LTE異構網絡技術研究

陳曉冬，吳錦蓮，王慶揚

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

1 引言

在移動寬帶業務爆發性增長、頻率和站址資源有限的背景下，采用異構方式搭建移動網絡是疏導熱點數據流量的有效方式。異構網(HetNet)將成為移動網絡的長期發展趨勢。但是異構網的引入也將帶來復雜的同頻干擾、移動性管理以及QoS等問題。

異構網從廣義而言，是指綜合多種無線接入網技術、組網架構、傳輸方式及各種發射功率的基站類型。如包括在移動網絡中增加Wi-Fi熱點。異構網從狹義而言，專指在宏基站覆蓋下增加同一制式的低功率節點，如微小區（micro cell）、射頻拉遠（RRH）、微微小區（pico cell）、家庭基站（HeNB）、中繼節點（relay node）等。

在LTE階段，網絡技術的發展使得異構組網成為可能。首先，LTE在時域和頻域兩個維度分配資源，具有更靈活的無線資源調度方式，同頻組網情況下更容易實現信號干擾協調；其次，下一代移動核心網的標準和設備可支持多種制式的無線接入技術，可實現對異構網的統一控制。

3GPP從R10開始進行LTE異構網相關技術研究和標準制定，主要包括干擾協調增強 （eICIC）、協作多點傳輸（CoMP）、移動性增強、網管等。

2 LTE異構網

2.1 網絡架構

按照3GPP定義，LTE異構網是指在宏小區覆蓋下布放低功率節點（LPN）的組網方式，如圖1所示，各種低功率節點主要特征見表1。

2.2 面臨的主要問題

異構組網可以帶來網絡容量的提升、網絡部署更加靈活等一些顯而易見的好處，但相對于單一宏站組成的同構網，異構網會面臨一些自身特有的問題，主要包括以下幾點。

（1）來自閉合用戶群（CSG）HeNB 的干擾

HeNB是異構網的重要組成部分，出于商業模式考慮，部分HeNB可能需要設置為CSG模式，即只允許特定用戶接入。普通公眾用戶靠近這些CSG HeNB時，由于無法正常接入會帶來額外的干擾問題。

表1 低功率節點主要特征

（2）網絡負荷的不均衡

異構網中的Pico基站應用于公共場合，用于吸收熱點話務，其發射功率遠遠小于宏基站，R8/R9傳統的基于參考信號強度（RSRP）的服務小區選擇機制，將導致宏小區覆蓋區域內的Pico基站覆蓋范圍極其有限，無法實現有效的負荷分擔。

（3）高速移動用戶進/出低功率節點對性能的影響

由于低功率節點的引入，使得不同類型基站間的切換場景更加復雜，小區覆蓋范圍越小則用戶在小區內駐留的時間越短，尤其是高速移動用戶，切換更加頻繁、切換失敗率更高，如圖2所示。

（4）回傳

隨著異構網站點數量的增加，對回傳（backhaul）數量的需求將會大量增加，受成本制約，海量的小功率節點只能因地制宜，利用銅纜、光纖、微波等各種各樣的寬帶接入鏈路作為回傳，回傳鏈路在帶寬、時延等方面的差異不僅影響站點的服務性能，且會影響異構網元節點之間的協同工作。

3 關鍵技術

為了解決上述提到的技術問題，提高異構組網場景下的頻譜利用率及邊界用戶性能，3GPP從LTE-A開始對一些關鍵技術進行增強，包括小區覆蓋范圍擴展、小區間干擾協調、協作多點傳輸及移動性增強等。

3.1 覆蓋范圍擴展

為了讓Pico等低功率節點更好地吸收話務，3GPP引入了覆蓋范圍擴展（cell range extension，CRE）的概念，即通過在服務小區選擇門限中增加偏移量的方式，擴展低功率節點的服務范圍。

在CRE機制中，服務小區的選擇條件如下：

服務小區=arg maxi∈Λ(RSRPi+Biasi)

其中RSRP表示小區參考信號強度，Bias表示服務小區選擇門限偏移量，兩者單位為dB，Λ表示檢測到的小區集合，i表示集合中某小區編號。

通過對低功率節點設置較高的偏移值，從而擴展低功率節點的服務范圍，目前CRE主要用于Pico覆蓋范圍的擴展。同時，由于終端的發射功率是一樣的，接入Pico時上行鏈路損耗明顯小于接入宏基站的上行鏈路損耗，CRE可同時提升用戶上行鏈路質量。

