ＩＭＴ－Ａｄｖａｎｃｅｄ家庭基站部署關(guān)鍵技術(shù)

李　劍　劉　揚(yáng)　段　軍　梁學(xué)俊

[摘要]文章針對(duì)家庭基站的特點(diǎn)，結(jié)合IMT-Advanced的需求，對(duì)實(shí)現(xiàn)家庭基站部署的關(guān)鍵技術(shù)——自配置和自?xún)?yōu)化及其實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究和探討，并對(duì)關(guān)鍵性能進(jìn)行了評(píng)估和分析。

[關(guān)鍵詞]IMT-Advanced家庭基站自配置自?xún)?yōu)化載波聚合

1引言

隨著3G網(wǎng)絡(luò)的部署在國(guó)內(nèi)迅速展開(kāi)，中國(guó)的無(wú)線通信正快步邁入一個(gè)新的時(shí)代。而無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)也逐漸由傳統(tǒng)的以單一語(yǔ)音為主的模式，向語(yǔ)音數(shù)據(jù)混合，再向數(shù)據(jù)逐漸占據(jù)主要位置的方向發(fā)展。現(xiàn)有3G網(wǎng)絡(luò)部署初期以數(shù)據(jù)卡為主要接入方式就很好地說(shuō)明了這一趨勢(shì)。

為了進(jìn)一步提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的容量，為承載日益豐富的業(yè)務(wù)做好準(zhǔn)備，ITU-R在2007年開(kāi)始針對(duì)第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(也稱(chēng)為IMT-Advanced)進(jìn)行技術(shù)征集。此前已經(jīng)啟動(dòng)的WiMAX(802.16m)和LTE被認(rèn)為是最有競(jìng)爭(zhēng)力的兩個(gè)候選技術(shù)。隨著ITU-R對(duì)IMT-Advanced需求的明確，802.16m對(duì)原有的方案進(jìn)行了增強(qiáng)，而LTE也在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上推出了LTE-Advanced，準(zhǔn)備參與ITU-R的征集活動(dòng)。

在這兩個(gè)技術(shù)中，除了對(duì)系統(tǒng)性能的提高外，新的網(wǎng)絡(luò)部署方案也是討論和研究的重點(diǎn)，比如家庭基站(Home Base Station H-BS)和中繼技術(shù)。有研究表明，今后可能有50％的話音業(yè)務(wù)以及超過(guò)70％的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在室內(nèi)使用，室內(nèi)覆蓋就成為提升用戶體驗(yàn)質(zhì)量(QoE)的關(guān)鍵之一。與傳統(tǒng)的室內(nèi)覆蓋技術(shù)(如Pico cell、直放站以及室內(nèi)分布式天線系統(tǒng))相比，H-BS除了能提供室內(nèi)覆蓋以外，還可以實(shí)現(xiàn)一種面向用戶的個(gè)性化、差異化的服務(wù)提供方式。對(duì)運(yùn)營(yíng)商而言，H-BS的部署在一定程度上由用戶完成，還有利于節(jié)約CAPEX和OPEX。

然而，用戶畢竟不是專(zhuān)業(yè)的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員，在H-BS部署過(guò)程中能完成的工作非常有限，比如提供電源。考慮到H-BS部署的數(shù)量可能比較大，以及用戶行為的不確定性對(duì)于家庭基站的影響，運(yùn)營(yíng)商不可能像部署宏小區(qū)網(wǎng)絡(luò)一樣，通過(guò)事先的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，避免網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生諸如小區(qū)間干擾這一類(lèi)的問(wèn)題。因此，能否解決好H-BS部署及運(yùn)行、維護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題，將決定這一技術(shù)是否能真正成為下一代無(wú)線通信系統(tǒng)室內(nèi)覆蓋的主要解決方案。

本文將對(duì)解決H-BS部署問(wèn)題的自配置和自?xún)?yōu)化技術(shù)進(jìn)行討論，并對(duì)旨在有效控制H-BS間干擾的H-BS載波管理技術(shù)進(jìn)行評(píng)估和分析。

