Small Cell Enhancement關(guān)鍵技術(shù)研究

周代衛(wèi) 中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室工程師

高 瑞 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院碩士研究生在讀

周 宇 中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師

孫向前 中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室國(guó)際認(rèn)證部主任

1 引言

為了有效解決迅猛增長(zhǎng)的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量，特別是用戶密集的室內(nèi)外熱點(diǎn)覆蓋問題，第三代移動(dòng)伙伴計(jì)劃3GPP 在 R12中提出Small Cell Enhancement（SCE）的解決方案。SmallCell是工作在授權(quán)分配頻段上的低功率無線接入節(jié)點(diǎn)，其覆蓋范圍通常在10～200m之間。相比之下，宏蜂窩MacroCell的覆蓋范圍可以達(dá)到數(shù)公里。

SmallCell可以是 PicoCell，也可以是FemtoCell、Relay、RRH等。SmallCell作為3G/4G宏蜂窩的補(bǔ)充，能夠使運(yùn)營(yíng)商以更低的成本為用戶提供更好的無線寬帶語音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。隨著LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量的不斷提升，運(yùn)營(yíng)商仍面臨高速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量所帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，高效的頻譜資源利用是分流的有效方法之一。SmallCell在這方面正扮演著越來越重要的角色，用來覆蓋盲區(qū)以及分流熱點(diǎn)區(qū)域流量。SmallCell具有靈活、快速部署的優(yōu)點(diǎn)，可以解決熱點(diǎn)、盲點(diǎn)、弱覆蓋場(chǎng)景等問題。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，尤其是熱點(diǎn)地區(qū)，SmallCell可以有效地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，滿足用戶更高的業(yè)務(wù)需求。

2 Small Cell Enhancement應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 Small Cell Enhancement的部署

SCE的部署需考慮SmallCell與MacroCell同頻或異頻、SmallCell在Macrocell覆蓋內(nèi)或外、SmallCell處于室內(nèi)或室外、回程理想或非理想、SmallCell稀疏或密集等問題（見圖1）。

圖1 SCE的部署場(chǎng)景

2.2 Small Cell Enhancement預(yù)估場(chǎng)景

參照3GPPTR36.872的規(guī)定，SCE的預(yù)估場(chǎng)景主要有如下4種：

（1）場(chǎng)景1（見圖2）：

圖2 SCE仿真場(chǎng)景1

——SmallCell位于MacroCell范圍內(nèi)。

——SmallCell與MacroCell同頻部署。

——SmallCell與MacroCell處于室外。

（2）場(chǎng)景2a（見圖3）：

圖3 SCE仿真場(chǎng)景2a

——SmallCell位于MacroCell范圍內(nèi)。

——SmallCell與MacroCell異頻部署。

——SmallCell與MacroCell處于室外。

（3）場(chǎng)景2b（見圖4）：

——SmallCell位于MacroCell范圍內(nèi)。

——SmallCell與MacroCell異頻部署。

——SmallCell處于室內(nèi)，MacroCell處于室外。

（4）場(chǎng)景3（見圖5）：

——只有SmallCell。

圖4 SCE仿真場(chǎng)景2b

圖5 SCE仿真場(chǎng)景3

——SmallCell處于室內(nèi)。

3 Small Cell Enhancement雙連接技術(shù)

針對(duì)上述4種場(chǎng)景，3GPP TR 36.932中假設(shè)其接口之間是非理想回程。Small Cell與Macro Cell之間以及Small Cell簇間的回程為非理想時(shí)會(huì)引發(fā)以下問題：

（1）移動(dòng)魯棒性：Pico到Macro Cell的移動(dòng)性引起HOF（Handover Failure，切換失?。?RLF（Radio Link Failure，無線鏈路失?。茁实脑黾印?/p>

（2）Small Cell和Macro Cell上下行不均衡。

（3）由于頻繁的切換導(dǎo)致信令負(fù)載增加。

（4）協(xié)調(diào)優(yōu)化多個(gè)基站的無線資源導(dǎo)致很難提升每個(gè)用戶的吞吐量。

（5）更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

為了解決上述問題，一種可行的方法是“雙連接（Dual Connectivity）”。處于雙連接狀態(tài)的用戶使用至少兩個(gè)非理想回程的基站提供的無線資源。雙連接中的每個(gè)基站可能會(huì)扮演不同的角色，比如，根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)類型有些基站可能只負(fù)責(zé)GBR（Guaranteed Bit Rate，保證比特速率）業(yè)務(wù)，其他基站盡可能多地負(fù)責(zé)non-GBR業(yè)務(wù)。基站的角色不由其自身的發(fā)射功率和類型決定，而是隨著用戶的變化而不同，下文將詳細(xì)討論幾種常用的雙連接方式。

