王 振，李貴勇

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）

0 引言

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)容量的不斷提升，移動運營商正在為增長的數(shù)據(jù)流量發(fā)愁，Small Cell[1]在這方面正扮演著越來越重要的角色，更多的 Small Cell用來覆蓋盲區(qū)以及分擔流量壓力。Small Cell使得運營商能夠為用戶提供更高數(shù)據(jù)速率、更低成本的業(yè)務(wù)。小小區(qū)(Small Cell)密集部署是提高系統(tǒng)容量的手段之一，3GPP R12開展了針對小小區(qū)增強技術(shù)的標準化工作，包括引入高階調(diào)制（256QAM），根據(jù)流量和干擾情況進行小區(qū)開關(guān)，小區(qū)快速發(fā)現(xiàn)以及優(yōu)化異運營商之間的小小區(qū)密集部署的同步機制等。然而基于傳統(tǒng)的LTE小區(qū)搜索的方法，即基于PSS/SSS的機制應(yīng)用于小小區(qū)發(fā)現(xiàn)中，會存在一系列的問題。

1 小區(qū)搜索/發(fā)現(xiàn)

小區(qū)搜索過程就是UE取得和服務(wù)小區(qū)時間和頻率同步，并檢測物理層小區(qū)ID的過程。按照小區(qū)搜索過程的不同，小區(qū)搜索分為初始小區(qū)搜索和非初始小區(qū)搜索[2]。初始小區(qū)搜索主要是用戶開機后的小區(qū)搜索，用戶開機后，UE要為自己尋找一個合適的基站，來接收服務(wù)基站的消息。非初始小區(qū)搜索是指UE一直處于連接狀態(tài)，周期性地對周圍存在的小區(qū)進行搜索，以備小區(qū)重選和切換。

Small Cell的發(fā)現(xiàn)屬于非初始小區(qū)搜索，從理論來說，非初始小區(qū)搜索比初始小區(qū)搜索的過程要簡單些，因為非初始小區(qū)搜索UE已經(jīng)取得了下行同步，但為了減少UE搜索服務(wù)小區(qū)的復雜度，非初始小區(qū)搜索和初始小區(qū)搜索采用了相同的方法。

UE快速有效發(fā)現(xiàn)Small Cell，可以減輕宏基站的網(wǎng)絡(luò)負載，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署與網(wǎng)絡(luò)負載均衡，提高CoMP/e-ICIC的有效操作，而且可以有效地促進Small Cell的關(guān)斷技術(shù)研究，增強Small Cell層的移動魯棒性。

2 發(fā)現(xiàn)Small Cell的相關(guān)機制

在Small Cell密集部署下(如圖1所示)，基于現(xiàn)有標準已假定一個小小區(qū)簇 （一個小小區(qū)簇內(nèi)包含10個小小區(qū)）內(nèi)的全部小小區(qū)均同步（利用該同步，可以提高網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能，如使用CoMP，雙連接技術(shù)，減小搜索窗等）。這也隨之帶來了一定的問題，即同步信號映射到相同的時頻資源上，使得小區(qū)間的同步信號完全碰撞在一起，導致接收信號的信噪比下降很大，檢測性能急劇下降，很難達到小小區(qū)發(fā)現(xiàn)的標準（現(xiàn)有標準雖未規(guī)定具體發(fā)現(xiàn)的小小區(qū)個數(shù)，但是至少為3個）。

圖1 Small Cell密集部署場景（其中F1為宏基站層的覆蓋范圍，F(xiàn)2為Small Cell的覆蓋范圍）

2.1 R8機制下應(yīng)用PSS/SSS

由于PSS/SSS[3]每 5 ms傳輸一次，一般 PSS和 SSS信噪比的檢測需各自平均2個符號，則發(fā)現(xiàn)小小區(qū)至少20 ms，在SINR低于0 dB時，將會以更長的搜索時間來提高小小區(qū)的檢測性能，這樣會增加UE的功耗，尤其在采用異頻部署的網(wǎng)絡(luò)下搜索小區(qū)。

在噪聲受限的場景下(假設(shè)僅僅有目標小區(qū)傳輸PSS/SSS/CRS，來自于其他小區(qū)的干擾均視為高斯噪聲)，UE可以通過多幀累積的PSS/SSS來改善同步信號的SINR。然而在Small Cell密集部署場景下，小小區(qū)簇內(nèi)小區(qū)之間的同步信號會完全碰撞在一起，如圖2所示，這使得小小區(qū)之間存在很強的干擾，通過多幀累積的方式并不能很好的改善SINR。其主要的原因是PSS/SSS具有10 ms周期性，各小區(qū)之間的PSS/SSS的互相關(guān)性不隨時間變化。在一個傳輸周期10 ms內(nèi)，干擾隨機化僅僅由子幀0和5上的SSS信號實現(xiàn)。因此，即使通過PSS/SSS無限累積，小區(qū)之間的干擾也不能隨機化。