CRE在擴展低功率節點覆蓋范圍的同時，會使得低功率節點覆蓋邊緣受到的宏基站下行干擾更為嚴重，所以必須考慮更有效的干擾抑制和協調技術。

3.2 eICIC

除CRE機制增加同頻干擾外，HetNet組網還會面臨CSG HeNB引起的干擾問題，主要干擾場景如下（見圖3[1]）：

（1）宏基站用戶靠近但無法接入CSG HeNB，受到HeNB下行干擾；

（2）宏基站用戶靠近但無法接入CSG HeNB，對HeNB上行產生干擾；

（3）HeNB用戶靠近但無法接入 CSG HeNB2，受到HeNB2下行干擾；

（4）采用CRE技術的Pico基站用戶，受到宏基站的下行干擾。

3GPP R8/R9典型ICIC技術在HetNet組網中有一定局限性。

·R8/R9中基于X2接口信息交互的ICIC技術，僅在頻率域針對無線承載（RB）進行協調與調度，無法解決同步信道、公共信道、控制信道的干擾問題。

·R8/R9中軟頻率復用技術，由于低功率節點分布具有不確定因素且數目較多，將使得軟頻率復用效率大大降低。

為此3GPP R1O/R11引入了ICIC增強（eICIC）技術，包括時域eICIC、頻域eICIC和功率域eICIC。

時域eICIC：在宏基站或低功率節點中預留部分保護時隙，用于發射準空子幀，從而減少干擾，準空子幀主要指ABS（almost blank subframe），而 R8/R9中定義的 MBSFN sub-frame也可以作為準空子幀使用。其中ABS僅傳送公共參考信號（CRS）；而MBSFN sub-frame僅在第一個符號傳送控制信息和公共參考信號。準空子幀的位置采用半靜態配置的方式，可通過X2接口在宏基站與低功率節點之間傳遞配置信息。時域eICIC技術是目前ICIC增強技術的研究重點和熱點。

頻域eICIC：主要包括跨載波調度和躲避載波（escape carrier）?？巛d波調度是指通過將載波分為兩個子集來解決下行控制信號的干擾問題，其中子集1用于數據和控制信號的傳輸，子集2主要用于數據傳輸以及低功率控制信號傳輸。以f1和f2兩載波系統為例：宏基站小區邊緣，將f1作為子集1；而相應的Pico小區邊緣，將f2作為子集1，從而有效地降低控制信號的干擾。

躲避載波方案主要用于宏基站與存在CSG的HeNB的干擾場景，宏基站能夠使用所有的載波，HeNB僅能使用其中的某些載波。以兩載波為例，載波規避方案中，宏基站可以使用所有的兩個載波f1和f2，而HeNB僅能使用其中一個載波f2。因此f1載波中不存在HeNB同頻干擾，宏基站可以將靠近HeNB的宏小區用戶分配到f1載波中。躲避載波技術可以與HeNB的載波選擇技術DCS（dynamic carrier selection）相結合，以減輕HeNB間干擾。

功率域eICIC：此方案主要用于宏基站與存在CSG的HeNB的干擾場景。HeNB智能功率設置為其中的代表方案，HeNB智能功能設置技術中，HeNB根據對宏基站下行功率測量結果對發射功率進行調整，從而減少對宏基站的干擾，此功率調整過程是開環過程，無需空口信令交互。功率調整算法如下。

其中Pmax和Pmin分別表示HeNB最大和最小發射功率（單位為dBm），CRS為最強同頻宏基站下行參考信號強度測量值（單位為dBm/RE），是 H eNB下行RB數是每個RB的子載波數，參數α是用于調整HeNB功率控制曲線的斜率，參數β是用于調整HeNB的功率控制曲線的截距，如圖4所示。

為了進一步提高低功率節點的分流能力，進一步降低ABS方案中存在的通用參考信號（CRS）、同步信道、廣播信道等干擾對LTE異構網性能的影響，3GPP R11提出了多種進一步增強技術，主要包括：

