李 玥，彭木根

（北京郵電大學(xué)無(wú)線信號(hào)處理與網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室 北京100876）

1 引言

2009年12月，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量首次超過(guò)話音呼叫的業(yè)務(wù)量，這是移動(dòng)通信領(lǐng)域又一個(gè)重要的里程碑事件[1]，而它的發(fā)生是蜂窩網(wǎng)絡(luò)有能力承載高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的必然趨勢(shì)。移動(dòng)寬帶接入和無(wú)線智能終端的使用迎合了豐富的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，也促使蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量爆炸式地增長(zhǎng)。思科的研究報(bào)告顯示，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的上升趨勢(shì)仍將持續(xù)，實(shí)際上智能手機(jī)的保有量?jī)H在2011年便幾乎增加了兩倍[2]，這將使蜂窩網(wǎng)絡(luò)面臨巨大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量需求，而許多網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)擁擠不堪、供不應(yīng)求。

由于移動(dòng)業(yè)務(wù)需求的不斷增長(zhǎng)，每一代蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)都將提升系統(tǒng)容量作為目標(biāo)。在我國(guó)，隨著TD-SCDMA/WCDMA/cdma2000等3G技術(shù)、ADSL/EPON/GPON等寬帶接入技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模商用，通信行業(yè)得到了前所未有的高速發(fā)展，呈現(xiàn)出一種用戶規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)、移動(dòng)化和寬帶化趨勢(shì)明顯的態(tài)勢(shì)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商順應(yīng)國(guó)際3G路線演進(jìn)的大趨勢(shì)，積極促進(jìn)3G網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）發(fā)展。滿足快速增長(zhǎng)的3G業(yè)務(wù)需求以及對(duì)于LTE系統(tǒng)技術(shù)的支持無(wú)疑是一種挑戰(zhàn)，因?yàn)樾滦偷囊苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要更加頻繁、高速和容量更大的無(wú)線傳輸。

顯而易見(jiàn)，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議規(guī)定下的LTE系統(tǒng)（LTE/LTE-Advanced）將不能適應(yīng)未來(lái)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)的需求。許多關(guān)于這方面技術(shù)增強(qiáng)的討論與工作已經(jīng)在第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中逐漸開(kāi)展[3]，其中部分已提的解決方案涉及頻譜效率和頻帶擴(kuò)展等領(lǐng)域。而最為重要的則是使用分層異構(gòu)（宏小區(qū)和皮小區(qū)、小小區(qū)（small cell）重疊覆蓋）的網(wǎng)絡(luò)密集化部署方式，這也被認(rèn)定為滿足移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)長(zhǎng)期飛速增長(zhǎng)需求的主要解決方案。與此同時(shí)，3GPP 設(shè) 立了 LTE Small Cell Enhancement（LTE-SCE）標(biāo) 準(zhǔn)工作組，用以討論未來(lái)分層異構(gòu)的相關(guān)技術(shù)[4]。

作為分層異構(gòu)技術(shù)的重要演進(jìn)，近期業(yè)界提出一種基于虛擬小區(qū)（phantom cell）的小小區(qū)組網(wǎng)增強(qiáng)方案[5]。虛擬小區(qū)的實(shí)際意義在于既能滿足未來(lái)小小區(qū)設(shè)計(jì)的基本需求，又能兼顧設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度問(wèn)題。此方案的一個(gè)設(shè)計(jì)原則是使用更高頻率（如3.5 GHz以及更高）的寬頻帶來(lái)提供大容量傳輸能力。與其他使用共信道方式部署的3GPP異構(gòu)小小區(qū)技術(shù)不同，該方案主要依靠空閑頻段和小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)進(jìn)行規(guī)劃和部署[6]。本文主要從現(xiàn)網(wǎng)的局限性、未來(lái)微基站的設(shè)計(jì)需求以及具體設(shè)計(jì)思路等方面，對(duì)基于虛擬小區(qū)的分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)問(wèn)題和挑戰(zhàn)

