超密集組網的關鍵技術研究

天津中興軟件有限責任公司 郭 琦

隨著移動互聯網的發展，人們對各種應用場景下的通信體驗要求越來越高，希望能在體育場、露天集會、演唱會等超密集場景也獲得良好的業務體驗。隨時無縫接入的要求，使網絡重心由覆蓋受限轉化為容量受限。新型業務以移動視頻業務的需求最為主流，不同的應用對移動性、頻率需求、時延需求和流量需求不盡相同，對網絡對業務與終端識別能力、資源動態分配能力以及多網協同能力提出新要求。隨著4K視頻及虛擬現實業務的快速發展，對帶寬的需求也不斷增長，比如1080P視頻業務的帶寬需求僅為4Mbps，而4K視頻業務的帶寬達到了20Mbps，未來虛擬現實VR業務的帶寬需求將達到100Mbps以上。

超密集組網（Ultra Dense Network，UDN）將是滿足5G以及未來移動數據流量需求的主要技術手段。超密集組網通過更加“密集化”的無線網絡基礎設施部署，可獲得更高的頻率復用效率，從而在局部熱點區域實現百倍量級的系統容量提升。隨著站點密度的增加，用戶將受到多個密集鄰區的同頻干擾，且移動時切換過于頻繁，用戶體驗急劇下降。Pre5G UDN解決方案，可以化多個基站的干擾為有用信號，且服務集合隨小區移動不斷更新，始終使用戶處于小區中心的狀態，實現小區虛擬化，達到一致性的用戶體驗。干擾管理與抑制、小區虛擬化技術和小小區動態調整等是Pre-UDN階段超密集組網的重要研究方向。

1.引入D-MIMO技術，解決干擾并提升單位面積容量

在同頻組網場景下，隨著站點數量増加和站點密度増大，小區間重疊覆蓋度增加，同頻干擾的問題嚴重，一方面廣播信道(包括控制信道和參考信號)干擾增大，導致用戶接入受限；另一方面邊緣區域增加導致邊緣用戶業務信道性能下降，從而導致站點增加可以帶來的吞吐量提升非常有限，特別是小區邊緣用戶的感知很難保證。

現有的干擾協調技術，比如 Supercell和CoMP雖然可以一定程度減少干擾，但是在這種高密站點場景下也會帶來一定的問題。Supercell小區合并可以減少廣播信道的干擾，但是合并后小區的整體吞吐量會下降，合并的小區越多對性能的損失越明顯。CoMP技術雖然可以減小部分強干擾，但是可以協調的干擾小區數有限，對邊緣用戶性能和整網性能改善程度有限。

D-MIMO（Distribute-MIMO）通過將分布在不同地理位置的天線進行聯合的數據發送，可以將其他基站的干擾信號變成有用信號，在協調基站間同頻干擾的同時提升單用戶的吞吐量和系統頻譜效率，保證單位面積的吞吐量隨著站點數的增加穩步增長，是高密組網階段重要的干擾解決和容量提升技術之一。

2.引入Virtual Cell技術，實現一致的用戶體驗

隨著小站部署越來越密集，小區邊緣越來越多，當UE在密集小區間移動時，不同小區間因PCI不同導致UE小區間切換頻繁。虛擬小區Virtual Cell技術的核心思想是“以用戶為中心”分配資源，達到“一致用戶體驗”的目的。虛擬小區 Virtual Cell技術為UE提供無邊界的小區接入，隨UE移動快速更新服務節點，使UE始終處于小區中心；此外，UE在虛擬小區的不同小區簇間移動，不會發生小區切換/重選。

具體來說，虛擬小區由密集部署的小站集合組成。其中重度非常高的若干小站組成D-MIMO簇，若干個 D-MIMO簇組成虛擬小區。在D-MIMO簇構建的虛擬小區中，構建虛擬層和實體層網絡，其中虛擬層涵蓋整個虛擬小區，承載廣播、尋呼等控制信令，負責移動性管理；各個D-MIMO簇形成實體層，具體承載數據傳輸，用戶在同一虛擬層內不同實體層間移動時，不會發生小區重選或切換，從而實現用戶的輕快體驗。

Virtual Cell技術方案示意圖如下：

Virtual Cell由1～N個 Cluster組成，若干個 Cluster可以為 normal cell/Supercell/D-MIMO簇。對于超密組網場景，Cluster各自形成DMIMO簇的是典型場景。各Cluster建立獨立實體，而Cluster組成的虛擬小區共享一個虛擬層。