2家庭基站的自配置和自?xún)?yōu)化

隨著無(wú)線通信技術(shù)使用的普及和不斷進(jìn)步，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署的復(fù)雜性也不斷提高。比如，基站的選址以及基站配置參數(shù)的設(shè)置。在網(wǎng)絡(luò)部署完成，開(kāi)始正常運(yùn)行后。還需要針對(duì)新的突發(fā)情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，比如網(wǎng)絡(luò)故障、網(wǎng)絡(luò)流量分布的變化等。這在很大程度上提高了運(yùn)營(yíng)商的OPEX。自配置和自?xún)?yōu)化(Self-Configuration ＆ Self-Optimization)技術(shù)的提出就成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵，將網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)行、維護(hù)過(guò)程中人為參與的程度降到最低，賦予網(wǎng)絡(luò)自行完成網(wǎng)絡(luò)部署初始配置以及運(yùn)行過(guò)程中的性能優(yōu)化和故障處理的能力，對(duì)于H-BS而言，這一點(diǎn)尤為重要。因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商對(duì)于H-BS的控制能力已經(jīng)被弱化，而由不具備專(zhuān)業(yè)知識(shí)的普通用戶參與H-BS的部署和運(yùn)行、維護(hù)，這就需要家庭基站具備必要的自配置和自?xún)?yōu)化能力。

2.1自配置和自?xún)?yōu)化

在NGMN中，自配置和自?xún)?yōu)化技術(shù)又被稱(chēng)為自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(SON Self-Organizing Networks)，無(wú)論是LTE還是WiMAX都將自配置和自?xún)?yōu)化作為一項(xiàng)重要技術(shù)特征。以LTE為例，LTE增強(qiáng)的Release 9版本中，對(duì)現(xiàn)有LTE定義的SON功能進(jìn)行了進(jìn)一步擴(kuò)充，可以預(yù)見(jiàn)的是在LTE-Advanced中，這些功能還可能被進(jìn)一步增強(qiáng)。主要包括：

(1)物理小區(qū)標(biāo)識(shí)自動(dòng)配置

物理小區(qū)標(biāo)識(shí)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)配置的一個(gè)基本參數(shù)，用于區(qū)別不同小區(qū)的無(wú)線信號(hào)，然而可用的物理小區(qū)標(biāo)識(shí)的數(shù)量是有限的，因而必然出現(xiàn)物理小區(qū)標(biāo)識(shí)重用的情況。在一個(gè)新基站部署過(guò)程中，需要通過(guò)物理小區(qū)標(biāo)識(shí)自動(dòng)配置能力，為基站控制的每個(gè)小區(qū)分配一個(gè)物理小區(qū)標(biāo)識(shí)。確保在相關(guān)小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，沒(méi)有相同的物理小區(qū)標(biāo)識(shí)，且鄰居小區(qū)采用的物理小區(qū)標(biāo)識(shí)各不相同。

(2)自動(dòng)鄰居關(guān)系配置

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，如：新基站加入／拆除或者基站故障無(wú)法工作等，基站需要能自動(dòng)維護(hù)與周?chē)鹃g的鄰居關(guān)系，這對(duì)于小區(qū)間切換、負(fù)載均衡、干擾協(xié)調(diào)等有重要意義。

(3)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)

由于無(wú)線資源的有限性，尤其是頻率資源，在小區(qū)間必然需要對(duì)無(wú)線資源進(jìn)行重用。當(dāng)鄰近小區(qū)采用的無(wú)線資源相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生小區(qū)間干擾。小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)就是對(duì)鄰近小區(qū)使用的無(wú)線資源進(jìn)行協(xié)調(diào)，盡量避免在同一時(shí)段內(nèi)鄰近小區(qū)使用相同的頻率資源，或者是在干擾可以接受的情況下，允許鄰近小區(qū)使用相同的頻率資源。

(4)覆蓋和容量?jī)?yōu)化

在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中需要對(duì)覆蓋和容量進(jìn)行優(yōu)化，包括網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的檢測(cè)和修復(fù)、小區(qū)邊緣覆蓋質(zhì)量的優(yōu)化，以及通過(guò)調(diào)整接納控制門(mén)限等參數(shù)，減少干擾，提升系統(tǒng)容量。

