超密集組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

天津中興軟件有限責(zé)任公司 郭 琦

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)景下的通信體驗(yàn)要求越來越高，希望能在體育場(chǎng)、露天集會(huì)、演唱會(huì)等超密集場(chǎng)景也獲得良好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。隨時(shí)無(wú)縫接入的要求，使網(wǎng)絡(luò)重心由覆蓋受限轉(zhuǎn)化為容量受限。新型業(yè)務(wù)以移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)的需求最為主流，不同的應(yīng)用對(duì)移動(dòng)性、頻率需求、時(shí)延需求和流量需求不盡相同，對(duì)網(wǎng)絡(luò)對(duì)業(yè)務(wù)與終端識(shí)別能力、資源動(dòng)態(tài)分配能力以及多網(wǎng)協(xié)同能力提出新要求。隨著4K視頻及虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，對(duì)帶寬的需求也不斷增長(zhǎng)，比如1080P視頻業(yè)務(wù)的帶寬需求僅為4Mbps，而4K視頻業(yè)務(wù)的帶寬達(dá)到了20Mbps，未來虛擬現(xiàn)實(shí)VR業(yè)務(wù)的帶寬需求將達(dá)到100Mbps以上。

超密集組網(wǎng)（Ultra Dense Network，UDN）將是滿足5G以及未來移動(dòng)數(shù)據(jù)流量需求的主要技術(shù)手段。超密集組網(wǎng)通過更加“密集化”的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施部署，可獲得更高的頻率復(fù)用效率，從而在局部熱點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)百倍量級(jí)的系統(tǒng)容量提升。隨著站點(diǎn)密度的增加，用戶將受到多個(gè)密集鄰區(qū)的同頻干擾，且移動(dòng)時(shí)切換過于頻繁，用戶體驗(yàn)急劇下降。Pre5G UDN解決方案，可以化多個(gè)基站的干擾為有用信號(hào)，且服務(wù)集合隨小區(qū)移動(dòng)不斷更新，始終使用戶處于小區(qū)中心的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)小區(qū)虛擬化，達(dá)到一致性的用戶體驗(yàn)。干擾管理與抑制、小區(qū)虛擬化技術(shù)和小小區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)整等是Pre-UDN階段超密集組網(wǎng)的重要研究方向。

1.引入D-MIMO技術(shù)，解決干擾并提升單位面積容量

在同頻組網(wǎng)場(chǎng)景下，隨著站點(diǎn)數(shù)量増加和站點(diǎn)密度増大，小區(qū)間重疊覆蓋度增加，同頻干擾的問題嚴(yán)重，一方面廣播信道(包括控制信道和參考信號(hào))干擾增大，導(dǎo)致用戶接入受限；另一方面邊緣區(qū)域增加導(dǎo)致邊緣用戶業(yè)務(wù)信道性能下降，從而導(dǎo)致站點(diǎn)增加可以帶來的吞吐量提升非常有限，特別是小區(qū)邊緣用戶的感知很難保證。

現(xiàn)有的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，比如 Supercell和CoMP雖然可以一定程度減少干擾，但是在這種高密站點(diǎn)場(chǎng)景下也會(huì)帶來一定的問題。Supercell小區(qū)合并可以減少?gòu)V播信道的干擾，但是合并后小區(qū)的整體吞吐量會(huì)下降，合并的小區(qū)越多對(duì)性能的損失越明顯。CoMP技術(shù)雖然可以減小部分強(qiáng)干擾，但是可以協(xié)調(diào)的干擾小區(qū)數(shù)有限，對(duì)邊緣用戶性能和整網(wǎng)性能改善程度有限。

D-MIMO（Distribute-MIMO）通過將分布在不同地理位置的天線進(jìn)行聯(lián)合的數(shù)據(jù)發(fā)送，可以將其他基站的干擾信號(hào)變成有用信號(hào)，在協(xié)調(diào)基站間同頻干擾的同時(shí)提升單用戶的吞吐量和系統(tǒng)頻譜效率，保證單位面積的吞吐量隨著站點(diǎn)數(shù)的增加穩(wěn)步增長(zhǎng)，是高密組網(wǎng)階段重要的干擾解決和容量提升技術(shù)之一。

2.引入Virtual Cell技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一致的用戶體驗(yàn)

