LTE异构网络技术研究

LTE异构网络技术研究

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导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复杂的同频干扰、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，并提出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(microcell)、射频拉远(RRH)、微微小区(picocell)、家庭基站(HeNB)、中继节点(relaynode)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。3GPP从R10开始进行LTE异构网相关技术研究和标准制定，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CSGHeNB时，由于无法正常接入会带来额外的干扰问题。图1LTE无线异构网组网架构表1低功率节点主要特征低功率节点功率(dBm)回传接入RRHPicoeNodeBHeNB中继节点24/30/3724/30/372024/30到宏站时延数(μs)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(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。图2异构网中的移动场景(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。3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。3.1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(cellrangeextension，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。在CRE机制中，服务小区的选择条件如下：服务小区=argmaxi∈λ(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，Λ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。3.2elCIC除CRE机制增加同频干扰外，HetNet组网还会面临CSGHeNB引起的干扰问题，主要干扰场景如下(见图3[1])：(1)宏基站用户靠近但无法接入CSGHeNB，受到HeNB下行干扰；(2)宏基站用户靠近但无法接入CSGHeNB，对HeNB上行产生干扰；(3)HeNB用户靠近但无法接入CSGHeNB2，受到HeNB2下行干扰；(4)采用CRE技术的Pico基站用户，受到宏基站的下行干扰。3GPPR8/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。图3异构网中的干扰场景为此3GPPR1O/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(almostblanksubframe)，而R8/R9中定义的MBSFNsub-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MBSFNsub-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(escapecarrier)。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(dynamiccarrierselection)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。其中Pmax和Pmin分别表示HeNB最大和最小发射功率(单位为dBm)，为最强同频宏基站下行参考信号强度测量值(单位为dBm/RE)，NRBDL是HeNB下行RB数，NSCRB是每个RB的子载波数，参数α是用于调整HeNB功率控制曲线的斜率，参数β是用于调整HeNB的功率控制曲线的截距，如图4所示。图4HeNB智能功率设置曲线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，3GPPR11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eNodeB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10Mbit/s左右上升到20Mbit/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eNodeB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、CSGHeNB的切换等议题。·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。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。4.1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CSGHeNB，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CSGHeNB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LTEFDD同构网络中，eNodeB之间不需要时间同步，但在采用时域eICIC以及CoMP联合传输时，发送节点之间在时间和频率上都必须严格同步。这在RRH场景是比较容易实现的，但在分散部署的Pico场景，则需要额外增加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IC