LTE异构网络技术研究.doc

专题：LTE 网络与终端技术LTE 异构网络技术研究陈晓冬，吴锦莲，王庆扬（中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630）导复出3GPP 从 R10 开始进行 LTE 异构网相关技术研究和标1 引言在移动宽带业务爆发性增长、 频率和站址资源有限的 背景下，采用异构方式搭建移动网络是疏导热点数据流量 的有效方式。异构网(HetNet)将成为移动网络的长期发展趋 势。 但是异构网的引入也将带来复杂的同频干扰、 移动性 管理以及 QoS 等问题。异构网从广义而言， 是指综合多种无线接入网技术、组网架构、传输方式及各种发射功率的基站类型。 如包括 在移动网络中增加 Wi-Fi 热点。 异构网从狭义而言，专指在 宏 基 站 覆 盖 下 增 加 同 一 制 式 的 低 功 率 节 点 ， 如 微 小 区（micro cell）、 射 频 拉 远 （RRH）、 微 微 小 区 （pico cell）、 家 庭 基站（HeNB）、中继节点（relay node）等。在 LTE 阶段， 网络技术的发展使得异构组网成为可 能。 首先，LTE 在时域和频域两个维度分配资源，具有更灵 活的无线资源调度方式，同频组网情况下更容易实现信号 干扰协调； 其次， 下一代移动核心网的标准和设备可支持 多种制式的无线接入技术，可实现对异构网的统一控制。准制定， 主要包括干扰协调增强 （eICIC）、 协作多点传输（CoMP）、移动性增强、网管等。2LTE 异构网2.1 网络架构按 照 3GPP 定 义 ，LTE 异构网是指在宏小区覆盖 下 布放低功率节点（LPN）的组网方式，如图 1 所示，各种低功率节点主要特征见表 1。2.2 面临的主要问题异构组网可以带来网络容量的提升、网络部署更加灵活等一些显而易见的好处， 但相对于单一宏站组成的同构网，异构网会面临一些自身特有的问题，主要包括以下几点。（1）来自闭合用户群（CSG）HeNB 的干扰HeNB 是异构网的重要组成部分，出于商业模式考虑，部分 HeNB 可能需要设置为 CSG 模式，即只允许特定用户接入。普通公众用户靠近这些 CSG HeNB 时， 由于无法正常接入会带来额外的干扰问题。摘 要在移动数据业务爆发性增长、频率和站址资源有限的背景下，采用异构方式搭建移动网络是疏热点数据流量的有效方式，异构网将成为移动网络的长期发展趋势，但是异构网的引入将带来杂的同频干扰、移动性管理等问题 。 本文对 LTE 异构网的组网方案 、 关键技术进行研究 ， 并提 组网及技术应用建议。关键词 LTE；异构网；覆盖范围扩展；增强型小区间干扰协调；协作多点传输文献标识码 A doi: 10.3969/j.issn.1000-0801.2012.11.003图 2 异构网中的移动场景表 1低功率节点主要特征低功率节点功率（dBm）回传接入到宏站时延数（s）X2 接口无 X2 接口(R10 以前)与宏站间通过空口连接对所有 UE 开放对所有 UE 开放支持闭合用户群(CSG)对所有 UE 开放RRHPico eNode B HeNB中继节点24/30/3724/30/372024/30（2） 网络负荷的不均衡异构网中的 Pico 基站应用于公共场合，用于吸收热点 话务， 其发射功率远远小于宏基站，R8/R9 传统的基于参 考信号强 度 （RSRP） 的服务小区选择机制 ， 将 导 致 宏 小 区 覆盖区域内的 Pico 基站覆盖范围极其有限，无法实现有效 的负荷分担。（3） 高速移动用户进/出低功率节点对性能的影响由于低功率节点的引入，使得不同类型基站间的切换 场景更加复杂，小区覆盖范围越小则用户在小区内驻留的 时间越短，尤其是高速移动用户，切换更加频繁、切换失败 率更高，如图 2 所示。