(5)節(jié)能及干擾減少

綠色環(huán)保是未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一個(gè)重要特征，節(jié)能則是其中一項(xiàng)重要指標(biāo)。在基站控制的小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)如果沒(méi)有終端需要服務(wù)，可以考慮暫時(shí)關(guān)閉基站，除了節(jié)能，這還能減少不必要的小區(qū)間干擾，關(guān)鍵在于相關(guān)基站在需要的時(shí)候能及時(shí)切換到工作狀態(tài)。

(6)移動(dòng)魯棒性增強(qiáng)

對(duì)處于激活狀態(tài)的終端，小區(qū)間切換是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中需要手動(dòng)設(shè)置、調(diào)整切換參數(shù)。而通過(guò)自配置和自?xún)?yōu)化功能，基站可以調(diào)整相關(guān)的無(wú)線資源管理參數(shù)，提高切換的成功率，避免不必要的切換。而對(duì)處于空閑狀態(tài)的終端而言，選取合理的小區(qū)和重選參數(shù)同樣可以減少系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。

(7)移動(dòng)負(fù)載均衡

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，流量負(fù)載的分布會(huì)隨時(shí)間的推移發(fā)生改變，為了提高資源利用率，避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，可以通過(guò)調(diào)整小區(qū)間切換參數(shù)或小區(qū)重選參數(shù)，將小區(qū)負(fù)載轉(zhuǎn)移到鄰近小區(qū)中。這需要鄰近小區(qū)間能及時(shí)互通負(fù)載信息。

2.2家庭基站SON的特點(diǎn)

(1)H-BS與宏基站的差異

針對(duì)部署場(chǎng)景的特點(diǎn)，H-BS與宏基站(Macro Base Station M-BS)有著明顯的差異性：

◆覆蓋類(lèi)型：M-BS主要針對(duì)室外覆蓋，而H-BS主要針對(duì)室內(nèi)覆蓋：

◆覆蓋范圍：M-BS需要覆蓋的范圍可以從幾百米到幾公里，而H-BS只需要覆蓋幾米到幾十米即可；

◆服務(wù)用戶數(shù)：H-BS服務(wù)的用戶數(shù)遠(yuǎn)小于M-BS服務(wù)的用戶數(shù)；

◆可用性：M-BS需要維持長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，H-BS可能頻繁開(kāi)關(guān)：

◆網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃：M-BS的部署通常可以由運(yùn)營(yíng)商事先通過(guò)

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃來(lái)完成諸如選址一類(lèi)的工作，但H-BS則無(wú)法實(shí)施網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

◆網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)：M-BS主要由運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行日常的運(yùn)行維護(hù)，H-BS則通常主要由不具備專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能的用戶來(lái)完成。

(2)H-BS需具備的SON能力

通過(guò)這些對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，在某些方面H-BS對(duì)于SON的要求高于M-BS，而某些方面則不需要像M-BS那么復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)用戶即插即用，H-BS需要具備的SON能力主要包括：

◆配置管理

由于H-BS需要提供的是電信級(jí)的服務(wù)。因此在H-BS啟動(dòng)后，需要能自動(dòng)向運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)發(fā)起認(rèn)證、注冊(cè)等安全性相關(guān)的過(guò)程，并能從網(wǎng)絡(luò)獲取必要的配置參數(shù)。

在成功接入網(wǎng)絡(luò)并取得相關(guān)配置參數(shù)后，H-BS還需要能根據(jù)對(duì)周?chē)鸁o(wú)線環(huán)境的感知，選取和調(diào)整相關(guān)參數(shù)，如：工作頻率，物理小區(qū)標(biāo)識(shí)等，在確保能正常工作的前提下，避免小區(qū)間干擾。

◆性能管理

在工作過(guò)程中，H-BS需要根據(jù)對(duì)周?chē)鸁o(wú)線環(huán)境的檢測(cè)以及關(guān)鍵性能指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，提高和改善容量和覆蓋，減少小區(qū)間干擾。