圖2 同步網(wǎng)絡(luò)下的小區(qū)搜索（同步信號不隨時間變化）

2.2 PSS/SSS間隔傳輸（PSS/SSS muting）

基于傳統(tǒng)的小區(qū)搜索機制，UE在未知系統(tǒng)帶寬的情況下去檢測中心頻帶6PRBs上的PSS/SSS信號，與目標小區(qū)建立時頻同步。而在同步網(wǎng)絡(luò)下Small Cell密集部署時，所有小區(qū)的PSS/SSS會彼此相互干擾。

圖3 PSS/SSS間隔傳輸

為了減少小區(qū)間的PSS/SSS干擾，提升接收信號的SINR，可以應(yīng)用PSS/SSS間隔傳輸[4]。如圖3所示，小區(qū)0，1，2輪流發(fā)送同步信號(PSS根序列號相同的小區(qū)可以同時發(fā)送同步信號)。為了達到更好的檢測性能，輔助信息可以將目標小區(qū)規(guī)定的間隔傳輸模式提供給UE，如果UE未知間隔傳輸模式的相關(guān)信息，UE接收機可能會將間隔傳輸位置的信號作為噪聲/干擾處理，影響其檢測性能，性能的提升也是有限的。對于傳統(tǒng)小區(qū)下的PSS/SSS信號，為了后向兼容性，其間隔傳輸可以完全由網(wǎng)絡(luò)層控制。

PSS/SSS間隔傳輸模式可以提供與現(xiàn)有PSS/SSS相同等級的小區(qū)搜索功能，其檢測性能可以顯著提高。當輔助信息將相關(guān)間隔傳輸模式信息提供給UE時，基于R8機制下的小區(qū)搜索功能可以重用。這種模式僅僅需要高層定義相應(yīng)的間隔模式，對現(xiàn)有標準影響很小，其性能卻可以得到很大的提升。

2.3 PSS/SSS干擾消除（PSS/SSS IC）

PSS/SSS干擾消除在R11中已經(jīng)引入，PSS/SSS IC[5]的具體方案如下：

（1）UE執(zhí)行小區(qū)搜索功能（包括時間和頻率同步以及目標小區(qū)ID）搜索潛在的最強小區(qū)；

（2）UE對步驟（1）中搜索到的小區(qū)進行信道估計；

（3）UE去除經(jīng)過上述兩個步驟后得到的小區(qū)進行下一個小區(qū)的搜索。

對于潛在的次強小區(qū)，其應(yīng)重復上述步驟進行迭代。 在R8/R9/R10的小區(qū)搜索過程中沒有上述的步驟(2)與(3)。除了上述步驟(2)與(3)給UE帶來額外的復雜度外，其迭代的次數(shù)（需要搜索的小區(qū)數(shù)）也將影響UE的功耗。根據(jù)現(xiàn)有標準至少搜索到3個小區(qū)，對其進行相應(yīng)的迭代消除，對UE的復雜度與功耗影響很大，因此PSS/SSS干擾消除的整體性能與復雜度取決于UE檢測小區(qū)數(shù)的能力。若不考慮UE的功耗，其可以提供很好的檢測性能。

2.4 其他RS的檢測機制

針對上述存在的UE功耗過大與復雜度高的問題，3GPP討論了小小區(qū)發(fā)現(xiàn)信號（Discovery Signal，DS）的相關(guān)特點，普遍認為DS相比于現(xiàn)有的下行參考信號，應(yīng)能夠提高接收信號的SINR，并且UE能夠一次或嘗試很少的次數(shù)就能發(fā)現(xiàn)多個小小區(qū)，減少檢測的時間。為了實現(xiàn)上述相關(guān)功能，DS應(yīng)滿足以下幾個特點：

（1）DS在一個子幀中的密度要相比于現(xiàn)有的下行同步信號要高的多；

（2）一個或者少量幾個DS傳輸周期較長；

（3）DS應(yīng)該支持足夠數(shù)量的正交序列和準正交序列，減小小區(qū)間的干擾。

此外，為了提高UE發(fā)現(xiàn)小小區(qū)的能源效率，宏基站可以（需高層信令支持）向UE提供相關(guān)的輔助信息，所有小小區(qū)的DS應(yīng)同步傳輸，如圖4所示，這種機制可以減少搜索窗口，降低UE的功耗。

