多模小基站之互操作策略探究

山西信息規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 張逢飛

引言

隨著目前無線技術(shù)的不斷發(fā)展，從目前我國(guó)現(xiàn)有的運(yùn)營(yíng)商的現(xiàn)狀來看，GSM/UMTS/LTE多制式并存已經(jīng)非常普遍，如果改變這種現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)高效率、低成本的建設(shè)多張網(wǎng)絡(luò)并且建立網(wǎng)絡(luò)資源在多種制式之間的靈活共享模式，已經(jīng)成為擺在運(yùn)營(yíng)商面前的一道問題。以往的基站只能夠支持一種網(wǎng)絡(luò)制式[1]，如果想要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)就需要對(duì)相關(guān)的基站以及配套設(shè)備實(shí)現(xiàn)重新的部署，這種情況下增加了運(yùn)營(yíng)商的成本。為了解決這個(gè)問題，多模基站被開發(fā)出來。

1.多模小基站概念

1.1 概念

多模基站可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種制式的同時(shí)支持。多模基站之所以能夠達(dá)到這個(gè)效果，是因?yàn)榻柚薙DR（Software Defined Radio，軟件無線電）技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和開發(fā)。其利用有效開放式的體系結(jié)構(gòu)，通過采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元構(gòu)成的通用平臺(tái)為基礎(chǔ)[2]，利用軟件來定義和實(shí)現(xiàn)無線設(shè)備的部分通信功能。利用SDR技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)不再像以前那樣復(fù)雜，只需添加或更換部分基站單板，其余通過軟件配置方式即可實(shí)現(xiàn)，其可擴(kuò)展性特征明顯。對(duì)運(yùn)營(yíng)商而言多模基站的生命周期更長(zhǎng)，降低運(yùn)營(yíng)商投資風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 技術(shù)原理

多模基站的架構(gòu)與傳統(tǒng)單?；鞠嗤话愣际遣捎肂BU+RRU組成的分布式基站架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)射頻模塊和基帶模塊的分離，方便運(yùn)營(yíng)商靈活組網(wǎng)。基帶-射頻接口可采用CPRI、OBSAI、OBRI等多種協(xié)議[3]，其中使用最為廣泛的是CPRI協(xié)議。多?；镜膽?yīng)用優(yōu)勢(shì)在于其BBU與RRU均可同時(shí)支持GSM/UMTS/LTE等多種網(wǎng)絡(luò)制式。

2.多模小基站的互操需求分析

全球電信運(yùn)營(yíng)商開始采用性價(jià)比較高的小型基站技術(shù)來改善蜂窩網(wǎng)絡(luò)的容量和覆蓋范圍。運(yùn)營(yíng)商面對(duì)日益增長(zhǎng)的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量，為了而應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)流量的增長(zhǎng)，提出了將網(wǎng)絡(luò)帶到更潔凈移動(dòng)用戶的這種方式。而小型基站能夠讓電信運(yùn)營(yíng)商將成本集中在用戶最需要的地方，降低成本的同時(shí)可提升用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)[4]。以高通創(chuàng)銳訊為例，其已開發(fā)一系列28納米(nm)解決方案，可提供適用于住宅、地鐵和企業(yè)的小型基站，以增強(qiáng)電信運(yùn)營(yíng)商的3G與LTE網(wǎng)絡(luò)。該公司以打造全功能的小型基站，并以更高的功效提供優(yōu)異的性能為目標(biāo)，已經(jīng)協(xié)助電信運(yùn)營(yíng)商降低了為提高網(wǎng)絡(luò)容量而帶來的成本和復(fù)雜性。其提出的FSM99xx 解決方案，可支持3G與4G同時(shí)運(yùn)作或利用載波聚合提供雙載波4G，也可提供高通先進(jìn)的Wi-Fi功能，以更好地使用所有可用頻譜，同時(shí)為移動(dòng)用戶提供無縫的聯(lián)網(wǎng)功能。高通全新小型基站解決方案的設(shè)計(jì)具有最高功效[5]，可降低運(yùn)營(yíng)成本，并且符合以太網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)的要求，適用于企業(yè)部署。FSM99xx解決方案采用28nm制程技術(shù)，并充分利用高通業(yè)界領(lǐng)先的四核Krait移動(dòng)處理器，耗電量?jī)H為其他基于ARM處理器的一半。FSM99xx解決方案系列產(chǎn)品同樣具備RF線性化技術(shù)，最多可將功率放大器的功耗降低一半以上，這是非常重要的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榉糯笃饔锌赡軙?huì)消耗小型基站功耗預(yù)算的一半以上。FSM99xx是先進(jìn)的HetNet與SON(自組網(wǎng)絡(luò))技術(shù)的平臺(tái)。