一直以來(lái)，運(yùn)營(yíng)商不斷采取新的可行方案來(lái)滿足移動(dòng)業(yè)務(wù)的需求。在目前主流的網(wǎng)絡(luò)部署方案中，2G網(wǎng)絡(luò)主要為話音業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)覆蓋，在此之上疊加的3G和LTE網(wǎng)絡(luò)用來(lái)支持話音、數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)。此外，在特定熱點(diǎn)地區(qū)，運(yùn)營(yíng)商Wi-Fi（operator Wi-Fi）也被作為蜂窩低移動(dòng)性用戶業(yè)務(wù)的分流網(wǎng)絡(luò)。在當(dāng)前部署形式下，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)主要包括宏蜂窩 （macrocell）、提供室外覆蓋的微蜂窩（microcell）/微微蜂窩（picocell）以及提供室內(nèi)覆蓋的家庭基站（femtocell）和分布式天線系統(tǒng)。盡管可以運(yùn)用上述技術(shù)，但由于以下幾個(gè)原因，支持移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言仍是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

（1）頻譜

當(dāng)前蜂窩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下的網(wǎng)絡(luò)均工作于700 MHz～2.6 GHz，而這個(gè)頻段已經(jīng)相當(dāng)擁擠，不僅由于蜂窩通信技術(shù)，更廣的范圍包括商業(yè)、衛(wèi)星、政府以及其他通信應(yīng)用都競(jìng)相爭(zhēng)奪這一頻段的資源。在許多情況下，蜂窩通信如果想繼續(xù)長(zhǎng)期使用這段頻譜，唯一的辦法就是對(duì)某些頻段重新進(jìn)行發(fā)掘和規(guī)劃。但即使采取最優(yōu)方案，運(yùn)營(yíng)商在頻譜爭(zhēng)奪戰(zhàn)中也不可能獲得滿足長(zhǎng)遠(yuǎn)需求的足夠大的帶寬。從以上情況來(lái)看，使用頻率更高的頻段或許是一條出路。

（2）密集部署下對(duì)移動(dòng)性的支持

對(duì)于傳統(tǒng)基站而言，繼續(xù)縮小室外部署小區(qū)的半徑是不現(xiàn)實(shí)的，這主要是由于較高的切換率將導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量的下降和傳輸開(kāi)銷(xiāo)的增加。傳統(tǒng)意義上的密集化部署僅指小小區(qū)對(duì)移動(dòng)性較低的用戶提供服務(wù)，例如femtocell或picocell。然而與此恰恰相反，未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的密集化部署需要擁有支持中等移動(dòng)性甚至是高等移動(dòng)性用戶業(yè)務(wù)的能力，從而使小小區(qū)的適用范圍得以擴(kuò)大。

（3）低成本的密集化部署

像小區(qū)規(guī)劃、配置、優(yōu)化及維護(hù)這些運(yùn)維層面的工作，即使在傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中也十分繁瑣，難以處理，并且使運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本有所增加，所以業(yè)界提出自組織網(wǎng)絡(luò)（SON）的概念，并預(yù)期通過(guò)對(duì)其進(jìn)行廣泛深入的研究尋找減輕運(yùn)營(yíng)商運(yùn)維負(fù)擔(dān)的方法。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中部署了大量的小小區(qū)時(shí)，運(yùn)維方面的壓力仍將急劇增長(zhǎng)，因此增加網(wǎng)絡(luò)自主性的增強(qiáng)技術(shù)和方案在未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中將顯得不可或缺。

（4）Wi-Fi的流量分擔(dān)作用

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)是一種能在密集熱點(diǎn)地區(qū)起到有效分流作用的運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)數(shù)據(jù)容量解決方案，但由于主要應(yīng)用于室內(nèi)環(huán)境，不能很好地滿足具有高峰時(shí)段特性（如火車(chē)、地鐵等場(chǎng)景）的移動(dòng)業(yè)務(wù)。其次，Wi-Fi與蜂窩通信共享頻段，這將使系統(tǒng)容量受到限制，移動(dòng)通信環(huán)境也變得無(wú)法被運(yùn)營(yíng)商所控制，而實(shí)際上如今的運(yùn)營(yíng)商Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)也正面臨著滿載的問(wèn)題。因此，未來(lái)的小小區(qū)應(yīng)該有能力作為流量分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)。

（5）用戶吞吐量的公平性

對(duì)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)而言，小區(qū)邊緣用戶吞吐量是一個(gè)難以回避的問(wèn)題，LTE系統(tǒng)也不例外。按比例講，宏蜂窩的邊緣區(qū)域相對(duì)比較大，邊緣用戶吞吐量的降低將嚴(yán)重影響整個(gè)小區(qū)的吞吐量水平[7]。3GPP將小小區(qū)納入網(wǎng)絡(luò)部署的討論范圍之中，尤其是在其與宏蜂窩共信道部署的場(chǎng)景中，小小區(qū)的存在增加了網(wǎng)絡(luò)中的傳輸機(jī)會(huì)，故有望使整個(gè)小區(qū)的傳輸速率得以提升[6]。然而共信道部署的解決方案仍有其局限性，網(wǎng)絡(luò)中小小區(qū)數(shù)量的增加將給宏蜂窩帶來(lái)非常嚴(yán)重的干擾問(wèn)題，這對(duì)于站點(diǎn)密集化部署的地區(qū)來(lái)說(shuō)并非十分實(shí)際的容量方案。