3.1 不同基站間的無線資源聚合（場(chǎng)景2a和場(chǎng)景2b）

針對(duì)場(chǎng)景2a和2b，不同基站間的無線資源聚合的目的是提升每個(gè)用戶的吞吐量。如圖6所示，Small Cell和MacroCell之間的無線接口是非理想回程，用戶面的數(shù)據(jù)傳輸同時(shí)使用SmallCell和MacroCell兩個(gè)基站的資源聚合，該方式保證移動(dòng)錨點(diǎn)（MobilityAnchor）一直處于MacroCell，從而潛在地減少了用戶與核心網(wǎng)的信令開銷。

圖6 不同基站間的無線資源聚合（場(chǎng)景2a和2b）

3.2 不同基站間的無線資源聚合（場(chǎng)景1）

針對(duì)場(chǎng)景1，不同基站間無線資源聚合的目的是提升小區(qū)邊緣的吞吐量。如圖7所示，用戶可以由多個(gè)基站調(diào)度，在SmallCell邊緣的用戶1可以讓沒有配置ABS（幾乎空白子幀）的MacroCell為其服務(wù)，從而充分利用MacroCell的無線資源；另外，還可以讓配置ABS的SmallCell為其服務(wù)，從而充分利用SmallCell的無線資源。從而通過利用多個(gè)基站的無線資源使得邊緣用戶的吞吐量大大提升。

3.3 RRC多元化

RRC多元化的目的是提升移動(dòng)魯棒性，通過RRC多元化，RRC切換相關(guān)信令可以從一個(gè)目標(biāo)小區(qū)切換到一個(gè)潛在目標(biāo)小區(qū)上傳輸。如圖8所示，只要用戶至少和一個(gè)基站保持連接，那么RLF就不會(huì)發(fā)生，這最終將提高切換的成功率，從而避免用戶掉線后的RRC重連接過程。RRC多元化也可以用于從Macro到Pico、Macro之間、Pico之間的切換。

3.4 UL/DL分離

圖7 不同基站間的無線資源聚合（場(chǎng)景1）

圖8 RRC多元化

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，不同基站有不同的發(fā)射功率，如Small Cell發(fā)射功率較低，而Macro Cell發(fā)射功率較高。由于SmallCell與MacroCell發(fā)射功率的不同，會(huì)引發(fā)功率不均衡現(xiàn)象，以及間接導(dǎo)致的負(fù)載失衡，尤其在同頻部署情況下，MacroCell的用戶會(huì)對(duì)SmallCell的邊緣用戶造成極大的干擾。用戶連接到哪個(gè)基站將取決于其上下行的性能。SmallCell的邊緣用戶可以采用上下行分離的方式，上行連接到路損最小的Small Cell使得上行性能最優(yōu)，下行連接到RSRP（參考信號(hào)接收功率）最高的MacroCell使得下行性能最優(yōu)。這種上下行分離的雙連接方式解決了功率不均衡引起的干擾問題，以及SmallCell和MacroCell上下行負(fù)載失衡的問題，尤其適用于SmallCell與MacroCell同頻部署（見圖9）。

UL/DL分離的場(chǎng)景有兩種架構(gòu)選擇，分別為分離承載和單獨(dú)承載：

分離式承載方式：終端用戶的一路承載在Small Cell和MacroCell之間分離。比如，部分上行承載由SmallCell承擔(dān)而部分下行承載由MacroCell承擔(dān)。在這種情況下，用戶不需要來自SmallCell的PDSCH和來自MacroCell的PUSCH。RLC狀態(tài)報(bào)告可以分別發(fā)送給SmallCell和 MacroCell，或者 SmallCell和Macro Cell通過回程交互。

圖9 UL/DL分離

單獨(dú)式承載方式：終端用戶有兩路承載，一路承載由SmallCell承擔(dān)；另一路承載由MacroCell承擔(dān)。在這種情況下，用戶需要來自SmallCell和MacroCell的PUSCH與PDSCH。RLC狀態(tài)報(bào)告分別發(fā)送給Small Cell和MacroCell。

如圖10所示，用戶在PUSCH上發(fā)送上行流量給SmallCell，在PDSCH上接收來自MacroCell的下行流量。而且，RLC狀態(tài)報(bào)告分別發(fā)送給Small Cell和MacroCell，比如來自MacroCell的下行流量的RLC狀態(tài)報(bào)告通過PUSCH發(fā)送給MacroCell，同時(shí)SmallCell通過PDSCH接收發(fā)送給SmallCell的上行流量的RLC狀態(tài)報(bào)告。

