LTE的新技術展望

邵 震，曹 敏，李一明

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 引言

隨著智能終端的日益普及與移動寬帶的廣泛應用，如何應對數據流量的高速增長，同時又能提升用戶體驗已經成為運營商的首要任務之一，LTE階段需要通過引入異構網的新型組網形態，并打造多網絡智能協同融合的移動智能管道，在組網架構上率先贏取一個新突破，改善LTE網絡的深度覆蓋問題并提高其頻譜利用率。本文對LTE分層組網的HetNet、小區干擾協調以及LTE與WLAN智能協同的SaMOG、ANDSF等新技術進行展望。

2 分層組網

2.1 HetNet

無線接入技術發展的實質是用更大的頻譜帶寬換取更高的峰值速率，而現階段低頻段資源已經處于緊張狀態，未來部署LTE網絡采用2 GHz以上高頻段的可能性越來越大，但高頻段由于傳播能力相對較弱，若采用傳統的Macro eNode B（宏基站）單層組網方式將無法實現較好的全程全網覆蓋，而且，LTE網絡面向的是高速率高流量的用戶群，傳統的覆蓋方式在容量上會隨著用戶的增多與帶寬需求的增大而面臨巨大的挑戰。因此，在引入了Pico eNode B（微微蜂窩基站）、RRH（remote radio head，射頻拉遠）、RN（relay node，中繼節點）及HeNB（home eNode B，家庭基站）等新的基站形態后，形成了3GPP R10——LTE-A（LTE-Advanced，LTE后續演進）中所研究的HetNet（heterogeneous network，異構網），即分層組網方式，實現4G網絡的立體覆蓋。

HetNet在宏覆蓋小區中放置LPN（lower power node，低功率節點），形成了同一制式的不同節點類型的異構網，由宏基站實現廣度覆蓋，由微微蜂窩基站或RRH、RN、HeNB實現深度覆蓋，圖1是LTE異構網的簡單示意。

實際上，雖然微微蜂窩基站、RRH、HeNB、RN都不是新的概念，但在LTE階段，HeNB與RN兩種小功率基站有著區別以往的顯著特征。

（1）HeNB

在2G、3G網絡中家庭基站被定義成femtocell，到了LTE階段就被稱為HeNB。家庭基站是通過傳統的Internet和標準的IP傳輸數據到移動核心網的。相比2G、3G網絡中采用家庭基站網關來匯聚分散，并由其統一實現移動核心網的電路域與分組域接入這一組網方式，在LTE階段，由于LTE系統的控制面與用戶面的分離，目前3GPP定義了3種HeNB的系統架構：

·配置HeNB GW（網關），無論是HeNB的控制面還是用戶面，均通過HeNB GW匯聚后接入EPC網絡（evolved packet core network，演 進 的 分 組 域 核 心網），此方案避免了EPC網絡中MME（mobility management entity，移 動 性 管 理 實 體）與SGW（serving gateway，服務網關）的負荷增加；