利用多模小基站的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可以為運(yùn)營(yíng)商提供 GSM、TDSCDMA/WCDMA、TD-LTE/LTE FDD 無線網(wǎng)絡(luò)接入。從目前終端的現(xiàn)狀來看，考慮到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，一般對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置了優(yōu)先級(jí)，如果網(wǎng)絡(luò)條件良好的情況下，用戶首先使用到的是4G網(wǎng)絡(luò)，條件較差則主動(dòng)連接3G甚至2G網(wǎng)絡(luò)[6]。這種終端因條件因素不同選擇的網(wǎng)絡(luò)不同，網(wǎng)絡(luò)提供的優(yōu)勢(shì)業(yè)務(wù)也就出現(xiàn)了變更。這種情況下只有在多模小基站內(nèi)部采取互操作的方式，引導(dǎo)用戶在使用網(wǎng)絡(luò)的過程中為其匹配最合適的網(wǎng)絡(luò)，提升用戶體驗(yàn)。

3.多模小基站的互操作策略

3.1 覆蓋互操作

在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，基于覆蓋的移動(dòng)性互操作是其中一個(gè)最基本也是比不可靠的功能?；诟采w的移動(dòng)性其主要目的是保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性，在提升用戶體驗(yàn)的同時(shí)達(dá)到無縫覆蓋的目的。想了解系統(tǒng)內(nèi)或者系統(tǒng)之間之內(nèi)是否出現(xiàn)切換或重選的操作，可以通過在小區(qū)內(nèi)或者鄰近小區(qū)內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度/信號(hào)質(zhì)量的絕對(duì)值比較或相對(duì)值門限進(jìn)行判斷[7]。這種方式比較繁瑣，需要耗費(fèi)一定的人力、物力，但是針對(duì)多模小基站而言，就可以完善省略這個(gè)步驟，這是因?yàn)槎嗄Ｐ』驹诠β试O(shè)計(jì)的過程中就考慮到這一點(diǎn)，多模小基站可實(shí)現(xiàn)每一個(gè)模式與模式之間的覆蓋平衡，基本上可以達(dá)到多個(gè)模式實(shí)現(xiàn)共同覆蓋的方式，此舉不僅大大提升了用戶的體驗(yàn)，還能夠減小多模小基站組網(wǎng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的復(fù)雜度。

華為發(fā)布了包括全球首個(gè)多頻多模室外Micro小基站和業(yè)界集成度最高的Pico小基站，以幫助運(yùn)營(yíng)商提高室外、室內(nèi)覆蓋和容量，應(yīng)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)大流量挑戰(zhàn)。華為系列化多頻多模小基站，融入“One Box, One Cable”的設(shè)計(jì)理念，高度集成了基帶、射頻、傳輸、天線等。在同一站點(diǎn)只需一個(gè)Box就具備原先多個(gè)Box才具有的容量和功能。同時(shí)還支持UMTS、LTE等不同制式及不同頻段和制式間的動(dòng)態(tài)頻率共享，將顯著提升運(yùn)營(yíng)商的投資效率。其中，華為室外型Micro小站適用于密集城區(qū)增強(qiáng)覆蓋和容量提升。在LTE Only模式下，該小站可支持載波聚合來有效提升系統(tǒng)容量和用戶體驗(yàn)。同時(shí)，它還支持多種傳輸接口，可適應(yīng)廣泛的部署場(chǎng)景。另外，華為室內(nèi)型Pico小站適合安裝在室內(nèi)用于改善覆蓋和容量提升。

