基于C-RAN架構(gòu)的5G超密集組網(wǎng)技術(shù)研究*

陳 林，楊 波，劉重軍

（京信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

eMBB、URLLC 和mMTC 是3GPP 標準定義的3 大應(yīng)用場景。與LTE 系統(tǒng)相比，這些場景需要滿足1 000 倍的容量、10～100 倍的用戶速率、最低至1 ms的系統(tǒng)延遲和服務(wù)于10～100倍的終端數(shù)[1]。對于室內(nèi)場景，5G 超密集組網(wǎng)是滿足5G 系統(tǒng)容量需求的關(guān)鍵技術(shù)。然而，原有的組網(wǎng)方式隨著小站部署的越來越密，小區(qū)邊緣的干擾越來越大。終端在密集的小區(qū)間移動時，由于物理小區(qū)號（Physical Cell Identity，PCI）的不同，導(dǎo)致小區(qū)間切換頻繁，大大降低了用戶感知。本文基于C-RAN（Cloud RAN）架構(gòu)，設(shè)計了一種基于Multi-TRP 技術(shù)和MU-MIMO技術(shù)的虛擬小區(qū)整體方案，以解決終端處于小區(qū)邊緣的干擾和頻繁切換問題，從而提高小區(qū)總的吞吐量。

1 C-RAN 組網(wǎng)架構(gòu)

N個RRU 通過電纜或網(wǎng)線連接到HUB，每個HUB通過光纖連接到BBU。每個RRU 有一個2T2R/4T4R的發(fā)送天線端口，則N個RRU 或TRPs 合并為一個天線端口為2NT2NR/4NT4NR 的小區(qū)。UE 可以同時看到2N/4N個收發(fā)天線端口。所有的TRP 配置相同的物理小區(qū)ID。當UE 在TRPs 間移動時，BBU 會選擇2 個信號質(zhì)量最好的TRP 為UE 同時傳輸業(yè)務(wù)。N個RRU 組成一個C-RAN 的組網(wǎng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 C-RAN 組網(wǎng)架構(gòu)

2 基于M-TRP 的方案設(shè)計

2.1 接入過程設(shè)計

多個TRPs 組成的虛擬小區(qū)，分別對應(yīng)時隙中不同的SSB 時頻資源位置發(fā)送同步信號[2]。UE 根據(jù)接收到的SSB 資源位置發(fā)起隨機接入過程，基站側(cè)根據(jù)PRACH 資源的時頻資源位置確定UE 所在的TRP 位置。多TRPs 基于波束的接入TRPs 和SSB 位置關(guān)系如圖2 所示。

圖2 多TRPs 基于波束的接入的位置關(guān)系

2.2 S-DCI 方案設(shè)計

2.2.1 控制信道方案設(shè)計

（1）下行控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）。對于多TRPs 之間通過理想Backhaul 連接的組網(wǎng)場景，采用單DCI的設(shè)計方案[3]。單PDCCH DCI 信息從TRP1 和TRP2 組成的組中的一個TRP 發(fā)送，數(shù)據(jù)從兩個TRPs 同時發(fā)送。單PDCCH DCI 支持從多個TRPs 調(diào)度同一PDSCH 的相同數(shù)據(jù)層，且支持從多個TRPs 調(diào)度同一PDSCH 的不同數(shù)據(jù)層[4]。最多調(diào)度一個碼字的4 層。基于單DCI 多TRPs 傳輸?shù)目刂坪蜆I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，如圖3 所示。

圖3 基于單DCI 多TRPs 傳輸?shù)目刂茢?shù)據(jù)流

（2）上行控制信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）。對于單PDCCH DCI 方案，DCI 信息在其中一個如TRP1 上發(fā)送。PDCCH 同時調(diào)度TRP1和TRP2 上PDSCH 的相同時頻資源。兩個TRPs 上傳輸?shù)氖峭粋€PDSCH 的不同的層。UE 側(cè)反饋收到的一個碼字的HARQ-ACK 信息。HARQ-ACK 信息在TRP1 上的PUCCH 資源反饋，具體反饋過程如圖4 所示。

圖4 上行控制信道反饋示意

2.2.2 參考信號方案設(shè)計

參考信號主要考慮CSI和DMRS，下面分別討論。

對TRP1 和TRP2，分別為UE 配置2 個CSI 報告配置，分別為CSI-ReportConfig 1 和CSI-ReportConfig 2。對CSI-ReportConfig 1，RRC 信元resources For Channel Measurement 配置為NZP CSI-RS 1 資源，RRC 信元nzp-CSI-RS-ResourcesForInterference 配置為NZP CSI-RS 2 資源，且對RRC 信元csi-IM-Resources For Interference 配置為ZP CSI-RS。對CSI-ReportConfig 2，則信道測量CSI 資源配置為NZP CSI-RS 2，NZP 干擾測量配置為NZP CSI-RS 1，IM 干擾資源配置為ZP CSI-RS。CSI-RS 測量上報如圖5 所示。