·未配置HeNB GW，HeNB不經過匯聚轉發直接接入EPC網絡，此方案實現了網絡架構的扁平化，減少了時延與故障點；

·配置HeNB GW僅用于控制面，此方案通過控制面的匯聚，減少了對MME負荷的影響，同時也減少了用戶面的時延與故障點。

而對于上述3種方案的選擇，則將取決于運營商對現有網絡架構、家庭基站的部署速度與規模等因素的綜合考慮。

（2）中繼

中繼是利用無線鏈路，通過施主基站傳輸數據到移動核心網的技術。在2G、3G網絡中被普遍使用的無線直放站就是一種中繼技術，是一種層1中繼的無線實現，即PHY層（physical layer，物理層）的放大＋轉發方式，將基站（或者用戶）發送來的信號經放大后轉發給用戶（或者基站），不足在于會同時放大噪聲和干擾信號，在接收側和發送側都需要進行嚴格的隔離來避免設備的自激。而在LTE-A中更多的是對層2與層3中繼的討論，其中，層2中繼包含了MAC層（media access control layer，介質訪問控制層）的功能，也可以包含RLC層（radio link control layer，無線鏈路控制層）的功能，能夠實施資源調度功能，可以被認為是一種解碼＋轉發方式，即對接收到的數據塊進行解碼，進行再編碼和轉發，這種中繼保證了終端獲得的信號的準確性，并且沒有放大噪聲與干擾信號，明顯改善了SNR（signal-to-noise ratio，信噪比）；但是由于需要對數據進行解碼，會帶來較大的時延，對基站與中繼間的鏈路傳輸可靠性要求很高，也增加了設備的復雜性。而層3中繼則可以執行部分或者全部的RRC層 （radio resource control layer，無線資源控制層），對數據可以實施快速路由以及對移動性進行管理。其主要依靠S1與X2信令，未引入新的接口，因此，也更加接近于基站的功能。相對于層2中繼，層3中繼功能的增強難免會引入更大的開銷，使設備更為復雜，成本也就更高。

但無論是采用層2中繼還是層3中繼，LTE-Avanced中的中繼技術都具備以下顯著特征：

·RN是一個獨立的基站節點，具有自身的物理小區ID（identity）、同步信道以及參考符號；

·RN的引入對終端沒有任何影響，終端將RN視作獨立的基站，接收其發送的調度信息以及HARQ（hybrid automatic repeat request，混合自動重傳請求）反饋，并反饋相應的控制信道信息。

2.2 小區間干擾協調

LTE系統所采用的OFDMA（orthogonal frequency division multiple access，正交頻分多址）本質上是一種OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正交頻分復用）＋TDMA（time division multiple access，時分多址）的技術。為了達到最高的頻譜效率，LTE通常采用同頻組網方式，此時，相鄰小區的不同用戶，特別是處于小區邊緣的用戶，會存在同一時間收到兩個或多個小區的相同頻率信號的情況。當來自各小區的同頻信號較強時，該用戶會受到嚴重干擾，從而影響通信質量，這一問題在分層組網下尤顯突出。所以，LTE同頻組網的干擾抑制成為一個亟需解決的問題，這也是LTE-A所聚焦的重點問題之一。

（1）時域優化：eICIC

3GPP在R8、R9中已深入討論了ICIC降低業務信道干擾的問題，這些干擾協調技術在分層組網下仍可以實現對業務信道干擾影響的降低。然而，如何降低控制信道的干擾，在R8、R9中并未涉及，也就是說，ICIC不能解決宏基站的控制信道對LPN的控制信道產生的干擾問題，因此，eICIC（enhanced inter cell interference coordination，增強的小區間干擾協調）成為R10的討論重點。換一句話說，ICIC是在頻域和功率控制上對業務信道的小區間干擾進行協調，而eICIC則是在時域和頻域以及功率控制上對業務和控制信道的小區間干擾進行協調。但R10的eICIC只針對非載波聚合情況，其完全兼容R8、R9的ICIC技術，并且R11已經啟動了FeICIC（further enhanced inter cell interference coordination）的研究。

（2）頻域優化：基于CA的ICIC

目前針對分層組網中的下行干擾，尤其是控制信道干擾的一種有效消除方法是：基于載波的頻譜資源優化配置，通過小區間有用信息的交互，基站為其歸屬用戶選擇合適的primary cell（主小區）和secondary cell（輔小區），從而使受干擾用戶和干擾用戶使用正交的頻譜資源來消除下行干擾，提升整個分層網的系統性能。而R11所討論的幾種基于載波聚合的干擾消除方法在信息的有效交互以及小區間頻譜資源的優化配置和選擇等方面仍存在不足，尤其當低功率基站節點數目增多時，這些方法的實施效果未必能達到理想目標，因此，后續仍需要研究基于CA（carrier aggregation，載波聚合）的eICIC。