（4） 回传随着异构网站点数量的增加，对回传（backhaul）数量的 需求将会大量增加，受成本制约，海量的小功率节点只能因 地制宜，利用铜缆、光纤、微波等各种各样的宽带接入链路 作为回传，回传链路在带宽、时延等方面的差异不仅影响站 点的服务性能，且会影响异构网元节点之间的协同工作。的频谱利用率及边界用户性能，3GPP 从 LTE-A 开 始 对 一些关键技术进行增强 ， 包括小区覆盖范围扩展、 小区间干 扰协调、协作多点传输及移动性增强等。覆盖范围扩展为了让 Pico 等低功率节点更好地吸收话务，3GPP 引 入了覆盖范围扩展 （cell range extension，CRE） 的 概 念 ， 即 通过在服务小区选择门限中增加偏移量的方式，扩展低功 率节点的服务范围。3.13关键技术为了解决上述提到的技术问题，提高异构组网场景下图 3 异构网中的干扰场景在 CRE 机制中，服务小区的选择条件如下：服务小区=arg maxi(RSRPi+Biasi)其中 RSRP 表示小区参考信号强度，Bias 表示服务小区选择门限偏移量，两者单位为 dB， 表示检测到的小区 集合，i 表示集合中某小区编号。通过对低功率节点设置较高的偏移值，从而扩展低功 率节点的服务范围， 目前 CRE 主要用于 Pico 覆盖范围的 扩展。 同时，由于终端的发射功率是一样的，接入 Pico 时上 行链路损耗明显小于接入宏基站的上行链路损耗，CRE 可 同时提升用户上行链路质量。CRE 在扩展低功率节点覆盖范围的同时，会使得低功 率节点覆盖边缘受到的宏基站下行干扰更为严重，所以必 须考虑更有效的干扰抑制和协调技术。3.2 eICIC除 CRE 机制增加同频干扰外 ，HetNet 组 网 还 会 面 临CSG HeNB 引起的干扰问题，主要干扰场景如下（见图31）：（1）宏基站用户靠近但无法接入 CSG HeNB，受到HeNB下行干扰；（2）宏基站用户靠近但无法接入 CSG HeNB， 对 HeNB上行产生干扰；为此 3GPP R1O/R11 引入了 ICIC 增强（eICIC）技术，包括时域 eICIC、频域 eICIC 和功率域 eICIC。时域 eICIC： 在宏基站或低功率节点中预留部分保护 时隙，用于发射准空子帧，从而减少干扰，准空子帧主要指 ABS （almost blank subframe）， 而 R8/R9 中 定 义 的 MBSFN sub-frame 也可以作为准空子帧使用。 其中 ABS 仅传送公 共 参 考 信 号 （CRS）； 而 MBSFN sub-frame 仅 在 第 一 个 符 号 传送控制信息和公共参考信号。 准空子帧的位置采用半静 态配置的方式， 可通过 X2 接口在宏基站与低功率节点之 间传递配置信息。 时域 eICIC 技术是目前 ICIC 增强技术的 研究重点和热点。频域 eICIC： 主要包括跨载波调度和躲避载波（escape carrier）。 跨载波调度是指通过将载波分为两个子集来解决 下行控制信号的干扰问题，其中子集 1 用于数据和控制信 号的传输，子集 2 主要用于数据传输以及低功率控制信号 传输。 以 f1 和 f2 两载波系统为例：宏基站小区边缘，将 f1 作为子集 1；而相应的 Pico 小区边缘，将 f2 作为子集 1，从 而有效地降低控制信号的干扰。躲 避载波方案主要用于宏基站与存在 CSG 的 HeNB 的干扰场景，宏基站能够使用所有的载波，HeNB 仅能使用 其中的某些载波。 以两载波为例，载波规避方案中，宏基站 可以使用所有的两个载波 f1 和 f2，而 HeNB 仅能使用其中 一个载波 f2。 因此 f1 载波中不存在 HeNB 同频干扰，宏基 站可以将靠近 HeNB 的宏小区用户分配到 f1 载波中。 躲避 载 波 技 术 可 以 与 HeNB 的载波选择技术 DCS （dynamic carrier selection）相结合，以减轻 HeNB 间干扰。