·CRS干擾消除技術，如基于被干擾UE接收機的CRS干擾抵消技術和受干擾子幀打孔/速率匹配技術，以及基于被干擾eNode B發射機的CRS干擾位置數據靜默技術；

·網絡輔助的小區檢測和干擾消除技術，如在切換過程中，源小區通過高層信令提前將目標小區檢測所需的一些基礎信息，如小區物理標識、循環前綴類型、無線幀結構、天線端口數等發送給用戶終端，從而提高用戶切換的可靠性；

·子幀偏移技術，對干擾小區和服務小區進行一定子幀位置的偏移，從而避免兩者在同步信道上的干擾。

3.3 協作多點傳輸

協作多點傳輸（CoMP）技術是在多個協作節點（基站）之間通過共享數據、信道狀態信息（CSI）、調度信息、預編碼矩陣索引（PMI）等進行協作處理，以提高小區邊緣用戶的性能。根據是否共享數據信息，CoMP技術可以分為兩類：多點聯合處理（JP）和多點協調調度/波束成形（CSCB）[2]。

·多點聯合處理：多個協作節點之間通過共享數據、調度信息等，聯合為目標用戶提供服務。根據數據信息是否同時由多個傳輸節點進行傳送，又可將此類技術分為聯合傳輸技術和動態節點選擇技術，由服務小區按需選擇。

·多點協調調度／波束成形技術：UE測量信道特征，確定PMI和CQI并將該信息上報給基站，基站根據每個用戶反饋的PMI和CQI進行協作調度，為用戶分配合適的時頻資源，并結合波束成形進一步減少干擾。

仿真結果表明，使用CoMP技術可以明顯改善用戶尤其是邊緣用戶吞吐量，如宏站與Pico采用多點聯合處理對上行信號進行聯合解碼，可以使80%覆蓋概率下的用戶吞吐量從10 Mbit/s左右上升到20 Mbit/s左右[3]。

CoMP的實現需要網元間緊密協調，如采用聯合傳輸時，由多個協作節點同時向用戶提供PDSCH數據傳輸，信號之間的時延必須滿足LTE系統的CP要求才能被接收機正確接收，節點間必須保持同步；另外為滿足HARQ的嚴格時序要求，節點須具備低時延的回傳鏈路。在HetNet場景下，各種低功率節點回傳鏈路質量參差不齊，對CoMP的實現是一個挑戰。目前CoMP適用于使用光纖連接的RRH節點，對于使用其他傳輸，且需要進行eNode B間協調的異構網場景，CoMP的適用性有待進一步研究。

3.4 移動性增強

仿真結果表明，異構網組會影響移動性能，根據3GPP研究結果[4]，異構網切換失敗率較宏基同構網增加近一倍（從2.4%增加到4.6%），且異構網用戶切換更加頻繁，短時間駐留的發生概率從14.2%增加到16.9%。

為提升異構網移動性能，需考慮垂直切換的性能優化、家庭基站移動性管理問題，主要目標包括以下方面。

·保持用戶在不同小區間移動時業務覆蓋的連續性，支持宏站與低功率節點間的切換，支持低功率節點之間的切換。

·保證切換時延、切換成功率等指標，盡量減少不必要的切換。

·具有較好的小區選擇策略，用戶在信號重疊區應能選擇最好的小區接入，該小區除了信號滿足要求、允許用戶接入、帶寬滿足業務要求等基本條件外，還要兼顧網絡整體效率。

目前宏站與Pico、RRH等低功率節點間的切換功能已基本具備，宏站與HeNB間的切換功能正在完善。性能優化方面主要考慮小區選擇策略、HetNet場景下的切換失敗優化、基于UE移動速度的優化、CSG HeNB的切換等議題。

·小區選擇策略：增強終端對低功率節點的發現/辨別機制，尤其是異頻部署場景，需采取特別措施使UE在宏站信號良好的情況下，也可以優先選擇異頻的低功率節點接入，以實現負荷分擔。同時盡量減少異頻測量對終端功耗及業務性能的影響。

