LTE異構網技術分析

符新+周巍

,,【摘要】隨著社會和通信技術的發展，人們對移動數據業務的需求爆發性增長，而頻率和站址的資源缺失有限的，已經無法滿足其如此迅速的增長。在此背景下，應用新技術來疏導熱點數據業務，分類數據流量勢在必行，異構網應運而生。它將成為移動網絡的長期發展趨勢，但是異構網的引入又帶來復雜的同頻干擾、移動性管理等問題。本文將對LTE 異構網的組網方案、關鍵技術進行研究，并提出組網及技術應用建議。

【關鍵詞】異構網絡低功率節點異構網的影響路由技術覆蓋范圍擴展協作多點傳輸

一、引言

LTE 的異構網絡概念，定義為各種制式、各種功率等級的基站設備組成的多系統、多層次的網絡結構。在LTE 階段， 異構網的應用有其獨有的優勢。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。

異構網可以實現在一個區域內重疊覆蓋多個類型的小區，實現不同層網絡間的同頻部署，在頻點資源緊張的情況下起到改善深度覆蓋、增加網絡容量、提升用戶感知的作用。

二、LTE異構網的主要問題及影響

LTE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、低功率節點覆蓋范圍及分流問題。異構網中低功率節點的主要作用是吸收熱點數據業務，起到分流作用。但是顧名思義，其發射功率都較低，由于服務小區的選址機制，用戶會選址覆蓋區域內信號較強的小區，其導致的結果就是低功率節點的覆蓋范圍太小，其吸收熱點數據業務的作用大打折扣。

2、切換問題對性能的影響。異構網低功率節點的存在，使得服務小區數量和類型都越來越多，小區間的切換變得日益復雜。上文提到低功率節點的實際覆蓋范圍較小，其范圍內的用戶基本都處于移動狀態，隨著場景內用戶移動速度的提升，用戶駐留時間逐漸變短，這樣的結果就是用戶頻繁的在小區間切換，切換失敗率越來越高。這對網絡性能及用戶體驗都有極大的影響，如圖1所示。

3、回傳

因異構網的技術特點，其站點數量的規模是巨大的，回傳需求因為大增。由于低功率節點的建設成本都較低，所以它的回傳也不會大動干戈，銅纜、光纖、微波等各種各種的寬帶接入鏈路作為回傳，在此情況下，回傳鏈路在時延、帶寬等方面的差異非常大，無法得到保障，嚴重影響了異構網各節點之間的協同工作及其性能。

面臨以上問題的同時，異構網對傳統網絡在多個方面都有著影響。

在規劃方面：選址要分層覆蓋，發揮宏站和微站及RELAY各自的優勢，全面解決網絡覆蓋廣度和深度、及容量問題，避免使用單一站型產生的設備浪費和效果不佳問題。頻率設置要不影響或盡量小影響宏站性能，有效利用建筑物等的阻隔降低干擾，利用各種干擾控制技術規避干擾。

在優化方面：要根據不同層網絡的角色定位針對優化，宏站保證覆蓋，微站補充容量和覆蓋。宏微小區間的切換和重選關系復雜、且不同場景會有不同的設置原則，宏微小區的參數也要根據測試情況來酌情設置。

在維護方面：由于微基站一般都部署在掛墻、抱桿、天花板上，近端維護及上站基本不可行，遠程維護需求大增。由于微基站部署量大，對于客戶問題的定位（客戶投訴定位）往往不希望像宏基站一樣采用現場撥測的方式，最好能通過免撥測來定位故障。

三、異構網的關鍵技術

為了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，包括異構網路由技術、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異構網路由技術

異構網絡中通常情況下從源節點到目的節點會同時存在多條不同的路徑，為了確保信息能到達目的節點，必需利用網絡中的冗余路由，同時為獲取最終的正確數據包，充分利用經過不同的路由到達目的節點的相同數據包，實現數據糾錯。另外，還可通過采用各類編碼的方式實現路由安全性，并實現路由的維護和恢復機制。

下面簡單介紹幾種主要的安全路由協議：（1）Sead路由協議，該協議考慮的重點主要包括了路由更新驗證、哈希鏈、距離矢量尋路。（2）DSR輕量級安全路由協議，DSR協議既能保證不會刪除路由過程中的各中間節點，也能保證在路由過程中不會再增添新節點。為了能夠立刻檢測出列表中的任何變化，該協議的基本方法是設置了一個認證器于源路由的轉發節點列表每一跳中。（3）按需距離矢量路由安全協議。對DSDV、AODV等距離矢量路由協議來說，各中間節點必須廣播正確的路由參數是它們所關注的重要的安全問題。比如，如果路由參數包括了跳數，那么各節點只能對跳數加1。具體辦法是設計一個跳數的置亂串，確保路由的更新消息中跳數不會被中間節點所遞減。該置亂串與認證單向的HMAC密鑰串不一樣，無需時間上的同步。（4）安全鏈路狀態路由SLSP。SLSP協議的方式與互聯網的鏈路狀態路由協議類似，各節點為更新和獲取其相鄰區域信息，都使用相鄰節點查找協議，為實現鏈路狀態信息的傳播，都通過周期性洪泛鏈路狀態LSU來進行分組更新。