在隨機接入階段，UE隨機接入時發送 Preamble信息，可能兩個超級小區都會收到且都解析的物理小區的Preamble ID不同,且都會發送給UE隨機接入消息，UE會在信號最強的小區接入。Virtual Cell各個 Cluster的PCI均相同且唯一，通過各自CGI識別小區。由于Cluster 0和 Cluster 1的PCI相同，因此在交疊區域的UE會收到來自兩個 Cluster的CRS，而此時如果 PDCCH和 PDSCH僅 Cluster邊界單個CP發送，則影響下行解調性能。因此在 Cluster邊界CP對UE需要聯合發送。邊界CP的聯合發送可以類似CoMP的下行非相干JT，但是需要提前調度通知目標CP聯發的時頻域資源位置，對端CP需要及時解出聯發信息作出資源協調。這種方式不利于高速移動場景，且如果聯合超級小區無線擴展，將導致交互信息巨大，提前調度量巨大。因此此處可以考慮將邊界CP做時頻域位置錯開，比如時分或者頻分，且各自所用時域或者頻域資源可以根據邊界CP用戶數自適應調整。即當對端CP無用戶調度時，可以將全部資源給當前CP使用。或者考慮僅限制交疊區域內的時頻域調度位置，邊界CP非交疊區域可以復用剩下的時頻域資源。即兩個邊界CP僅交疊區聯發區域公用預留資源，其他區域各自獨立調度。

當UE0和UE1處于D-MIMO簇覆蓋區域時，收到來自多個CP的重疊覆蓋。此時UE0和UE1實現空分復用，而處于CP2和CP0交疊區域的UE2，在其還處于CP2激活狀態時，在子幀集合1上調度，子幀2上反饋；而CP0'在相同的時隙資源位置上助其聯發；而當其移動到CP0區域時，則限制在子幀集合2上調度，子幀7上反饋；而CP2'在相同的時隙資源位置上助其聯發。相當于小區邊界的CP各自協商了發送數據的時隙資源以便錯開調度，規避同頻干擾。聯發是為了實現UE在CP間移動時數據發送的連續性。

3.小小區動態調整，頻譜利用率最大化

自適應小小區分簇通過調整每個子幀、每個小小區的開關狀態并動態形成小小區分簇，關閉沒有用戶連接或者無需提供額外容量的小小區，從而降低對臨近小小區的干擾。即使是超級小區場景，如果UE接收到的CRS功率和實際激活的CP下發的PDSCH功率有差異，也會導致UE下行解調性能的下降。因此在超密小區分簇的情況下，需要將話務量較低的小小區關斷，比如進入休眠模式。

此外，對于展會或者球賽這種突發性質的集會和賽事，其話務波動特性比較明顯，用戶群體網絡分享行為較為普遍，因此對上行容量要求較高。對于相對封閉的室內場館區域，需要根據實時話務的情況實現動態UL/DL子幀配比調整比如調整為上行占優的配置以滿足上行視頻回傳類需求。具體來說，電影音樂等大數據下載這類對下行資源需求較高的場景，需要擴充更多的下行資源用于傳輸，比如從D/U從3:1調整為8:1；微信 Facebook上傳視頻或圖片等對上行需求較髙的場景包括視頻通話等上下行對稱業務的場景需要擴充上行資源，比如從D/U從3:1調整為2:2；大型會議實況直播，視頻或音頻內容上傳，則對上行資源存在極大的需求，比如從D/U從3:1調整為1:3。再有，業務類型趨同的用戶群體通常是分簇形式，甚至是以小區單元存在的，即在部署區域，當一段時間內用戶業務需求統計體現一個穩定而明顯的特征，比如對上行業務需求量增加，那么需要對此區域的小區進行統一的時隙調整。但是需要注意的是，業務需求通常是突發的，且特征分散的，因此從業務調整需求來看，需要細分為小簇進行調整的，這對調整方案帶來了難度。

4.總結

2020年及未來，超高清、3D和浸入式視頻的流行會使得數據速率大幅提升。大量個人數據和辦公數據存儲在云端，海量實時的數據交互需要可以媲美光纖的傳輸速率。復雜多樣的場景下的通信體驗要求越來越高，為了滿足用戶能在大型集會、露天集會、演唱會的超密集場景下獲得一致的業務體驗5G無線網絡需要支持1000倍的容量增益，以及1000億針對這種未來熱點高容量的場景，UDN(超密集組網)通過增加基站部署密度，可以實現系統頻率復用效率和網絡容量的巨大提升，將成為熱點高容量場景的關鍵解決方案。