3 基于虛擬小區(qū)的分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

前文提到，未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要滿足一系列的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如容量、對(duì)于移動(dòng)性的支持、有效的流量分擔(dān)、頻譜分配、設(shè)計(jì)的靈活性和可操作性以及吞吐量的公平性。為了達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，微基站的設(shè)計(jì)必須完全脫離傳統(tǒng)基站的體系架構(gòu)，削減某些功能而將精力主要集中在為用戶提供服務(wù)上。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中許多懸而未解的難題都因提供無(wú)縫覆蓋及其信令要求而產(chǎn)生，因此如果將這些功能放置于其他網(wǎng)元中實(shí)現(xiàn)，就會(huì)大大簡(jiǎn)化未來(lái)微基站的設(shè)計(jì)。本節(jié)將介紹一種基于虛擬小區(qū)的分層異構(gòu)無(wú)線組網(wǎng)增強(qiáng)方案，它屬于3GPP R12的討論范疇，也是目前為業(yè)界所熱議的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景增強(qiáng)候選方案之一。為了更加清晰地闡述該方案，首先對(duì)虛擬小區(qū)的概念進(jìn)行深入討論，隨后對(duì)具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)逐一進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 虛擬小區(qū)的概念

虛擬小區(qū)的本意旨在承載用戶業(yè)務(wù)，是一種與宏基站聯(lián)合運(yùn)行的微基站，被部署在宏基站覆蓋范圍內(nèi)，小區(qū)半徑為20～50 m。與傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)不同，虛擬小區(qū)缺少主/輔同步信號(hào)（PSS/SSS）、小區(qū)特定參考信號(hào)（CRS）、控制信息塊/系統(tǒng)信息塊（MIB/SIB）等小區(qū)特定的信號(hào)和信道。這種小區(qū)被稱作虛擬小區(qū)的原因是它對(duì)用戶設(shè)備（UE）的可見(jiàn)性依賴于宏蜂窩的信令控制，UE與虛擬小區(qū)之間的信道建立與釋放等無(wú)線資源控制（RRC）過(guò)程是在宏蜂窩的控制下完成的，所以宏小區(qū)和虛擬小區(qū)是主從關(guān)系，宏基站（MeNB）發(fā)出控制信令，虛擬小區(qū)基站（PhNB）僅為用戶業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)傳輸通路，它可以被稱作“宏蜂窩輔助”的微基站。這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)使控制平面（C-plane，C平面）和用戶平面（U-plane，U平面）分離來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，UE和PhNB之間的無(wú)線接口僅保留用戶平面的功能，而控制平面則交由宏基站來(lái)實(shí)現(xiàn)和管理。C/U平面分離是使虛擬小區(qū)具有高度靈活性的核心技術(shù)，這樣的設(shè)計(jì)架構(gòu)不僅易于實(shí)現(xiàn)，還帶來(lái)最小的信令開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)兼顧了實(shí)用性和靈活性。

虛擬小區(qū)的概念為未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)一般性的設(shè)計(jì)理念和思路，它的實(shí)現(xiàn)涉及多種相關(guān)技術(shù)，包括頻帶擴(kuò)展、高密度網(wǎng)絡(luò)的基帶處理、小小區(qū)的發(fā)現(xiàn)、小區(qū)規(guī)劃、負(fù)載均衡、干擾管理和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、移動(dòng)性支持以及進(jìn)一步的低成本設(shè)計(jì)，在后續(xù)章節(jié)中會(huì)陸續(xù)介紹。

圖1 C/U平面分離的虛擬小區(qū)