（3）空域優化：CoMP

CoMP（coordinated multi-point transmission and reception，協作多點傳輸與接收）實現了包括服務小區和鄰小區在內的多個小區站點的天線以一種協作的方式進行接收/發射的功能，從而改善終端/基站的接收信號質量，降低小區之間的干擾，提升小區邊緣的用戶吞吐量以及小區的平均吞吐量。不同基站之間通過協同處理干擾，或者進行干擾避免——通過對系統資源的劃分和限制或者有效分配，減小相鄰小區邊緣區域使用的資源在時間、頻率或者空間上的沖突，或者進行干擾利用——通過協作共同接收用戶信號并合并接收的信號或者通過協作將用戶信號經過不同加權后共同發射，其本質就是MIMO（multiple-input multiple-output，多輸入/多輸出）技術在多小區下的應用，利用空間信道上的差異進行信號傳輸，實現了地理位置上分開的小區協作為一個或多個用戶服務。

R11對CoMP的性能分析分為同構網和異構網的4種場景，其中兩種異構網場景僅考慮了Macro-RRH的組合，分別為兩者使用相同小區ID和不同小區ID的情況。相比宏基站扇區間與Macro-RRH間的CoMP技術研究，在實際網絡部署中更應該關注各類基站間的CoMP技術的性能研究，因此，這也是CoMP后續研究的重點方向。

3 多網智能協同

隨著移動互聯網的發展，智能終端的普及，數據業務流量爆炸性的增長，為了應對用戶對無線網絡的帶寬需求、極速的業務體驗需求，運營商通常會通過多種無線接入方式，實現用戶的便捷接入、更流暢的用戶體驗。但由于制式的特點、覆蓋的能力等多方面因素，會造成多網共存的局面，如何在2G、3G、WLAN、LTE的多接入條件下，協同好各種網絡資源，提供良好的業務體驗，保證業務的發展已經成為運營商面臨的又一個熱點問題，這就要求從網絡技術層面先解決不同制式的異構系統協同工作的問題，后續再考慮市場引導策略。

由于運營商采用不同制式部署2G、3G網絡，造成了2G、3G與LTE網絡協同的技術解決方案的個性化。因此，本文就選擇共性的問題，探討近幾年發展火爆的“電信運營級”WLAN與LTE網絡協同的趨勢。

3.1 SaMOG

對比R10所研究的3種LTE與WLAN協同組網方案，其中，S2a方案需要對現網BAS（broadband access server，寬帶接入服務器）網元進行改造，使其支持PMIPv6（proxy mobile IPv6）或者GTP（GPRS tunnelling protocol），WLAN將作為授信的非3GPP系統接入EPC網絡；而S2b方案則需要在網絡側部署ePDG（enhanced packet data gateway），對WLAN接入進行匯聚后作為非授信的非3GPP系統接入EPC網絡，出于安全性問題的考慮，其要求終端與ePDG間建立IPSec（internet protocol security）隧道，這無疑增加了對終端的要求；而以高通公司專利為主要組成部分的S2c方案則更為復雜，它在終端與PDN GW（packet data network gateway）間定義了S2c接口，要求支持DSMIPv6（dual stack mobile IPv6），WLAN可以作為授信的非3GPP系統，也可以作為非授信的非3GPP系統接入EPC網絡，同時，也要求終端支持IPSec。

運營商若考慮實施上述3種方案，其實都存在一定難度，于是3GPP又提出了一種S2a擴展方案——SaMOG（S2a-based mobility over GTP）方案，在R11中僅針對終端無影響的方案進行研究，目前此方案可能是運營商最感興趣的技術方案。SaMOG組網方案的參考模型如圖2所示。

運營商可以在城域網的BAS與EPC網絡間，引入TWAP（trusted WLAN AAA peer）與TWAG（trusted WLAN access gateway）網元，實現對WLAN認證與數據的匯聚后作為授信的非3GPP系統，通過S2a接口使用GTP或者PMIPv6接入EPC網絡。

（1）TWAP：是終止STa接口的節點，在WLAN AN和3GPP AAA服務器之間處理傳遞AAA信息，建立終端的IMSI與MAC地址的綁定關系，能夠識別終端層2的attach/detach消息。