功率域 eICIC： 此方案主要用于宏基站与存在 CSG 的 HeNB 的干扰场景。 HeNB 智能功率设置为其中的代表方 案，HeNB 智能功能设置技术中，HeNB 根据对宏基站下行 功率测量结果对发射功率进行调整，从而减少对宏基站的 干扰，此功率调整过程是开环过程，无需空口信令交互。 功 率调整算法如下。（3）HeNB 用户靠近但无法接入 CSG HeNB2，HeNB2 下行干扰；受 到（4）采用 CRE 技术的 Pico 基站用户，受到宏基站的下行干扰。3GPP R8/R9 典 型 ICIC 技 术 在 HetNet 组 网 中 有 一 定 局限性。 R8/R9 中基于 X2 接口信息交互的 ICIC 技术， 仅在 频率域针对无线 承 载 （RB） 进行协调与调度 ， 无 法 解决同步信道、公共信道、控制信道的干扰问题。 R8/R9 中软频率复用技术，由于低功率节点分布具 有不确定因素且数目较多，将使得软频率复用效率 大大降低。信息是否同时由多个传输节点进行传送，又可将此类技术分为联合传输技术和动态节点选择技术，由 服务小区按需选择。 多点协调调度 波束成形技术：UE 测量信道特征，确 定 PMI 和 CQI 并将该信息上报给基站， 基站根据每 个用户反馈的 PMI 和 CQI 进行协作调度， 为用户分 配合适的时频资源，并结合波束成形进一步减少干扰。仿真结果表明，使用 CoMP 技术可以明显改善用户尤 其是边缘用户吞吐量，如宏站与 Pico 采用多点联合处理对 上行信号进行联合解码，可以使 80%覆盖概率下的用户吞 吐量从 10 Mbit/s 左右上升到 20 Mbit/s 左右3。CoMP 的实现需要网元间紧密协调， 如采用联合传输 时，由多个协作节点同时向用户提供 PDSCH 数据传输，信 号之间的时延必须满足 LTE 系 统 的 CP 要 求 才 能 被 接 收 机正确接收，节点间必须保持同步； 另外为满足 HARQ 的 严格时序要求，节点须具备低时延的回传链路。 在 HetNet 场景下，各种低功率节点回传链路质量参差不齐，对 CoMP 的实现是一个挑战 。 目 前 CoMP 适用于使用光纤 连 接 的 RRH 节点，对于使用其他传输， 且需要进行 eNode B 间协 调的异构网场景，CoMP 的适用性有待进一步研究。3.4 移动性增强仿真结果表明，异构网组会影响移动性能，根据 3GPP研究结果4，异构网切换失败率较宏基同构网增加近一倍（从 2.4%增加到 4.6%），且异构网用户切换更加频繁，短时 间驻留的发生概率从 14.2%增加到 16.9%。为提升异构网移动性能， 需考虑垂直切换的性能优 化、家庭基站移动性管理问题，主要目标包括以下方面。 保持用户在不同小区间移动时业务覆盖的连续性， 支持宏站与低功率节点间的切换，支持低功率节点 之间的切换。 保证切换时延、 切换成功率等指标， 尽量减少 不 必 要的切换。 具有较好的小区选择策略，用户在信号重叠区应能 选择最好的小区接入， 该小区除了信号满足要求、 允许用户接入、 带宽满足业务要求等基本条件外， 还要兼顾网络整体效率。目前宏站与 Pico、RRH 等低功率节点间的切换功能已 基本具备，宏站与 HeNB 间的切换功能正在完善。 性能优 化方面主要考虑小区选择策略、HetNet 场景下的切换失败 优化、基于 UE 移动速度的优化、CSG HeNB 的切换等议题。其中 Pmax 和 Pmin 分别表示 HeNB 最大和最小发射功率（ 单 位 为 dBm），CRS E C 为 最 强 同 频 宏基站下行参考信号 强度测量值（单位为 dBm/RE），NRB是 HeNB 下行 RB 数，NSCRBDL是每个 RB 的子载波数， 参数 是用于调整 HeNB 功率控制曲线的斜率，参数 是用于调整 HeNB 的功率控制曲线 的截距，如图 4 所示。