3.2 高頻段處的頻帶擴(kuò)展

如前所述，為了令系統(tǒng)容量獲得顯著提升，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需要使用具有足夠帶寬的新頻段。經(jīng)過(guò)研究，業(yè)界認(rèn)為由國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信部門(mén) （ITU-R）所管理的3.5 GHz及更高頻段是最佳的候選方案，目前3GPP R12/R13標(biāo)準(zhǔn)化工作正在圍繞著5 GHz頻段展開(kāi)，而10 GHz也被作為未來(lái)通信系統(tǒng)演進(jìn)的目標(biāo)頻段[3]。由于無(wú)線電波傳播質(zhì)量相比2 GHz頻段有所下降，傳統(tǒng)的宏蜂窩并不適宜使用，但卻適用于擁有較低發(fā)射功率的小小區(qū)。近期一些研究也表明，這段頻譜能夠提供更高的系統(tǒng)容量[5]。

在頻帶擴(kuò)展方面，希望獲得百兆數(shù)量級(jí)或更大的系統(tǒng)帶寬，因?yàn)檫@樣除了能夠獲得系統(tǒng)容量方面的收益，也能將干擾規(guī)劃方面的工作量降到最低。迄今為止，3.5 GHz及更高頻段仍具有廣闊的開(kāi)發(fā)空間，運(yùn)營(yíng)商如果能夠獲得新頻段的頻率許可并在此占有一席之地，那么在容量規(guī)劃方面將具有更大的自由度。

3.3 C/U平面分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

使空中接口的控制平面與用戶平面分離是微基站設(shè)計(jì)完全脫離傳統(tǒng)基站體系架構(gòu)的第一步，這種結(jié)構(gòu)最主要的益處在于它可以在大幅提升現(xiàn)網(wǎng)容量的同時(shí)，保證宏蜂窩層的可靠覆蓋以及移動(dòng)性方面的性能。在基于虛擬小區(qū)的分層異構(gòu)無(wú)線組網(wǎng)增強(qiáng)方案中，宏基站仍工作在現(xiàn)有頻段上，而虛擬小區(qū)被分配以較高的頻段，這樣的配置使C平面仍處于更為可靠的宏蜂窩層的控制之下。與此同時(shí)，系統(tǒng)容量因分離后的U平面能夠在高頻段獲得較大帶寬而得到提升，在設(shè)計(jì)方面也不需要對(duì)虛擬小區(qū)層進(jìn)行小區(qū)規(guī)劃、配置和優(yōu)化，使得諸如覆蓋空洞一類(lèi)的問(wèn)題不再是困擾運(yùn)營(yíng)商的難題。此外運(yùn)營(yíng)商還可以在網(wǎng)絡(luò)部署初期利用這種方式在特定熱點(diǎn)地區(qū)零散部署少量的虛擬小區(qū)來(lái)提升用戶體驗(yàn)，并且隨著部署數(shù)量的增加，系統(tǒng)總?cè)萘繉⒊尸F(xiàn)出線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這種特性對(duì)于高頻段上的實(shí)際系統(tǒng)開(kāi)發(fā)至關(guān)重要，因?yàn)樵谶@個(gè)頻段上信號(hào)傳播特性較差，這使得傳統(tǒng)的全小區(qū)覆蓋變得代價(jià)昂貴且?guī)缀醪豢赡軐?shí)現(xiàn)。

C/U平面分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)目前已存在應(yīng)用實(shí)例，在參考文獻(xiàn)[8]的附錄J中可以參閱到使用了支持載波聚合功能的射頻拉遠(yuǎn)頭（RRH-CA）的場(chǎng)景，同樣地，RRH的典型信道和信號(hào)被取消，成為宏蜂窩的從屬小區(qū)，它的基帶處理工作全部交由宏基站完成，兩者之間以光纖連接。RRH技術(shù)現(xiàn)今已被眾多的3G設(shè)備商所采用，而這種分布式基站的場(chǎng)景也可以看作在單節(jié)點(diǎn)處采用C/U平面分離的架構(gòu)。

3.4 具有獨(dú)立基帶處理能力的微基站

未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的下一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是要求小小區(qū)具有獨(dú)立的用戶平面基帶處理能力。將基帶處理從宏蜂窩中分離出來(lái)，能夠大幅提升系統(tǒng)的處理能力，尤其是在一個(gè)宏小區(qū)包含多個(gè)小小區(qū)的場(chǎng)景下，由于宏基站的能力有限，前文所述的共享基帶處理能力的方案將嚴(yán)重影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性。獨(dú)立基帶處理方案使得宏基站和小小區(qū)之間不再需要以光纖接口相連接，這種成本上的節(jié)約將帶來(lái)巨大的收益。在此方案中，PhNB從MeNB的控制下獨(dú)立出來(lái)，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 站點(diǎn)和基帶處理過(guò)程相分離的虛擬小區(qū)