◆故障處理

出現(xiàn)故障時(shí)，H-BS需要根據(jù)自身能力盡量從故障中恢復(fù)，比如恢復(fù)初始配置。在無(wú)法恢復(fù)的情況下，需要以報(bào)警的方式提示用戶，并停止運(yùn)行，避免對(duì)周?chē)^(qū)造成不必要的干擾。

3家庭基站載波管理技術(shù)

從前面的分析可以看到，在對(duì)H-BS的自配置和自?xún)?yōu)化要求中，減少和避免小區(qū)間干擾是確保H-BS正常工作和提高性能的關(guān)鍵。由于用戶行為的不確定性，無(wú)法預(yù)測(cè)用戶什么時(shí)候打開(kāi)H-BS，什么時(shí)候關(guān)掉H-BS以及將H-BS擺放在什么位置，因此H-BS的部署無(wú)法事先進(jìn)行的規(guī)劃。這也導(dǎo)致了H-BS在部署過(guò)程中可能由于配置不當(dāng)而產(chǎn)生較為嚴(yán)重的小區(qū)間干擾，這在很大程度上會(huì)影響用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。尤其在人口居住密度較大的地區(qū)，H-BS部署的密度會(huì)比較大，這一問(wèn)題尤為明顯。

對(duì)于IMT-Advanced系統(tǒng)而言，需要支持高達(dá)100MHz的頻率帶寬。考慮到H-BS需要服務(wù)的用戶數(shù)遠(yuǎn)小于M-BS且H-BS具有一定的用戶依賴(lài)性，不同用戶對(duì)于終端和帶寬的需求是不同的，因此H-BS對(duì)于頻率資源的需求有別于M-BS，且不同H-BS對(duì)于頻率資源的需求也是有差異的。結(jié)合針對(duì)IMT-Advanced提出的載波聚合技術(shù)，下面將對(duì)H-BS可能的載波管理方案進(jìn)行討論。

3.1家庭基站載波管理方案

(1)固定分配(Fixed Assignment)

這是一種最簡(jiǎn)單和直接的方案，即H-BS的廠家可以根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的對(duì)頻率資源的規(guī)劃，在產(chǎn)生H-BS的過(guò)程中就將H-BS的工作頻點(diǎn)和帶寬固定，或者在H-BS啟動(dòng)后可以從網(wǎng)絡(luò)下載相關(guān)配置參數(shù)，一旦設(shè)定就不再更改。

(2)載波隨機(jī)選擇(Random Carrier Selection)

H-BS可以在運(yùn)營(yíng)商指定的頻率資源范圍內(nèi)，可能是一個(gè)載波集合，根據(jù)自身的帶寬需求，隨機(jī)部分載波構(gòu)成自己的載波聚合。在工作過(guò)程中，還可以根據(jù)需要，對(duì)載波聚合進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整仍然采用隨機(jī)選擇的方式來(lái)完成，而無(wú)須其他輔助信息。

(3)自動(dòng)載波管理(Autonomous Carrier Management)

H-BS可以針對(duì)自身的頻率帶寬需求，利用自配置過(guò)程中從網(wǎng)絡(luò)獲取的可用頻率資源配置信息，根據(jù)載波聚合的原則，將運(yùn)營(yíng)商提供的頻率資源劃分為多個(gè)載波。通過(guò)對(duì)每個(gè)載波的干擾測(cè)量結(jié)果，選擇干擾最小的載波(一個(gè)或多個(gè))構(gòu)成自己的載波聚合。不同H-BS對(duì)可用頻率資源的劃分可能不同，載波聚合需要的頻率帶寬資源也可能不同。載波聚合的調(diào)整可以是周期性的。也可以根據(jù)實(shí)際需要，以事件驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)觸發(fā)。

3-2性能評(píng)估

為了便于比較上述不同方案的性能，論文采用系統(tǒng)級(jí)評(píng)估的方法，對(duì)典型應(yīng)用場(chǎng)景下，三種方案的性能進(jìn)行了評(píng)估。