为了进一步提高低功率节点的分流能力，进一步降低ABS 方案中存在的通用参考信号（CRS）、同步信道、广播信 道等干扰对 LTE 异构网性能的影响，3GPP R11 提 出 了 多 种进一步增强技术，主要包括： CRS 干 扰 消 除 技 术 ， 如 基 于 被 干 扰 UE 接 收 机 的 CRS 干扰抵消技术和受干扰子帧打孔/速率匹配技 术，以及基于被干扰 eNode B 发射机的 CRS 干扰位 置数据静默技术； 网络辅助的小区检测和干扰消除技术，如在切换过 程中，源小区通过高层信令提前将目标小区检测所 需的一些基础信息， 如小区物理标识、 循环前缀 类 型、无线帧结构、天线端口数等发送给用户终端，从 而提高用户切换的可靠性； 子帧偏移技术， 对干扰小区和服务小区进行一定子 帧位置的偏移，从而避免两者在同步信道上的干扰。3.3 协作多点传输协作多点传输（CoMP）技术是在多个协作节点（基站） 之间通过共享数据、 信道状态信息（CSI）、 调 度 信 息 、 预 编 码矩阵索引（PMI）等进行协作处理，以提高小区边缘用户 的性能。 根据是否共享数据信息，CoMP 技术可以分为两 类：多点联合处理（JP）和多点协调调度/波束成形（CSCB）2。 多点联合处理： 多个协作节点之间通过共享数据、调度信息等，联合为目标用户提供服务。 根据数据 小区选择策略：增强终端对低功率节点的发现/辨别机制，尤其是异频部署场景，需采取特别措施使 UE 在宏站信号良好的情况下，也可以优先选择异频的 低功率节点接入，以实现负荷分担。 同时尽量减少 异频测量对终端功耗及业务性能的影响。 基于 UE 移动速度的优化：主要避免高速移动的 UE 在经过 Pico 时的频繁切换，可以基于网络/UE 控制 来减少非必要切换， 如何准确估计 UE 的移动状态 是方案实现的难点。另 外 ， 需考虑异构网相关增强技术对移动性能 的 影 响，包括非连续接收（DRX）、CRE、eICIC 等。 非连续接收可 能会影响空闲态小区重选的及时性；非连续发送可能会影 响连接态切换的及时性, 所以 3GPP 对 DRX 对异构网移动 性能影响进行了仿真。 后续将进一步研究 CRE、ABS、eICIC 等技术的应用对移动性能的影响。要额外增加 GPS 等同步方式。4.3 接口异构网的性能与节点间协同的松紧程度密切相关， 节 点间的协同越紧密，网络整体性能越好4。 而 eICIC、CoMP 以 及 SON 等协同技术均要求在异构网节点之间可以进行信息 交互，信息交互主要通过基站内接口或 X2 接口实现。 RRH 间的协同性能是最好的 ， 可 以 进 行 站 内 协 同 ， 而 Pico、 HeNB、Relay 的信息交互接口在逐步完善过程中，如 R10 开 始支持 Pico 的 X2 接口，R11 开始支持 HeNB 的 X2 接口。4.4 回传与节点选择具备高带宽、低时延回传链路（如点对点/WDM 光纤）的 场景，可以考虑部署 RRH，应用 CoMP、动态 eICIC 等技术实 现与宏站之间的高度协同，提升网络整体性能。 对于其他如 铜线、微波等质量较差的回传链路，则考虑部署相对独立的 低功率节点，Pico 等相对独立的低功率节点也可以通过 ICIC 等技术实现简单的干扰管理，并实现与宏站之间的切换。总体而言，RRU 与高性能回传的组合可以获得更好的 网络性能，Pico/HeNB 与低性能回传的组合却能提高建网 灵活性、 降低建网成本， 运营商需根据具体场景 选 择 性 价 比最佳的方案。4组网相关问题探讨为充分利用不同网络间的互补特性，协同是保证异构网 组网性能的关键，尤其是资源分配的协同。 因此异构组网需 要考虑宏站与低功率节点间是同频还是异频组网，各网元节 点间是否要有直接交互的接口，网元间是否需要同步等。