隨著小站部署越來越密集，小區(qū)邊緣越來越多，當(dāng)UE在密集小區(qū)間移動(dòng)時(shí)，不同小區(qū)間因PCI不同導(dǎo)致UE小區(qū)間切換頻繁。虛擬小區(qū)Virtual Cell技術(shù)的核心思想是“以用戶為中心”分配資源，達(dá)到“一致用戶體驗(yàn)”的目的。虛擬小區(qū) Virtual Cell技術(shù)為UE提供無(wú)邊界的小區(qū)接入，隨UE移動(dòng)快速更新服務(wù)節(jié)點(diǎn)，使UE始終處于小區(qū)中心；此外，UE在虛擬小區(qū)的不同小區(qū)簇間移動(dòng)，不會(huì)發(fā)生小區(qū)切換/重選。

具體來說，虛擬小區(qū)由密集部署的小站集合組成。其中重度非常高的若干小站組成D-MIMO簇，若干個(gè) D-MIMO簇組成虛擬小區(qū)。在D-MIMO簇構(gòu)建的虛擬小區(qū)中，構(gòu)建虛擬層和實(shí)體層網(wǎng)絡(luò)，其中虛擬層涵蓋整個(gè)虛擬小區(qū)，承載廣播、尋呼等控制信令，負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理；各個(gè)D-MIMO簇形成實(shí)體層，具體承載數(shù)據(jù)傳輸，用戶在同一虛擬層內(nèi)不同實(shí)體層間移動(dòng)時(shí)，不會(huì)發(fā)生小區(qū)重選或切換，從而實(shí)現(xiàn)用戶的輕快體驗(yàn)。

Virtual Cell技術(shù)方案示意圖如下：

Virtual Cell由1～N個(gè) Cluster組成，若干個(gè) Cluster可以為 normal cell/Supercell/D-MIMO簇。對(duì)于超密組網(wǎng)場(chǎng)景，Cluster各自形成DMIMO簇的是典型場(chǎng)景。各Cluster建立獨(dú)立實(shí)體，而Cluster組成的虛擬小區(qū)共享一個(gè)虛擬層。

在隨機(jī)接入階段，UE隨機(jī)接入時(shí)發(fā)送 Preamble信息，可能兩個(gè)超級(jí)小區(qū)都會(huì)收到且都解析的物理小區(qū)的Preamble ID不同,且都會(huì)發(fā)送給UE隨機(jī)接入消息，UE會(huì)在信號(hào)最強(qiáng)的小區(qū)接入。Virtual Cell各個(gè) Cluster的PCI均相同且唯一，通過各自CGI識(shí)別小區(qū)。由于Cluster 0和 Cluster 1的PCI相同，因此在交疊區(qū)域的UE會(huì)收到來自兩個(gè) Cluster的CRS，而此時(shí)如果 PDCCH和 PDSCH僅 Cluster邊界單個(gè)CP發(fā)送，則影響下行解調(diào)性能。因此在 Cluster邊界CP對(duì)UE需要聯(lián)合發(fā)送。邊界CP的聯(lián)合發(fā)送可以類似CoMP的下行非相干JT，但是需要提前調(diào)度通知目標(biāo)CP聯(lián)發(fā)的時(shí)頻域資源位置，對(duì)端CP需要及時(shí)解出聯(lián)發(fā)信息作出資源協(xié)調(diào)。這種方式不利于高速移動(dòng)場(chǎng)景，且如果聯(lián)合超級(jí)小區(qū)無(wú)線擴(kuò)展，將導(dǎo)致交互信息巨大，提前調(diào)度量巨大。因此此處可以考慮將邊界CP做時(shí)頻域位置錯(cuò)開，比如時(shí)分或者頻分，且各自所用時(shí)域或者頻域資源可以根據(jù)邊界CP用戶數(shù)自適應(yīng)調(diào)整。即當(dāng)對(duì)端CP無(wú)用戶調(diào)度時(shí)，可以將全部資源給當(dāng)前CP使用。或者考慮僅限制交疊區(qū)域內(nèi)的時(shí)頻域調(diào)度位置，邊界CP非交疊區(qū)域可以復(fù)用剩下的時(shí)頻域資源。即兩個(gè)邊界CP僅交疊區(qū)聯(lián)發(fā)區(qū)域公用預(yù)留資源，其他區(qū)域各自獨(dú)立調(diào)度。