以室內(nèi)辦公場(chǎng)景為例，分析一個(gè)GSM＋TD-SCDMA＋TD-LTE三模小基站為例進(jìn)行覆蓋距離的分析。

表1 多模小基站的覆蓋距離分析

根據(jù)多模小基站的模式，在覆蓋平衡的基礎(chǔ)上，可以不需要考慮基站內(nèi)部中各個(gè)模式之間的移動(dòng)性互操作。

3.2 負(fù)載互操作

移動(dòng)通信技術(shù)從最初的2G、3G發(fā)展到目前的4G，其中移動(dòng)通信技術(shù)在發(fā)展的過程中有非常多的標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)營(yíng)商不希望設(shè)備僅符合一種標(biāo)準(zhǔn)，此舉會(huì)帶給運(yùn)營(yíng)商非常大的成本輸出。小基站最初需要解決功耗問題，因?yàn)樽铋_始小基站只在室內(nèi)設(shè)置，另外還需要考慮以后升級(jí)到下一代網(wǎng)絡(luò)仍然可以使用[8]，這就要求多模基站要能夠同時(shí)支持多種制式。在這個(gè)過程中產(chǎn)生的負(fù)載問題，如果對(duì)負(fù)載的控制不夠妥當(dāng)可能會(huì)影響到整個(gè)通信系統(tǒng)的效率，甚至嚴(yán)重影響到用戶的用網(wǎng)體驗(yàn)。對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)制式，采取的評(píng)估方法也有所不同，詳見表2。

表2

考慮到在具體部署過程中，可以按照網(wǎng)絡(luò)不同發(fā)展階段下的頻譜策略及網(wǎng)絡(luò)覆蓋與容量需求，通過對(duì)多?；拒浖渲脤?shí)現(xiàn)各制式之間的靈活帶寬配比，達(dá)到多制式之間的負(fù)荷均衡。舉例分析，在LTE建網(wǎng)初期，針對(duì)較少的用戶數(shù)和話務(wù)量，可以考慮對(duì)LTE分配15MHz或20MHz帶寬，只配置1個(gè)LTE載波，將其余可用的頻譜都分配給GSM或UMTS網(wǎng)絡(luò)。隨著時(shí)間推移，LTE用戶數(shù)或話務(wù)量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)或者已經(jīng)有用戶反饋體驗(yàn)效果不佳的情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)LTE的擴(kuò)容，通過對(duì)多模基站的瞬時(shí)工作帶寬重新劃分，給LTE分配40MHz頻譜，配置LTE雙載波，而留給GSM或UMTS網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源則相應(yīng)減少。

值得注意的是，頻譜劃分還要結(jié)合運(yùn)營(yíng)商的頻譜策略及用戶遷移等具體情況來決定。通過這種方式有效平衡網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載分布問題。另外，考慮到無線信道條件發(fā)生變化以及終端的移動(dòng)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)始終都處于變化狀態(tài)，這種情況可能會(huì)影響到已經(jīng)接入的業(yè)務(wù)占用的資源出現(xiàn)變化，從而引起系統(tǒng)負(fù)載的變化。一旦系統(tǒng)負(fù)載到達(dá)一定程度很可能引發(fā)擁塞[9]，這種情況就需要對(duì)系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行控制，保證業(yè)務(wù)和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前比較常見的方法是阻止新用戶或者新業(yè)務(wù)的介入。與此同時(shí)系統(tǒng)還可以進(jìn)行快速的負(fù)載遷移，將部分優(yōu)先級(jí)較低的用戶進(jìn)行強(qiáng)制切換到低負(fù)載鄰區(qū)，可實(shí)現(xiàn)LTE與3G的相互負(fù)載遷移，或者是3G與GSM的相互遷移。還可以通過調(diào)整移動(dòng)性參數(shù)使得邊緣用戶自動(dòng)重選/切換到低負(fù)載鄰區(qū)。通過對(duì)負(fù)載的互操作不僅能夠解決系統(tǒng)擁堵的問題，還能夠降低功耗。