根據(jù)ITU-R和3GPP對(duì)于IMT-Advanced技術(shù)的評(píng)估方法和要求，室內(nèi)H-BS部署場(chǎng)景如圖1所示。室外M-BS部署場(chǎng)景采用19站點(diǎn)57小區(qū)場(chǎng)景，宏小區(qū)站點(diǎn)間距離為500m。主要系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。采用文獻(xiàn)。中簇(Ciuster)的概念分別對(duì)三種不同的簇密度進(jìn)行了評(píng)估，即每個(gè)簇中包括2個(gè)、5個(gè)和10個(gè)H-BS的三種情況。

3.3結(jié)果及討論

假設(shè)M-BS需要的頻率資源為80MHz，而H-BS需要的頻率資源為20MHz。假設(shè)每個(gè)載波帶寬為10MHz，那么M-BS需要8個(gè)載波，H-BS需要2個(gè)載波。假設(shè)H-BS的可用頻率資源為80MHz，分別對(duì)兩種不同的頻率配置方式進(jìn)行評(píng)估，即獨(dú)立信道模式(Independent Channel)，H-BS可用的頻率資源與M-BS正交和共信道模式(Co—channel)，H-BS可用的頻率資源與M-BS相同。對(duì)下行鏈路評(píng)估結(jié)果進(jìn)行討論，限于篇幅，僅給出密度為10個(gè)H-BS每簇的結(jié)果，如圖2所示

(1)獨(dú)立信道模式

鄰居H-BS之間的干擾對(duì)系統(tǒng)性能有明顯影響，隨著H-BS部署密度的增加，系統(tǒng)性能明顯下降。

如圖2所示，即便在H-BS較高的時(shí)候，與固定分配相比，采用更靈活的載波管理方案可改善系統(tǒng)性能。其中。隨機(jī)載波選擇方案可以獲得約5dB的增益。而自動(dòng)載波管理方案則可以獲得約10dB的增益。在部署密度較低的時(shí)候。采用靈活的載波管理方案還能獲得更高的性能增益。

(2)共信道模式

來(lái)自M-BS的干擾對(duì)H-BS的性能有著非常明顯的影響，以至于采用靈活的載波管理方案帶來(lái)的增益不像獨(dú)立信道模式那樣明顯。

但即便是在受到M-BS強(qiáng)烈干擾的情況下，與固定分配方案相比，采用自動(dòng)載波管理仍然可以獲得2dB～8dB的性能增益。

從對(duì)評(píng)估結(jié)果的分析中不難發(fā)現(xiàn)，采用靈活的載波管理方案有助于改善H-BS的系統(tǒng)性能。對(duì)于M-BS網(wǎng)絡(luò)而言，在采用共信道模式時(shí)，H-BS的部署同樣會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生影響。一方面需要在M-BS網(wǎng)絡(luò)中利用干擾協(xié)調(diào)技術(shù)來(lái)改善性能。另一方面，也可以在H-BS網(wǎng)絡(luò)中引入其它的干擾協(xié)調(diào)解決方案，這與本文提出的靈活的載波管理方案并不沖突。

除此以外，在有富余頻率資源的情況下，還可以考慮采用部分共信道，M-BS與H-BS共用部分頻率資源，甚至是獨(dú)立信道模式，這將有助于改善M-BS和H-BS的系統(tǒng)性能，當(dāng)然這要根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的頻率資源使用策略而定。

4結(jié)束語(yǔ)

作為下一代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)覆蓋的重要解決方案，家庭基站已經(jīng)成為各大主流技術(shù)支持的一種重要網(wǎng)絡(luò)部署方式。有別于傳統(tǒng)宏基站，家庭基站的部署主要由用戶完成，因此，自配置和自?xún)?yōu)化就成為家庭基站必備的能力。其中，為了解決好家庭基站部署過(guò)程產(chǎn)生的基站間干擾，采用靈活的載波管理技術(shù)可以在一定程度上改善系統(tǒng)性能。