5结束语LTE 在时域和频域两个维度分配资源， 具有更灵活的 无线资源调度方式，更容易实现 ICIC、CoMP 等干扰协调技 术。 另外，下一代移动核心网的标准和设备可支持多种制 式的无线接入技术， 可实现对异构网的统一控制 ， 有 利 于 异构组网的实现。 随着移动数据业务爆发性增长， 频率和 站址资源越来越紧张，异构网将成为移动网络的长期发展 趋势。 但异构网的引入在带来网络容量提升的同时将带来 同频干扰、移动性管理以及 QoS 等问题，需要进一步解决， 其中干扰问题仍然是下一步研究的重点。频率在传统 3G 系统中，由于缺乏有效的干扰规避机制，一般 建议宏站与 Pico/Femto 基站之间采用异频组网，以减少网络 干扰。 在 LTE 系统中，由于 LTE 在时域和频域两个维度分配 资源，具有更灵活的无线资源调度方式，同频组网情况下可 以通过 ICIC、CoMP 等技术进行干扰协调。 仿真结果表明宏 站与 Pico 基站同频组网具有更高的频谱利用率。对于中继节点来说， 如频率资源充裕 ， 接 入 链 路 与 回传链路之间采用不同的频段，即带外中继可以获得更好的 性能。对于 CSG HeNB，与宏站之间的干扰协调非常困难，可 优先考虑异频组网。 另外将 CSG HeNB 设置为可以兼容公 众用户且 CSG 用户优先的混合（hybrid）模式也是比较好的 办法。4.2 同步在传统的 LTE FDD 同构网络中，eNode B 之间不需要 时间同步，但在采用时域 eICIC 以及 CoMP 联合传输时，发4.1参考文献13GPP TR 36.814. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA); Further Advancements for E-UTRA Physical LayerAspects (Release 9)吴梅， 黄帆， 桑林等.协作式多点传输在 LTE-A 系统中的应用.移动通信，2010(10):434723Sara Landstrm, Anders Furusk魦r, KlasJohansson, et al.送节点之间在时间和频率上都必须严格同步 。这在 RRHHeterogeneous networksincreasing cellular capacity. EricssonReview, 2011(1)场景是比较容易实现的， 但在分散部署的 Pico 场景， 则需专题：LTE 网络与终端技术LTE-CDMA 自组织网络方案研究吴锦莲，熊尚坤，王庆扬（中国电信股份有限公司广东研究院 广州 510630）无线接入网面临宏蜂窝、微蜂窝、家庭基站（HeNB）等多种站型协同工作的挑战 ， 采用传统的人工方法进行参数配 置、网络测量和优化需要投入大量的人力物力，所以，降低 网络建设和维护优化的难度和复杂性是 LTE 发展的重要引言1相对于传统 2G 移动通信系统而言，3G/LTE 系统的无线网络参数更为复杂， 同时异构网（HetNet） 的引入使 LTE4 3GPP TR 36.839. Mobility Enhancements in HeterogeneousNetworks (Release 11),V0.5.0, 2012作者简介 陈晓冬，华南理工大学硕士，现任职于中国电信 股份有限公司广东研究院， 主要研究方向为移动通信新技术 ； 吴锦莲 ， 毕业于北京邮电大学 ， 中国电信股份有限公司广东研究院 工程师，主要研究方向为移动通信新技术；王庆扬， 华南理工大学 博士 ， 中国电信股份有限 公 司广东研究院高级工程师 ， 主 要 研 究 方向为移动通信新技术。Study on Heterogeneous Network TechnologiesChen Xiaodong, Wu Jinlian, Wang Qingyang（Guangdong Research