3.2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∈∧（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，∧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，所以也必須要有更有效的干擾抑制和協調技術。

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。

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。

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

由于異構網的特性，它會影響通信的移動性能，根據3GPP研究結果，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%），且因為低功率節點覆蓋范圍等因素的影響，異構網用戶切換更加頻繁。

為此，我們不得不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：（1）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。（2）保證切換時延、切換成功率等指標，盡量減少不必要的切換。（3）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。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, 所以我們還有很多問題需要進一步研究解決。

四、總結

未來的無線通信網絡規模大、構成復雜、覆蓋廣，業務種類及服務質量要求多樣，其網絡特征與網絡結構、各類網絡協議及其設計方法、以及物理層技術呈現異構化傾向。異構化網絡已經成為未來無線通信網絡的重要研究方向。異構無線網絡能夠充分利用現有不同無線網絡之間的特性互補效能，為不同的用戶提供較好的接入服務，從而讓用戶享受到更便捷的網絡通信服務，對它的研究具有重大的學術意義和應用前景。

參考文獻

[1]3GPP TR 36.814. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Further Advancements for E-UTRA Physical LayerAspects (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 Furusksar, Klas Johansson, et al.Heterogeneous networks—increasing cellular capacity. EricssonReview，2011（1）

[4]程日濤，趙旭凇. TD-LTE異構網層間互操作策略與實現機制分析. 電信工程技術與標準化，2013（1）

3.4移動性增強

由于異構網的特性，它會影響通信的移動性能，根據3GPP研究結果，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%），且因為低功率節點覆蓋范圍等因素的影響，異構網用戶切換更加頻繁。

為此，我們不得不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：（1）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。（2）保證切換時延、切換成功率等指標，盡量減少不必要的切換。（3）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。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, 所以我們還有很多問題需要進一步研究解決。

四、總結

未來的無線通信網絡規模大、構成復雜、覆蓋廣，業務種類及服務質量要求多樣，其網絡特征與網絡結構、各類網絡協議及其設計方法、以及物理層技術呈現異構化傾向。異構化網絡已經成為未來無線通信網絡的重要研究方向。異構無線網絡能夠充分利用現有不同無線網絡之間的特性互補效能，為不同的用戶提供較好的接入服務，從而讓用戶享受到更便捷的網絡通信服務，對它的研究具有重大的學術意義和應用前景。

參考文獻

[1]3GPP TR 36.814. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Further Advancements for E-UTRA Physical LayerAspects (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 Furusksar, Klas Johansson, et al.Heterogeneous networks—increasing cellular capacity. EricssonReview，2011（1）

[4]程日濤，趙旭凇. TD-LTE異構網層間互操作策略與實現機制分析. 電信工程技術與標準化，2013（1）

3.4移動性增強

由于異構網的特性，它會影響通信的移動性能，根據3GPP研究結果，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%），且因為低功率節點覆蓋范圍等因素的影響，異構網用戶切換更加頻繁。

為此，我們不得不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：（1）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。（2）保證切換時延、切換成功率等指標，盡量減少不必要的切換。（3）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。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, 所以我們還有很多問題需要進一步研究解決。

四、總結

未來的無線通信網絡規模大、構成復雜、覆蓋廣，業務種類及服務質量要求多樣，其網絡特征與網絡結構、各類網絡協議及其設計方法、以及物理層技術呈現異構化傾向。異構化網絡已經成為未來無線通信網絡的重要研究方向。異構無線網絡能夠充分利用現有不同無線網絡之間的特性互補效能，為不同的用戶提供較好的接入服務，從而讓用戶享受到更便捷的網絡通信服務，對它的研究具有重大的學術意義和應用前景。

參考文獻

[1]3GPP TR 36.814. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Further Advancements for E-UTRA Physical LayerAspects (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 Furusksar, Klas Johansson, et al.Heterogeneous networks—increasing cellular capacity. EricssonReview，2011（1）

[4]程日濤，趙旭凇. TD-LTE異構網層間互操作策略與實現機制分析. 電信工程技術與標準化，2013（1）