當(dāng)UE0和UE1處于D-MIMO簇覆蓋區(qū)域時(shí)，收到來自多個(gè)CP的重疊覆蓋。此時(shí)UE0和UE1實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用，而處于CP2和CP0交疊區(qū)域的UE2，在其還處于CP2激活狀態(tài)時(shí)，在子幀集合1上調(diào)度，子幀2上反饋；而CP0'在相同的時(shí)隙資源位置上助其聯(lián)發(fā)；而當(dāng)其移動(dòng)到CP0區(qū)域時(shí)，則限制在子幀集合2上調(diào)度，子幀7上反饋；而CP2'在相同的時(shí)隙資源位置上助其聯(lián)發(fā)。相當(dāng)于小區(qū)邊界的CP各自協(xié)商了發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙資源以便錯(cuò)開調(diào)度，規(guī)避同頻干擾。聯(lián)發(fā)是為了實(shí)現(xiàn)UE在CP間移動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送的連續(xù)性。

3.小小區(qū)動(dòng)態(tài)調(diào)整，頻譜利用率最大化

自適應(yīng)小小區(qū)分簇通過調(diào)整每個(gè)子幀、每個(gè)小小區(qū)的開關(guān)狀態(tài)并動(dòng)態(tài)形成小小區(qū)分簇，關(guān)閉沒有用戶連接或者無(wú)需提供額外容量的小小區(qū)，從而降低對(duì)臨近小小區(qū)的干擾。即使是超級(jí)小區(qū)場(chǎng)景，如果UE接收到的CRS功率和實(shí)際激活的CP下發(fā)的PDSCH功率有差異，也會(huì)導(dǎo)致UE下行解調(diào)性能的下降。因此在超密小區(qū)分簇的情況下，需要將話務(wù)量較低的小小區(qū)關(guān)斷，比如進(jìn)入休眠模式。

此外，對(duì)于展會(huì)或者球賽這種突發(fā)性質(zhì)的集會(huì)和賽事，其話務(wù)波動(dòng)特性比較明顯，用戶群體網(wǎng)絡(luò)分享行為較為普遍，因此對(duì)上行容量要求較高。對(duì)于相對(duì)封閉的室內(nèi)場(chǎng)館區(qū)域，需要根據(jù)實(shí)時(shí)話務(wù)的情況實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)UL/DL子幀配比調(diào)整比如調(diào)整為上行占優(yōu)的配置以滿足上行視頻回傳類需求。具體來說，電影音樂等大數(shù)據(jù)下載這類對(duì)下行資源需求較高的場(chǎng)景，需要擴(kuò)充更多的下行資源用于傳輸，比如從D/U從3:1調(diào)整為8:1；微信 Facebook上傳視頻或圖片等對(duì)上行需求較髙的場(chǎng)景包括視頻通話等上下行對(duì)稱業(yè)務(wù)的場(chǎng)景需要擴(kuò)充上行資源，比如從D/U從3:1調(diào)整為2:2；大型會(huì)議實(shí)況直播，視頻或音頻內(nèi)容上傳，則對(duì)上行資源存在極大的需求，比如從D/U從3:1調(diào)整為1:3。再有，業(yè)務(wù)類型趨同的用戶群體通常是分簇形式，甚至是以小區(qū)單元存在的，即在部署區(qū)域，當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)用戶業(yè)務(wù)需求統(tǒng)計(jì)體現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定而明顯的特征，比如對(duì)上行業(yè)務(wù)需求量增加，那么需要對(duì)此區(qū)域的小區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一的時(shí)隙調(diào)整。但是需要注意的是，業(yè)務(wù)需求通常是突發(fā)的，且特征分散的，因此從業(yè)務(wù)調(diào)整需求來看，需要細(xì)分為小簇進(jìn)行調(diào)整的，這對(duì)調(diào)整方案帶來了難度。

4.總結(jié)

2020年及未來，超高清、3D和浸入式視頻的流行會(huì)使得數(shù)據(jù)速率大幅提升。大量個(gè)人數(shù)據(jù)和辦公數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，海量實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互需要可以媲美光纖的傳輸速率。復(fù)雜多樣的場(chǎng)景下的通信體驗(yàn)要求越來越高，為了滿足用戶能在大型集會(huì)、露天集會(huì)、演唱會(huì)的超密集場(chǎng)景下獲得一致的業(yè)務(wù)體驗(yàn)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要支持1000倍的容量增益，以及1000億針對(duì)這種未來熱點(diǎn)高容量的場(chǎng)景，UDN(超密集組網(wǎng))通過增加基站部署密度，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)頻率復(fù)用效率和網(wǎng)絡(luò)容量的巨大提升，將成為熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景的關(guān)鍵解決方案。