3.5 增強(qiáng)的頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)過(guò)程

由于小區(qū)駐留和小區(qū)重選都是在宏基站層進(jìn)行的，對(duì)于處于空閑狀態(tài)的UE來(lái)說(shuō)，基于虛擬小區(qū)的未來(lái)微基站是透明的，這意味著運(yùn)營(yíng)商不需要監(jiān)控虛擬小區(qū)中和尋呼相關(guān)的任何過(guò)程，從而減少小區(qū)規(guī)劃、配置和優(yōu)化方面的工作量，此外因?yàn)樘摂M小區(qū)缺少典型的小區(qū)特定信道，UE不用頻繁地進(jìn)行測(cè)量和解碼，使得UE的能耗降低，終端的續(xù)航時(shí)間延長(zhǎng)。系統(tǒng)只需要在UE處于激活態(tài)或者宏基站發(fā)起相關(guān)過(guò)程時(shí)進(jìn)行針對(duì)小小區(qū)的小區(qū)發(fā)現(xiàn)，其中包括快速發(fā)現(xiàn)和信道建立等過(guò)程。

快速并且高能效的小區(qū)發(fā)現(xiàn)對(duì)于增加小小區(qū)的流量分擔(dān)機(jī)會(huì)是非常有意義的，特別是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的微基站部署較為松散時(shí)，這一點(diǎn)顯得更加至關(guān)重要。為此需要對(duì)小區(qū)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行功能上的增強(qiáng)，小小區(qū)工作在較高頻段，系統(tǒng)必須支持跨頻段的小區(qū)發(fā)現(xiàn)過(guò)程。一般而言，異構(gòu)分層網(wǎng)絡(luò)中的UE無(wú)論處于空閑態(tài)還是激活態(tài)，均有可能發(fā)起小區(qū)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，因?yàn)榧词怪車(chē)鷽](méi)有小小區(qū)UE也會(huì)嘗試搜尋，這將縮短UE的電池續(xù)航時(shí)間。當(dāng)UE處于空閑狀態(tài)時(shí)則更為明顯，所以采取措施減少UE頻間小區(qū)識(shí)別過(guò)程的次數(shù)是十分必要的?；谔摂M小區(qū)的未來(lái)分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)擁有更寬的頻譜范圍，子載波的數(shù)量也大幅增加，只有更快速的小區(qū)發(fā)現(xiàn)過(guò)程才能適應(yīng)組網(wǎng)方式的變化。

基于以上原因，UE需要一種增強(qiáng)的發(fā)現(xiàn)信號(hào)使得頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)過(guò)程更加流暢和高效，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：

·發(fā)現(xiàn)信號(hào)必須與宏基站的信號(hào)同步，因?yàn)轭l間小區(qū)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程需要宏基站的輔助；

·為了快速解碼，發(fā)現(xiàn)信號(hào)必須是相互正交的。

PhNB并不需要使用GPS來(lái)獲得精準(zhǔn)同步，但必須與宏基站下行發(fā)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送周期嚴(yán)格同步，這樣做的目的是減少頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)過(guò)程的次數(shù)，而信號(hào)的正交特性又降低了UE在密集部署場(chǎng)景下檢測(cè)小小區(qū)的難度。快速頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)的流程和時(shí)序如圖3所示。

3.6 負(fù)載均衡和干擾協(xié)調(diào)

小小區(qū)的另一個(gè)設(shè)計(jì)要素是平衡相鄰小區(qū)的負(fù)載能力。對(duì)于較小的覆蓋區(qū)域，相比傳統(tǒng)宏基站面臨更加劇烈的業(yè)務(wù)量變化，為了解決這一問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)支持負(fù)載均衡功能，在 LTE中，負(fù)載均衡用來(lái)處理小區(qū)之間的不均衡負(fù)載問(wèn)題，在保證用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，使網(wǎng)絡(luò)容量達(dá)到最大化。具體實(shí)現(xiàn)層面的討論包括：

圖3 快速頻間小區(qū)發(fā)現(xiàn)