3.3 業(yè)務(wù)互操作

針對(duì)多模小基站，為了提高其運(yùn)行效率，一般都會(huì)對(duì)其提供的業(yè)務(wù)進(jìn)行限制。例如，GSM僅聽過語音業(yè)務(wù)，目的是為了節(jié)約頻譜資源有效保證TCH信道數(shù)，確保整個(gè)覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)的語音業(yè)務(wù)需求能夠滿足用戶要求。加上GSM的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)頻譜效率比較低，如果提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)會(huì)浪費(fèi)很多的頻譜資源。而3G則是語音數(shù)據(jù)都開啟，某項(xiàng)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，2017年7月份，4G用戶累計(jì)凈增1.4億。2017年以來，4G用戶保持較快增長(zhǎng)，總數(shù)達(dá)到了9.1億戶，占移動(dòng)電話用戶的66.3%，其中1-7月累計(jì)凈增1.4億戶。但是仍然存在一小部分的3G收集用戶，還需要保證這類用戶的語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。其中數(shù)據(jù)功能是作為L(zhǎng)TE系統(tǒng)的補(bǔ)充，而語音功能是作為GSM系統(tǒng)的補(bǔ)充。而LTE由于投入商用仍然還存在一些問題，因此無法為市場(chǎng)提供較高質(zhì)量的語音業(yè)務(wù)。

面對(duì)這種情況，加上上述限制，一旦用戶在使用終端設(shè)備駐留的通信制式進(jìn)行操作但無法響應(yīng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行模式的互操作，目前一般是4G網(wǎng)絡(luò)不佳的情況下支持3G、2G，3G終端網(wǎng)絡(luò)不佳支持2G。以4G終端為例，4G終端的優(yōu)選駐留網(wǎng)絡(luò)為4G，其中可實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)互操作包括語音、數(shù)據(jù)兩個(gè)方面，語音通過CSFB回落至2G/3G。4G回落至2G一般是采用PS切換、CCO或者重定向的方式[10]，4G回落至3G主要是PS切換和重定向兩種。如果是出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁堵的情況，一般是切換或者重定向3G。正常情況下，目前都是4G網(wǎng)絡(luò)無法使用的情況下切換至3G。而3G出現(xiàn)擁堵則切換至2G。

在上述操作中，其中最重要的就是LTE系統(tǒng)下的CSFB。CSFB 是LTE 終端通過 CS 域使用語音業(yè)務(wù)的一種方案。用戶的終端一般是駐留在LTE網(wǎng)絡(luò)。如果用戶發(fā)起語音或者接收語音，終端網(wǎng)絡(luò)會(huì)從4G切換至3G或者2G，無線網(wǎng)絡(luò)下除外，完成語音呼叫后再返回LTE。飛烽通信聯(lián)合中磊電子展出全系列的3G/4G Small Cell小型基站，包括家庭級(jí)和企業(yè)級(jí)的TD-SCDMA/ TD-LTE/ FDD-LTE多模方案。Small Cell全系列小型基站，支持高達(dá)100Mbps的LTE數(shù)據(jù)下載速率，同時(shí)還提供TD-SCDMA/TD-LTE雙模小型基站的CSFB和FR功能。

4.結(jié)語

面對(duì)網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，多模小基站的出現(xiàn)順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展，也順應(yīng)了技術(shù)的更替。多模基站采用了平臺(tái)化、模塊化的設(shè)計(jì)理念并基于SDR技術(shù)，不僅支持GSM/UMTS/LTE多種網(wǎng)絡(luò)制式，實(shí)現(xiàn)多制式共基帶、共射頻，而且還支持網(wǎng)絡(luò)后續(xù)的升級(jí)演進(jìn)，擴(kuò)展性強(qiáng)。本次研究對(duì)多模小基站進(jìn)行了一次比較全面的分析，重點(diǎn)從覆蓋、負(fù)載和業(yè)務(wù)三個(gè)方面進(jìn)行互操作策略的分析。從目前來看，隨著室內(nèi)深度和容量覆蓋需求不斷增加，多模小基站的未來應(yīng)用優(yōu)勢(shì)將越來越明顯。其中仍然值得深思的就是如何利用多模小基站的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出每一個(gè)通信制式的優(yōu)點(diǎn)。

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[10]3GPP.TS 36.314 V9.1.0.Layer 2–Measurements.2010(6).