圖10 UL/DL分離的架構(gòu)

3.5 CA+eICIC（針對(duì)場(chǎng)景2a和場(chǎng)景2b）

針對(duì)場(chǎng)景2a和2b，載波聚合CA與增強(qiáng)的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)eICIC技術(shù)的結(jié)合可以提升每個(gè)用戶的吞吐量。具體實(shí)現(xiàn)方式是在SmallCell和MacroCell上均部署多個(gè)頻率層，然后對(duì)主小區(qū)PCell和輔小區(qū)SCell應(yīng)用eICIC。然而，由于低成本的SmallCell只能有一個(gè)頻率層，所以采用CA+eICIC方式的優(yōu)先級(jí)比較低。另外，在SCell應(yīng)用eICIC還需要繼續(xù)討論。

4 移動(dòng)性錨點(diǎn)

移動(dòng)性錨點(diǎn)的提出是為了規(guī)避由于Small Cell的引入導(dǎo)致用戶移動(dòng)性增加的問題，降低由此給核心網(wǎng)帶來的信令負(fù)擔(dān)。

移動(dòng)性錨點(diǎn)通常是EPC中的S-GW或P-GW。當(dāng)終端用戶在eNodeB或3GPP蜂窩技術(shù)體系內(nèi)（如GSM/WCDMA/TD-SCDMA）切換時(shí)，S-GW通常被作為移動(dòng)性錨點(diǎn)；而當(dāng)終端用戶做異系統(tǒng)間（如CDMA 1x/EVDO/Wi-Max/WLAN）切換時(shí)，P-GW將被作為與外部PDN銜接的錨點(diǎn)。在實(shí)際移動(dòng)性管理中，從不同接入系統(tǒng)接入PDN時(shí)，用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流都從某個(gè)核心網(wǎng)網(wǎng)元發(fā)出；當(dāng)用戶在不同接入系統(tǒng)之間移動(dòng)時(shí)，可以保證該網(wǎng)元分配的用戶地址保持不變，從而降低由于用戶的移動(dòng)性導(dǎo)致的額外信令負(fù)荷。

移動(dòng)性錨點(diǎn)技術(shù)與雙連接是獨(dú)立的，并且可以應(yīng)用于用戶能力有限（如單接收天線/單發(fā)送天線）、基站/回程能力有限、系統(tǒng)負(fù)載較高的情況下，同時(shí)對(duì)Uu接口無影響。

5 結(jié)束語

在3GPP TR 36.842和TR 36.932中初步定義和規(guī)范了SCE雙連接的架構(gòu)與協(xié)議流程，同時(shí)具體分析了上述5種不同潛在解決方案在各種應(yīng)用場(chǎng)景下的仿真效果，為后續(xù)SCE中雙連接的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。但涉及到一些具體細(xì)節(jié)問題仍有待進(jìn)一步理清和分析，如雙連接在不同架構(gòu)與協(xié)議組合的情況下如何定義控制平面和用戶平面的功能及協(xié)議；如何定義S1和X2接口的功能及協(xié)議；由于雙連接的引入如何定義相應(yīng)的物理層功能，如何規(guī)范相應(yīng)的用戶和基站的需求等，這些都是后續(xù)研究的重要方面。

此外，TD-LTE制式下，上下行干擾管理和業(yè)務(wù)調(diào)整也是后續(xù)研究的一個(gè)方面。TD-LTE提供了7種不同的、半靜態(tài)的上下行配置，允許上下行不對(duì)稱配比。半靜態(tài)的上下行配置是否可以與每個(gè)時(shí)刻的業(yè)務(wù)狀況相匹配，這仍有待進(jìn)一步的研究。

1 3GPP TS 36.101.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).User Equipment(UE)Radio Transmission and Reception.6,2014

2 3GPP TS 36.104.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Base Station(BS)Radio Transmission and Reception.6,2014

3 3GPP TS 36.133.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Requirements for Support of Radio Resource Management.7,2014

4 3GPP TS 36.213.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Physical Layer Procedures.6,2014

5 3GPP TR 36.842.Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN-Higher LayerAspects.12,2013

6 3GPP TR 36.872.Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN-Physical LayerAspects.12,2013

7 3GPP TR 36.932.Scenarios and Requirements for Small Cell Enhancements for E-UTRAand E-UTRAN.3,2013

8 申建華,李春旭,譚偉.全面認(rèn)識(shí)Small Cell.中興通訊技術(shù).2013,12