·宏基站如何引導(dǎo)UE轉(zhuǎn)移至某個(gè)特定的小小區(qū)，這涉及宏基站對(duì)RRC進(jìn)行維護(hù)的過(guò)程；

·負(fù)載均衡功能的細(xì)節(jié)方案，包括觸發(fā)門(mén)限和接入控制等問(wèn)題；

·小小區(qū)之間的資源完全復(fù)用時(shí)的干擾協(xié)調(diào)問(wèn)題，包括頻域和時(shí)域兩個(gè)維度。

負(fù)載均衡提升了系統(tǒng)吞吐量，因而使系統(tǒng)的多路復(fù)用增益增加，然而同時(shí)也應(yīng)該考慮到吞吐量的公平性，舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，可以將用戶平均吞吐量作為負(fù)載均衡的小區(qū)選擇標(biāo)準(zhǔn)，稱為Cell Metric。

其中，BW為小區(qū)占用的總帶寬，N為用戶數(shù)目，SINR為信干噪比（signal to interference ratio），這里考慮的是小區(qū)的平均SINR。

對(duì)于接入控制，可以引入多種條件參量，如目標(biāo)小區(qū)負(fù)載門(mén)限、SINR門(mén)限，甚至可以是上述小區(qū)選擇標(biāo)準(zhǔn)的差值。此外，功率調(diào)整可解決資源復(fù)用下的干擾問(wèn)題，對(duì)于靜態(tài)復(fù)用的小區(qū)還可以簡(jiǎn)單通過(guò)頻率規(guī)劃來(lái)有效避免復(fù)雜的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)過(guò)程。功率調(diào)整也可用于增加或減少小區(qū)的覆蓋范圍，這在虛擬小區(qū)的結(jié)構(gòu)下非常容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椴恍枰紤]小區(qū)典型信道的最優(yōu)功率設(shè)置問(wèn)題?？梢哉f(shuō)PhNB在功能上的缺失換來(lái)了覆蓋范圍的自由度。

3.7 小區(qū)規(guī)劃、配置及管理

前面討論了未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通過(guò)功能上的簡(jiǎn)化來(lái)降低其設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，然而可運(yùn)營(yíng)性也是小小區(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，應(yīng)該盡量本著節(jié)約安裝、規(guī)劃和管理等方面成本的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。本節(jié)將重點(diǎn)闡述未來(lái)微基站系統(tǒng)中的小區(qū)規(guī)劃、小區(qū)配置和小區(qū)管理3方面內(nèi)容。

（1）小區(qū)標(biāo)識(shí)管理

一般而言，即便在傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)標(biāo)識(shí)（ID）的管理都是一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)，因?yàn)樾^(qū)ID的數(shù)量十分有限，如在LTE系統(tǒng)中只有504個(gè)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)數(shù)目不斷增加時(shí)，運(yùn)營(yíng)商需要頻繁進(jìn)行重新規(guī)劃，以避免小區(qū)ID的沖突。隨著未來(lái)分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中小小區(qū)數(shù)量的劇烈增長(zhǎng)，小區(qū)ID管理的復(fù)雜程度也逐漸增加。雖然一些類(lèi)似于“即插即用”的技術(shù)已經(jīng)在SON的范疇中出現(xiàn)，但對(duì)于分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)超高密度部署的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，還是會(huì)出現(xiàn)諸如小區(qū)ID混淆之類(lèi)的問(wèn)題。而采用基于虛擬小區(qū)的組網(wǎng)方案就能大幅降低這類(lèi)問(wèn)題發(fā)生的可能性，這是因?yàn)橐蕾囉谖锢硇^(qū)標(biāo)識(shí)（PCI）而存在的小區(qū)典型信道或信號(hào)在虛擬小區(qū)中并不出現(xiàn)。

（2）業(yè)務(wù)量監(jiān)測(cè)

業(yè)務(wù)量監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)對(duì)于基站的優(yōu)化和負(fù)載分析來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，但基站的測(cè)量功能會(huì)導(dǎo)致成本開(kāi)銷(xiāo)和系統(tǒng)復(fù)雜度的增加。對(duì)于小小區(qū)而言，將此功能交由宏基站完成是更優(yōu)的選擇。在主從運(yùn)營(yíng)模式下，宏基站可以監(jiān)測(cè)與小小區(qū)相關(guān)的所有連接，如UE的RLC上報(bào)以及PDCP層的相關(guān)過(guò)程等，同時(shí)存儲(chǔ)一些信息以供進(jìn)一步分析。這樣不僅使得宏基站可以為運(yùn)營(yíng)商提供遠(yuǎn)程監(jiān)控小小區(qū)的渠道，而且降低了微基站的成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