·基于UE移動速度的優化：主要避免高速移動的UE在經過Pico時的頻繁切換，可以基于網絡/UE控制來減少非必要切換，如何準確估計UE的移動狀態是方案實現的難點。

另外，需考慮異構網相關增強技術對移動性能的影響，包括非連續接收（DRX）、CRE、eICIC等。非連續接收可能會影響空閑態小區重選的及時性；非連續發送可能會影響連接態切換的及時性,所以3GPP對DRX對異構網移動性能影響進行了仿真。后續將進一步研究CRE、ABS、eICIC等技術的應用對移動性能的影響。

4 組網相關問題探討

為充分利用不同網絡間的互補特性，協同是保證異構網組網性能的關鍵，尤其是資源分配的協同。因此異構組網需要考慮宏站與低功率節點間是同頻還是異頻組網，各網元節點間是否要有直接交互的接口，網元間是否需要同步等。

4.1 頻率

在傳統3G系統中，由于缺乏有效的干擾規避機制，一般建議宏站與Pico/Femto基站之間采用異頻組網，以減少網絡干擾。在LTE系統中，由于LTE在時域和頻域兩個維度分配資源，具有更靈活的無線資源調度方式，同頻組網情況下可以通過ICIC、CoMP等技術進行干擾協調。仿真結果表明宏站與Pico基站同頻組網具有更高的頻譜利用率。

對于中繼節點來說，如頻率資源充裕，接入鏈路與回傳鏈路之間采用不同的頻段，即帶外中繼可以獲得更好的性能。

對于CSG HeNB，與宏站之間的干擾協調非常困難，可優先考慮異頻組網。另外將CSG HeNB設置為可以兼容公眾用戶且CSG用戶優先的混合（hybrid）模式也是比較好的辦法。

4.2 同步

在傳統的LTE FDD同構網絡中，eNode B之間不需要時間同步，但在采用時域eICIC以及CoMP聯合傳輸時，發送節點之間在時間和頻率上都必須嚴格同步。這在RRH場景是比較容易實現的，但在分散部署的Pico場景，則需要額外增加GPS等同步方式。

4.3 接口

異構網的性能與節點間協同的松緊程度密切相關，節點間的協同越緊密，網絡整體性能越好[4]。而eICIC、CoMP以及SON等協同技術均要求在異構網節點之間可以進行信息交互，信息交互主要通過基站內接口或X2接口實現。RRH間的協同性能是最好的，可以進行站內協同，而Pico、HeNB、Relay的信息交互接口在逐步完善過程中，如R10開始支持Pico的X2接口，R11開始支持HeNB的X2接口。

4.4 回傳與節點選擇

具備高帶寬、低時延回傳鏈路（如點對點/WDM光纖）的場景，可以考慮部署RRH，應用CoMP、動態eICIC等技術實現與宏站之間的高度協同，提升網絡整體性能。對于其他如銅線、微波等質量較差的回傳鏈路，則考慮部署相對獨立的低功率節點，Pico等相對獨立的低功率節點也可以通過ICIC等技術實現簡單的干擾管理，并實現與宏站之間的切換。

總體而言，RRU與高性能回傳的組合可以獲得更好的網絡性能，Pico/HeNB與低性能回傳的組合卻能提高建網靈活性、降低建網成本，運營商需根據具體場景選擇性價比最佳的方案。

5 結束語

LTE在時域和頻域兩個維度分配資源，具有更靈活的無線資源調度方式，更容易實現ICIC、CoMP等干擾協調技術。另外，下一代移動核心網的標準和設備可支持多種制式的無線接入技術，可實現對異構網的統一控制，有利于異構組網的實現。隨著移動數據業務爆發性增長，頻率和站址資源越來越緊張，異構網將成為移動網絡的長期發展趨勢。但異構網的引入在帶來網絡容量提升的同時將帶來同頻干擾、移動性管理以及QoS等問題，需要進一步解決，其中干擾問題仍然是下一步研究的重點。

1 3GPP TR 36.814.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects(Release 9)

2 吳梅，黃帆，桑林等.協作式多點傳輸在LTE-A系統中的應用.移動通信，2010(10):43～47

3 Sara Landstrōm,Anders Furusk魦r,Klas Johansson,etal.Heterogeneous networks——increasing cellular capacity.Ericsson Review,2011(1)

4 3GPP TR 36.839.Mobility Enhancements in Heterogeneous Networks(Release 11),V0.5.0,2012