（2）TWAG：是終止S2a接口的節點，為終端的第一跳路由器。當授信的非3GPP WLAN為終端提供接入EPC的功能時，在UE-TWAG鏈路和S2a隧道之間轉發包含終端的MAC地址的報文。

在SaMOG方案中，通過獨立設備提供了WLAN到EPC網絡的接入功能，對城域網和移動網絡均不需要大的改動；同時，終端也不需要軟件更新就可以通過WLAN接入EPC網絡，大大簡化了對終端的要求，也就方便了某些純移動網絡的運營商可以通過部署獨立設備，借助第三方的WLAN資源實現為自己的手機用戶進行WLAN接入服務。當然，3GPP仍會繼續開展對終端有影響的SaMOG方案的研究工作。

3.2 ANDSF

為了進一步體現LTE與WLAN智能協同的能力，在R10就已經啟動 了ANDSF（access network discovery &selection function，接入網發現和選擇功能）的研究工作，并且把ANDSF定義為一個網元實體，ANDSF架構如圖3所示，其與終端間的接口采用基于OMA DM（open mobile alliance device management）的S14接口，ANDSF與終端的消息可以通過pull方式，由終端主動向ANDSF請求獲取，也可以通過push方式，由ANDSF主動推送給終端，但目前多數的研究是基于pull方式的。

ANDSF能夠提供以下3種策略信息。

·ANDI（access network discovery information，接入網絡發現信息）：根據終端位置的請求，ANDSF會提供給終端鄰近區域所有接入系統的接入網絡列表，這一能力的提供需要與運營商的多網絡資源平臺實現對接，其實施難度較大。

·ISMP（inter-system mobility policy，系統間移動性策略）：規定了是否允許終端進行系統間的移動，并為終端接入EPC網絡選擇最合適的接入系統，對于多模終端而言，此策略只需要支持單系統的接入，因此，在引入一些跨異系統切換的控制策略后，ISMP就可以實施部署應用。

·ISRP（inter-system routing policy，跨系統路由策略）：在終端支持并開啟了在多個無線接入接口上路由IP流量的功能時，就可以使用ISRP。也就是說，多模終端先要求具備多接入的功能，同時，也要具備與網絡協同支持IFOM（IP flow mobility）、MAPCON（multiple access PDN connection）以 及NSWO（nonseamless WLAN offload）的能力，鑒于此策略的實施對終端和網絡都有很高的要求，近期要實施的話，難度較大。

同時，在R11以后也開展了ANDSF增強的研究，包括OPIIS（operator policies for IP interface selection）與DIDA（data identification in access network discovery and selection function），并且針對ANDSF機制中未細分3GPP無線接入技術問題，啟動了WORM（optimized offloading to WLAN in 3GPP RAT mobility）的研究工作。

4 結束語

LTE在國內的商用腳步可能越來越近了，但對于整個產業鏈而言，針對異構網的研究工作仍任重且道遠。異構網是一種新的架構設計理念，需要高效的關鍵技術支撐，從而能夠賦予網絡新的能力。異構網發展的方向是對共性的融合與個性的協同，需要體現出資源的協同、業務的統一、管理的智能等特征。比如，對于LTE與WLAN的智能協同而言，可以嘗試考慮SaMOG與ANDSF的深度結合，對數據上網卡這一終端類型可以實施NSWO策略，這樣就可以考慮將此需求納入對TWAG以及TWAP網元的功能要求。甚至可以大膽考慮對有相似功能的TWAG與HeNB GW網元進行合并，從而化解運營商組網時將面臨的復雜性問題。因此，整個產業鏈在深入研究制定標準時，更應該同步推進相關的系統開發，使得用戶在未來能更早更好地獲取4G時代所帶來的移動互聯網應用的極速體驗。

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7 張從武，胡堅波.異構無線網絡融合關鍵問題和發展趨勢探討.信息通信技術，2012(3)