圖4 基于網(wǎng)絡(luò)同步和輔助信息的小區(qū)發(fā)現(xiàn)機制

針對上述DS信號設(shè)計的相關(guān)要求，可以考慮現(xiàn)有的下行參考信號 CRS、PRS、CSI-RS[6]作為 DS。 無論是CRS、PRS還是CSI-RS作為DS，一個小小區(qū)簇內(nèi)的每個小小區(qū)都盡量傳輸不同的參考信號圖樣CRS/PRS/CSIRS，如圖5所示，并且為了減小干擾，在一個小小區(qū)傳輸?shù)腃RS/PRS/CSI-RS所使用的資源在另一個小小區(qū)中相應(yīng)的資源位置應(yīng)被設(shè)置為0，這樣一個小小區(qū)簇內(nèi)的全部DS均正交。

圖5 基于存在的LTE參考信號可能的發(fā)現(xiàn)信號設(shè)計

PRS或者CSI-RS作為DS可以在幀中選擇占有不同數(shù)量的 PRBs，可以為 6、25、50 PRBs，其具體配置可以由宏基站通知給UE，但需要一個小小區(qū)簇中的所有小小區(qū)的PRS/CSI-RS占有相同數(shù)量的PRBs。

現(xiàn)假設(shè)使用PRS作為DS，為了加速UE檢測小區(qū)的相關(guān)性能，LPP[7]定義了由高層提供的相關(guān)輔助信息（物理層小區(qū)ID，天線端口配置，CP類型，PRS帶寬，PRS配置，UE接收PRS的時間等）可供選擇。與傳統(tǒng)同步信號在小小區(qū)發(fā)現(xiàn)上進行對比，PSS/SSS在每個子幀中占有62 REs，即使使用 2個樣本的PSS/SSS，PSS/SSS總共占有 62×2×2=248 REs，如果使用正常 CP，1或者 2個天線端口，假設(shè) PRS在 50 PRBs上傳輸，則 PRS占有 50×16=800 REs，對比檢測到的 REs，800/248=3.2，意味著 PRS可以使UE獲得更好的檢測性能。

這種機制需要高層定義新的信令來加速Small Cell機制的有效運行，沒有提供相應(yīng)的后向兼容性，但是其可以提供很好的檢測性能，減小了UE的搜索時間與功耗。

2.5 四種發(fā)現(xiàn)機制的對比

通過以上分析介紹可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)機制的PSS/SSS發(fā)現(xiàn)小區(qū)的時間較長，UE的功耗較高，通過累加幀的方式并不能提高其檢測性能；PSS/SSS干擾消除算法的功耗取決于其檢測的小區(qū)數(shù)，當小區(qū)數(shù)為3時，其功耗較高；而PSS/SSS間隔傳輸性能最好，對現(xiàn)有規(guī)范與UE影響較小，3GPP也重點討論了PSS/SSS間隔傳輸模式；若高層能夠提供相應(yīng)的輔助信息，PRS/CSI-RS也可達到較好的發(fā)現(xiàn)性能，其檢測時間較短，功耗較小。具體對比如表1所示。

表1 四種發(fā)現(xiàn)機制對比

3 結(jié)束語

Small Cell作為一項新興的技術(shù)在 R12標準[7]中占據(jù)了重要的地位，3GPP R12階段對Small Cell部署場景，物理層增強功能，高層增強功能分別進行了研究。Small Cell發(fā)現(xiàn)技術(shù)主要解決Small Cell在密集部署場景下，用戶發(fā)現(xiàn)Small Cell的機制及技術(shù)方案。本文詳細分析了Small Cell發(fā)現(xiàn)技術(shù)的幾種潛在方案并對其進行了對比，分析了其對現(xiàn)有標準的影響及其后向兼容性，也考慮了UE的功耗與復雜度問題，并對其后續(xù)研究方向進行了展望。

[1]曹亙，呂婷，賈川，等.3GPP Small Cell標準化研究進展[J].移動通信，2014(11)：61-66.

[2]王理惠.LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)中的增強小小區(qū)性能的技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學，2013.

[3]3GPP TS 36.211：Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Physical channels and modulation(Release 12)[S].2014.

[4]3GPP R1-133876.Intel Corporation.Discussion and evaluation on small cell discovery，3GPP TSG RAN WG1 Meeting#74.

[5]3GPP R1-132494.Qualcomm Inc.,"Small cell discovery",3GPP TSG RAN WG1 Meeting#73.

[6]HARADA H，NAGATA S，KISHIYMA Y，et al.Efficient small cell discovery mechanism exploiting network synchronization and assistance for future radio access networks[C].Wireless Communications Systems(ISWCS)，2014 11th International Symposium on，2014：675-679.

[7]3GPP TS 36.355：Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；LTE Positioning Protocol(LPP)(Release 12)[S].2014.