率，在SCE技術(shù)框架中，通過如下3個方面的機制可進(jìn)一步提升有限的頻譜帶寬的利用效率。

（1）高階調(diào)制方式256QAM

LTE/LTE-A空口Uu受無線信道質(zhì)量的影響，目前使用的最高效的調(diào)制方式為64QAM。而在Small Cell部署場景下，小區(qū)覆蓋范圍小，且用戶呈幾何分布，特別是在室內(nèi)且用戶移動性低的場景下，信道質(zhì)量較有保障，這使得在用戶的下行傳輸鏈路中引入更高階調(diào)制成為可能，如256QAM。

而256QAM的引入將導(dǎo)致現(xiàn)行的信道質(zhì)量指示符CQI、對應(yīng)的調(diào)制與編碼策略MCS和傳輸塊大小TBS的不足，需要對其進(jìn)行擴(kuò)展以涵蓋256QAM等高階調(diào)制方式；同時上層MAC/RRC層的適配機制和eNodeB選擇/通知UE使用新CQI/MCS/TBS的機制也需要做相應(yīng)的適配和完善。

（2）減少用戶特定參考信號

在Small Cell的部署場景下，其物理信道具備如下2個特性：

1）因時延擴(kuò)展比較小而導(dǎo)致的頻率選擇性衰落較?。?/p>

2）因用戶的移動性低而導(dǎo)致的時間選擇性衰落較小。

上述特性使得上下行用戶特定參考信號開銷的降低具有可行性。

在下行用戶特定參考信號部分，其主要受PRB綁定大小、用戶移動速度、調(diào)制方式、傳輸損傷等因素的影響，當(dāng)信噪比SINR較好時，參考信號降低效果明顯。

而用戶的上行特定參考信號在時域和頻域都可考慮減少開銷，方式包括減少每個子幀上參考信號符號的數(shù)目、減少攜帶參考信號的子載波的數(shù)目等。

（3）控制信令的增強

多子幀調(diào)度和跨子幀調(diào)度可以用來減少控制信令開銷。對于多子幀調(diào)度和跨子幀調(diào)度這2種方法的有效性和潛在增益有多種不同觀點，目前為止仍沒有確定這2種方法所能取得的增益。但是這2種方法使得PUSCH的調(diào)度更加容易，比如幾乎空白子幀ABS的調(diào)度。

傳輸PDSCH/EPDCCH的OFDM的第1個符號#0可以用來減少控制信令開銷。仿真結(jié)果已經(jīng)證明通過這種方法可以取得一定增益，但是該方法只能在類似于PQI引入TM10的方式下才會有效，同時會影響到eNodeB通知UEPDSCH/EPDCCH起始符的信令和相應(yīng)的兼容機制。

3.2 小區(qū)間高效協(xié)作

除了進(jìn)一步提升頻譜效率外，在SCE物理層技術(shù)體系中，還可以通過優(yōu)化和改善小區(qū)層間的協(xié)作機制克服文章前面所描述的困難和挑戰(zhàn)，其主要技術(shù)手段可概括為如下3類：

（1）干擾避免與協(xié)作

SCE中主要有如下幾種干擾避免與協(xié)作技術(shù)：

1）Small Cell開關(guān)

Small Cell的開關(guān)機制是指HetNet中在適當(dāng)時刻關(guān)閉某些小區(qū)或者喚醒某些處于關(guān)閉狀態(tài)的小區(qū)，從而減少Small Cell之間的干擾，優(yōu)化整個通信系統(tǒng)。

Small Cell的開關(guān)機制包括為了節(jié)能的長期休眠、半靜態(tài)開關(guān)機制、理想動態(tài)開關(guān)機制、新載波類型NCT及NCT參考信號等。

2）增強型功率控制與調(diào)整

Small Cell的下行功率控制增強是指Small Cell能自適應(yīng)調(diào)整其發(fā)射功率，包括公共控制信道和業(yè)務(wù)信道發(fā)射功率。下行功率控制可以針對特定小區(qū)或用戶進(jìn)行設(shè)定。

Small Cell的上行功率控制增強主要考慮用戶對相鄰非服務(wù)小區(qū)形成的干擾，在決定上行功率時統(tǒng)籌考慮用戶到服務(wù)小區(qū)和多個鄰區(qū)的路徑損耗。