對TRP1 和TRP2分別上報一個RI、PMI 和CQI。CQI 的具體計算公式如下：

式中：S為終端對TRP 測量得到的參考信號強度；INZP為NZP CSI-RS 資源上測量獲得的干擾信號強度；IZP為ZP CSI-RS 資源上測量獲得的干擾信號強度。終端針對TRP1 和TRP2 分別上報CSI1（RI1，PMI1，CQI1）和CSI2（RI2，PMI2，CQI2）?；緜?cè)根據(jù)UE 上報CSI 的具體情況，采用動態(tài)傳輸點選 擇（Dynamic Point Selection，DPS）或SFN 的 調(diào)度方式。

對于DMRS，NR 中支持1 個或2 個DMRS 端口組，且一個DMRS 端口組中的DMRS 端口之間具有QCL 關(guān)系，不同DMRS 端口組中的DMRS 端口之間沒有QCL 關(guān)系。在用單PDCCH DCI 同時調(diào)度2 個TRPs 時，不同TRP 上分別使用不同端口組中的端口進行指示。具體使用DCI 中的Antenna port字段表示，如TRP1 使用端口0，TRP2 使用端口2進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.3 業(yè)務(wù)信道方案設(shè)計

業(yè)務(wù)信道主要考慮PDSCH 和PUSCH，下面分別討論。業(yè)務(wù)信道發(fā)送流程，如圖6 所示。

圖6 業(yè)務(wù)信道發(fā)送流程

對下行PDSCH 業(yè)務(wù)信道，在理想Backhaul 組網(wǎng)場景下，R15 標準支持相同的NR-PDSCH 數(shù)據(jù)流來自多個TRPs[5]。數(shù)據(jù)傳輸塊經(jīng)編碼器編碼后存放在循環(huán)緩存器中，再經(jīng)過層映射映射到不同的DMRS 端口上。TRP1 對應(yīng)的DMRS 端口和TRP2 對應(yīng)的DMRS 端口分別屬于不同的DMRS 端口組。TRP1 預(yù)編碼器1 使用UE 上報的PMI1，而TRP2預(yù)編碼器2 使用UE 上報的PMI2。調(diào)度器對TRP1和TRP2 分配的時頻資源相同。

對上行PUSCH 業(yè)務(wù)信道，調(diào)度器對TRP1 和TRP2 采用時分的資源調(diào)度方式。發(fā)送的數(shù)據(jù)可以相同也可以不同。

2.3 M-DCI 方案設(shè)計

2.3.1 控制信道方案設(shè)計

（1）PDCCH。NR 支持基于多DCI 的多TRP傳輸，多個PDCCH 獨立調(diào)度PDSCH 且PDCCH 和PDSCH 分別在獨立的TRP 上傳輸[4]。多DCI 主要用于非理想Backhaul 場景，且R16 協(xié)議中有支持?；诙郉CI 多TRPs 傳輸?shù)目刂坪蜆I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，如圖7 所示。

圖7 基于多DCI 多TRPs 傳輸?shù)目刂茢?shù)據(jù)流

（2）PUCCH。對于多DCI 調(diào)度的多PDSCH 傳輸，可以用多個PUCCH 信道來反饋相應(yīng)的HARQACK 信息。PDCCH DCI1 和PUCCH1 位于TRP1 上，而PDCCH DCI2 和PUCCH2 位于TRP2 上。PUCCH1和PUCCH2 的格式可以是長格式（F1 和F3）或短格式（F0 和F2）。

2.3.2 HARQ 設(shè)計

對多DCI 調(diào)度的多PDSCH 傳輸場景，基站在每個對應(yīng)的TRP 上應(yīng)啟用獨立的進程，即要確保兩個TRPs上傳輸?shù)腜DCCH DCI 中HARQ process number 字段要不同。終端側(cè)收到來自兩個不同的TRPs 的PDSCH 后，可以在相應(yīng)的HARQ 進程集中進行處理。