（3）閉合接入模式

家庭基站或Wi-Fi接入點(diǎn)這種低功率節(jié)點(diǎn) （LPN），有時(shí)工作在閉合用戶組（CSG）模式，處于小小區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi)的宏基站用戶不具有接入權(quán)限，LPN的密集部署將會(huì)給這部分用戶帶來(lái)較大的下行干擾，未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)必須解決這一問(wèn)題，基于虛擬小區(qū)的主從結(jié)構(gòu)使宏基站能夠控制和協(xié)調(diào)眾多的小小區(qū)，從而選擇最佳的配置和傳輸方案降低網(wǎng)絡(luò)中的干擾水平。

4 發(fā)展方向與前景

基于虛擬小區(qū)的未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案仍有改進(jìn)的空間，本節(jié)將提及其中的兩個(gè)發(fā)展方向。首先是虛擬小區(qū)的聚簇部署，LTE系統(tǒng)早期布網(wǎng)可能只在熱點(diǎn)區(qū)域部署小小區(qū)，但隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶量的持續(xù)提升，用戶會(huì)希望在更大范圍內(nèi)享受LTE帶來(lái)的高速率體驗(yàn)，小小區(qū)的部署范圍將越來(lái)越廣，節(jié)點(diǎn)的區(qū)域密度也越來(lái)越高，可以看成微基站以聚簇的形態(tài)在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)，而這需要在移動(dòng)性方面提出增強(qiáng)的方案來(lái)支持這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，設(shè)備到設(shè)備（D2D）的通信方式也是未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可能的發(fā)展方向，信息在用戶設(shè)備之間直接傳遞也是網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量分擔(dān)的方式之一。下面將對(duì)這兩點(diǎn)做詳細(xì)闡述。

4.1 小區(qū)聚簇與移動(dòng)性問(wèn)題

室外部署場(chǎng)景下對(duì)于高移動(dòng)性的支持問(wèn)題一直都是小小區(qū)設(shè)計(jì)中的主要瓶頸，如果未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)只能為移動(dòng)性較低的用戶提供服務(wù)，那么小小區(qū)的應(yīng)用范圍會(huì)大大受限，這種部署方式也將在長(zhǎng)期演進(jìn)中失去競(jìng)爭(zhēng)力，因此亟需為超高密度部署的小小區(qū)網(wǎng)絡(luò)找到新的移動(dòng)性解決方案。傳統(tǒng)的切換過(guò)程都會(huì)涉及小區(qū)覆蓋邊界這一概念，在未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中卻不存在這種邊界，而用小區(qū)集群組（cell cluster association）概念取而代之，它與參考文獻(xiàn)[5]中的虛擬小區(qū)組（phantom cell association）或?qū)?/層2移動(dòng)性有著同樣的含義。在小區(qū)集群組的定義下，微基站的覆蓋區(qū)域中包含多個(gè)小小區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)的小區(qū)均采用基于虛擬小區(qū)的組網(wǎng)方式，并不需要啟動(dòng)與高層相關(guān)的切換過(guò)程，因而缺少切換參數(shù)TTT（time to trigger），也不存在針對(duì)此功能的控制信令開(kāi)銷(xiāo)。如圖4（a）所示，虛擬小區(qū)組一種可能的實(shí)現(xiàn)方式是選出一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)作為簇頭來(lái)控制其他虛擬小區(qū)，簇頭和成員之間應(yīng)該具有理想的回程鏈路。這種方案可以看成一種集中式的無(wú)線接入網(wǎng)（CRAN），因?yàn)榧航M中存在中心節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行整體調(diào)配和控制，從而可實(shí)現(xiàn)基帶容量共享同時(shí)基帶資源動(dòng)態(tài)分配的基帶池結(jié)構(gòu)。對(duì)于不同虛擬小區(qū)間的業(yè)務(wù)均衡處理可通過(guò)協(xié)作多點(diǎn)傳輸技術(shù)（CoMP）輕而易舉地實(shí)現(xiàn)[9]，網(wǎng)絡(luò)的資源利用率進(jìn)而得以提升?；趩未仡^—多成員的虛擬小區(qū)簇結(jié)構(gòu)可以為更廣闊的地理面積提供覆蓋，并且可以減少網(wǎng)絡(luò)中的切換次數(shù)以及流向核心網(wǎng)的控制平面信令開(kāi)銷(xiāo)，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的發(fā)展愈發(fā)重要，因?yàn)橹悄芙K端引領(lǐng)的諸如 “機(jī)器到機(jī)器”（M2M）的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都需要RRC一直處于激活的狀態(tài)。