3）多小區(qū)場景下增強型頻域功率控制

在Small Cell密集部署場景下，不再只有單一的干擾源，隨著小區(qū)數(shù)的增多，小區(qū)間的互相干擾將越多越復(fù)雜。而增強型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)eICIC在時域與頻域上都可以進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)。

在時域干擾協(xié)調(diào)方面，可采取的措施有：不同小區(qū)采用不同的ABS類型、ABS類型快速自適應(yīng)、eNodeB根據(jù)數(shù)據(jù)域CRS是否存在而采取不同的功率控制機制等。ABS只包含一些必要信號，比如PSS/SSS、PBCH、CRS、Paging、SIB1等（用來兼容Rel-8/9的版本），且功率很低。eICIC通過在干擾小區(qū)中配置ABS子幀，而被干擾小區(qū)則使用這些ABS子幀為原來在小區(qū)中受較強干擾的用戶提供業(yè)務(wù)，從而實現(xiàn)了小區(qū)間干擾的協(xié)調(diào)。

在頻域方面，通過不同的小區(qū)配置不同的PRB/CC，包括自動的載波選擇等措施可以進(jìn)一步協(xié)調(diào)干擾。

另外，ePDCCH可以進(jìn)一步減少小區(qū)間的控制信道干擾，服務(wù)小區(qū)和相鄰小區(qū)可對其承載的ePDCCH進(jìn)行聯(lián)合發(fā)射、波束賦形、資源預(yù)留和動態(tài)小區(qū)選擇等。

4）負(fù)載均衡

負(fù)載均衡的目的是通過均衡各個小區(qū)的業(yè)務(wù)負(fù)荷從而提升整個系統(tǒng)的性能。負(fù)載均衡不僅使小區(qū)間業(yè)務(wù)量分布更加合理，而且在Small Cell密集部署場景下可降低小區(qū)間干擾。

通過小區(qū)間的協(xié)作可有效地實現(xiàn)負(fù)載均衡，比如利用較長的用戶信噪比SINR測量周期、短的參考信號接收質(zhì)量RSRQ與SINR測量周期、CSI-IM資源的干擾測量等。

（2）小區(qū)和配置的探測

在Small Cell密集部署的場景下，同步信號/參考信號之間的干擾更加強烈，且在多載波部署下的異頻小區(qū)識別難度更大，同時為避免PCI沖突和混淆所導(dǎo)致的小區(qū)規(guī)劃難度增加，同時也有必要形成有效的機制以支持小區(qū)開關(guān)。

增強的小區(qū)探測機制可以認(rèn)為是對相鄰小區(qū)的及時偵測，針對小區(qū)探測的同時異頻小區(qū)測量機制可保證終端的能效和終端偵測/測量的時間要求，其主要在如下4個方面增強：

1）PSS/SSS干擾消除

用戶主同步信號PSS/輔同步信號SSS的干擾消除可以用來提高小區(qū)探測的性能，如通過濾除干擾的影響使得更多的Small Cell可以被偵測到。這不需要定義一種新的標(biāo)準(zhǔn)流程，而只需要重新定義終端的性能要求即可。

2）DL-SS/RS的突發(fā)性傳輸

在Small Cell開關(guān)機制的配合下，Small Cell在休眠狀態(tài)或非連續(xù)發(fā)射DTX狀態(tài)下可以以低占空比發(fā)送突發(fā)性下行同步/參考信號（DL-SS/RS）。網(wǎng)絡(luò)能夠基于處于連接態(tài)下的終端測量結(jié)果來快速決定是否激活eNodeB，同時處于空閑態(tài)下的終端也能知道即將建立連接的可用小區(qū)。

3）網(wǎng)絡(luò)同步和輔助

基站通過告知處于連接態(tài)的終端其所處小區(qū)簇的粗略同步時間信息，能降低終端小區(qū)偵測的難度，特別是在同一小區(qū)簇中小區(qū)同步傳輸SS/RS的配置下。