3 分布式MU-MIMO 方案設(shè)計

3.1 MU-MIMO 流程

基于TRP1 和TRP2 協(xié)調(diào)傳輸?shù)亩嘤脩艨辗謴?fù)用用戶配對流程，如圖9 所示[2,6]。

圖8 多DCI 上行控制信道示意

圖9 MU-MIMO 流程

圖9 中，基站向UE 發(fā)送SRS 請求消息，UE向TRP1 或TRP2 發(fā)送SRS 參考信號，基站通過計算H得到預(yù)編碼矩陣V。基站通過預(yù)編碼矩陣V得到參與MU-MIMO 的候選UE 集，分別在TRP1和TRP2 上 對UE 發(fā) 送NZP CSI-RS1 和NZP CSIRS2。其中，對每個UE 如果把NZP CSI-RS1 配置為信道測量，則把NZP CSI-RS2 配置為干擾測量。參與MU-MIMO 的候選UE 上報CSI 測量報告后，基站基于上報的CSI 測量報告中的CQI 值選擇配對用戶。選出配對用戶UE1 和UE2 后，基站分別在TRP1 和TRP2 相同的時頻資源上通過不同的DMRS端口組中的端口為UE 發(fā)送PDSCH 數(shù)據(jù)。

3.2 參考信號設(shè)計

通過把TRP1 和TRP2 上的CSI-RS 資源集分成多個組，UE 在多個CSI-RS 資源組之間進行資源分組[7-8]。比如，把CSI-RS 資源組分成兩組，NZP CSI-RS1 對應(yīng)在TRP1 上發(fā)送，NZP CSI-RS2 對應(yīng)在TRP2 上發(fā)送。對UE1，把NZP CSI-RS1 資源配置為信道測量，把NZP CSI-RS2 資源配置為干擾測量；對UE2，把NZP CSI-RS2 資源配置為信道測量，把NZP CSI-RS1 資源配置為干擾測量；公共的ZP CSI-RS 資源配置鄰區(qū)的干擾測量。MU-MIMO CSI報告配置，如圖10 所示。

圖10 MU-MIMO CSI 報告配置示意

3.3 配對用戶選擇

基站根據(jù)UE 上報的CQI 值和某一門限進行比較，如果在兩個TRP 上傳輸?shù)膬蓚€UE 同時滿足這一門限，則認為這兩個UE 滿足MU-MIMO 的配對條件，否則認為這兩個UE 不滿足MU-MIMO 配對條件。

4 組網(wǎng)架構(gòu)性能分析

4.1 移動性分析

本文研究的基于C-RAN 架構(gòu)的超密集組網(wǎng)場景，所有TRPs 組成一超級小區(qū)，對UE 呈現(xiàn)一個物理小區(qū)號，從而避免UE 移動時在TRP 間頻繁切換的問題。與原有每個TRP 作為一個物理小區(qū)的組網(wǎng)場景相比，由于沒有切換，避免了原來切換帶來的數(shù)據(jù)“掉溝”問題。

4.2 小區(qū)邊緣干擾分析

與每個TRP 作為一個物理小區(qū)的組網(wǎng)場景相比，本文研究的基于C-RAN 架構(gòu)的超密集組網(wǎng)技術(shù)可以降低UE 移動到TRP 覆蓋邊緣時信號干擾大的問題，把原來的干擾通過協(xié)同調(diào)度變成有用信號，大幅提高了小區(qū)邊緣UE 的吞吐量。

4.3 仿真和測試結(jié)果分析

本文對基于C-RAN 架構(gòu)的超密集組網(wǎng)技術(shù)進行性能仿真和實驗測試驗證，仿真和實測的結(jié)果如表1 和表2 所示。

表1 下行數(shù)據(jù)分析

表2 上行數(shù)據(jù)分析

仿真和測試結(jié)果基本驗證了本文設(shè)計方案的可行性，可為后續(xù)產(chǎn)品的規(guī)模商用奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

本文對基于C-RAN 架構(gòu)的5G 超密組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)結(jié)合標準進展進行研究，首先提出了基于Multi-TRP 的設(shè)計方案，并給出了UE 接入過程、基于單PDCCH DCI 和多PDCCH DCI 的上下行控制信道、CSI-RS 和DMRS 參 考 信 號 和HARQ-ACK 反 饋 的設(shè)計方案；其次，對分布式MU-MIMO 方案，從流程、參考信號設(shè)計和配對用戶選擇等方面進行了分析；再次，對基于C-RAN 的超密組網(wǎng)架構(gòu)，從移動性和小區(qū)邊緣干擾方面進行了定性分析；最后，利用仿真和實驗測試對所提方案進行了驗證。隨著5G Multi-TRP 標準的演進和完善，基于C-RAN 架構(gòu)的5G 超密組網(wǎng)技術(shù)一定會在室內(nèi)的組網(wǎng)場景中發(fā)揮重要的作用。