4.2 支持D2D通信方式的虛擬小區(qū)

與聚簇的方式恰恰相反，低成本的分布式解決方案仍然是未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)，也只有如此才能令小小區(qū)適用于更加廣泛的應(yīng)用環(huán)境之中。D2D是一種存在于UE之間的機(jī)會(huì)點(diǎn)到點(diǎn)通信方式，它的信息傳輸使用的是空白頻段資源[10]。如果將來(lái)點(diǎn)到點(diǎn)通信的需求有所增長(zhǎng)，那么D2D通信方式必將會(huì)被未來(lái)LTE綠色網(wǎng)絡(luò)所吸納。實(shí)際上支持D2D的微基站應(yīng)該擁有與UE相類(lèi)似的功能，并且與宏基站之間存在回程鏈路、與UE之間存在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直傳鏈路，使D2D成為一種潛在的機(jī)會(huì)流量分擔(dān)機(jī)制。其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4（b）所示，類(lèi)似于UE的小小區(qū)也可以被看成虛擬小區(qū)的一種變式，因?yàn)樗仁芎昊究刂?，又是具有流量分?dān)功能的網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備（基站），從而可以認(rèn)識(shí)到，任何種類(lèi)的終端設(shè)備都能以機(jī)會(huì)的方式充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的基站，而提供業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)其部署密度大幅增加能夠帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)容量的顯著提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的增強(qiáng)方案。為了適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)部署要求，小小區(qū)的設(shè)計(jì)應(yīng)完全脫離當(dāng)前傳統(tǒng)的基站體系架構(gòu)，因此基于虛擬小區(qū)的分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案應(yīng)運(yùn)而生。在這種方案中，微基站的設(shè)計(jì)采用虛擬小區(qū)的理念，并使用較高的頻段進(jìn)行通信，它通過(guò)將空中接口的控制平面與用戶平面分離來(lái)適應(yīng)回程鏈路、基帶處理、移動(dòng)性支持和部署密度等方面的設(shè)計(jì)要求。目前此方案被業(yè)界廣泛關(guān)注和研究，在3GPP標(biāo)準(zhǔn)化Study Item LTE-SCE中也有相關(guān)討論。

本文還介紹了必要的支持技術(shù)，如頻間信號(hào)發(fā)現(xiàn)、負(fù)載均衡和干擾協(xié)調(diào)、小區(qū)規(guī)劃、配置和管理以及在進(jìn)一步增強(qiáng)中可能涉及的小區(qū)聚簇、移動(dòng)性問(wèn)題和D2D技術(shù)。可以說(shuō)，虛擬小區(qū)C/U平面分離結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)既充滿意義又富有挑戰(zhàn)，未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)化工作仍需要從定義新接口和信令級(jí)增強(qiáng)方面做出努力，使得基于虛擬小區(qū)的小小區(qū)組網(wǎng)方案得以不斷完善，最終令4G網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期演進(jìn)能夠邁上新的臺(tái)階。

圖4 未來(lái)分層異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的進(jìn)一步擴(kuò)展

1 Ericsson.Mobile Data Traffic Surpasses Voice.Ericsson Press Release 23,Mar 2010

2 Cisco Whitepaper.Cisco VisualNetworking Index:Global Mobile Data Traffic Forecast Update,2012

3 NTT DoCoMo.Requirements,Candidate Solutions&Technology Roadmap for LTE R12 Onward.RWS-120010,Jun 2012

4 3GPP RAN#57.RP-121418.LTE SI:Study on Scenarios and Requirements for LTE Small Cell Enhancements

5 Ishii H.A novel architecture for LTE-B,c-plane/u-plane split and phantom cell concept.IEEE Globecom 2012 Workshop,2012(12):624～630

6 Parkvall S,Danlman E,Jongren G,et al.Heterogeneous Network Deployments in LTE.Ericsson Review,2011

7 Osterbo O.Scheduling and capacity estimation in LTE.The 23rd International Teletraffic Congress,San Francisco,USA,2011

8 3GPP TS 36.300.V11.3.0.E-UTRA and E-UTRAN Overall Description,Stage 2

9 Mogensen P,Koivisto T,Klaus I,et al.LTE-Advanced:the path towardsgigabit/sin wirelessmobile communications.IEEE Wireless VITAE,2009:147～151

10 Fodor G,Danlman E,Mildh G,et al.Design aspects of network assisted device-to-device communications.IEEE Communications Magazine,2012,50(3):170～177