雖然SS/RS信息的同步傳輸可能導(dǎo)致小區(qū)簇的嚴(yán)重干擾，但是通過網(wǎng)絡(luò)輔助提供的粗略時間信息，終端可最大程度地降低搜索時間窗口，同時基于SS/RS信號間的同步和有效的干擾抑制手段，最大限度地提高PSS/SSS干擾消除的性能增益。

4）新的小區(qū)發(fā)現(xiàn)機制

潛在的增強小區(qū)發(fā)現(xiàn)性能的方法主要有2種：第1種為現(xiàn)有的基于RS的偵測，另一種為修正的或新的基于SS/RS的偵測。

新的小區(qū)發(fā)現(xiàn)機制允許在單一子幀內(nèi)同步傳輸?shù)腄L-SS/RS信號穩(wěn)定地偵測/測量，并進(jìn)一步提高異頻測量的效率和頻內(nèi)移動性的魯棒性。

（3）基于空口的同步機制

在時分雙工TDD系統(tǒng)中，使用相同頻段的同頻或異頻小區(qū)間需要嚴(yán)格同步。而對于頻分雙工FDD系統(tǒng)，也需要考慮小區(qū)間同步機制，以便發(fā)揮特定功能的作用，如（f）eICIC，CoMP和載波聚合等以及SCE可能使用的新技術(shù)，如高效的小區(qū)探測等。

通過全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS或回程網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步的方式，對于室內(nèi)覆蓋或高樓林立等Small Cell部署場景將不再適用，同時也會帶來額外建設(shè)成本。因此在這2種同步機制不可用的情況下，需要引入一種基于空口的同步方式予以彌補。

在所有無線接口均為非理想回程的情況下，Small Cell間的同步包括Macro Cell與其覆蓋范圍內(nèi)的Small Cell之間的同步、同一簇中Small Cell間的同步、不同簇間的同步。具體主要通過如下2種方式實現(xiàn)：

1）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽

目標(biāo)小區(qū)直接監(jiān)聽源小區(qū)的RS信息，具體包括CRS、CSI-RS、PRS等，從而保證與源小區(qū)的同步，圖1給出了一個小區(qū)同步的示例。當(dāng)目標(biāo)小區(qū)與源小區(qū)同頻且目標(biāo)小區(qū)在監(jiān)聽源小區(qū)時，目標(biāo)小區(qū)需暫停其服務(wù)終端的下行傳輸。

對于一般終端用戶，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽的周期可以在多播單頻網(wǎng)絡(luò)MBSFN子幀中配置（除了TDD上下行配比0時）或者在TDD系統(tǒng)中在保護(hù)間隔GP上配置。

圖1 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽

2）終端輔助的同步機制

目標(biāo)小區(qū)與源小區(qū)的同步可通過終端提供或獲得的某些信息來實現(xiàn)，同時也包括小區(qū)的層級指示等。

終端輔助的同步機制的精確度受多個因素的影響，具體包括可用的和選擇的終端數(shù)、被選終端下行或eNodeB上行側(cè)接收信號的信道狀況、終端側(cè)目標(biāo)小區(qū)與源小區(qū)傳播時延的差異、因頻率同步誤差導(dǎo)致的測量間時間漂移量等。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)正逐步向移動網(wǎng)絡(luò)遷移，未來移動通信業(yè)務(wù)將呈現(xiàn)泛在化和多樣性的特性，用戶對傳輸速率、時延、移動性和可靠性等方面有了更高的要求，而移動數(shù)據(jù)流量分布將更為集中，無線網(wǎng)絡(luò)將需要同時確保足夠的廣域覆蓋和熱點分流。而未來HetNet架構(gòu)下的宏微分層和多層級小區(qū)部署將是無線接入網(wǎng)的主要建設(shè)形式，同時可結(jié)合WLAN等其他制式網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)靈活部署。

而Small Cell及增強型Small Cell Enhancement在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋、數(shù)據(jù)分流和容量提升等方面有明顯優(yōu)勢，然而也面臨著干擾嚴(yán)重和移動性管理復(fù)雜等問題。通過SCE關(guān)鍵物理層的一系列技術(shù)舉措，進(jìn)一步提高了頻譜利用效率和小區(qū)間協(xié)作能力，從而提升了系統(tǒng)容量和抗擁塞性能，為用戶帶來前所未有的極致體驗。

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