3GPP Small Cell標準化研究進展

曹亙　呂婷　賈川　李福昌

【摘 要】

介紹3GPP在Small Cell標準研究的最新進展，尤其是R12階段在Small Cell物理層的關鍵技術、高層信令設計等方面開展的技術研究和標準化工作。最后總結了3GPP R12后續Work Item階段在物理層和高層開展標準化的研究方向。

【關鍵詞】

Small Cell 3GPP R12 PSS/SSS 無線雙連接

1 前言

Small Cell是指工作在授權頻段，覆蓋范圍從十米到數百米，甚至1到2公里的一系列低功率、小型化的基站設備。Small Cell主要支持UMTS、LTE等國際主流通信標準，主要產品形態包括Femto Cell，Pico Cell和Micro Cell等小型基站。近年來，全球各主要電信運營商和主要設備制造商都廣泛開展Small Cell相關的新技術研究、功能驗證、組網試驗等工作，加速推動Small Cell產品市場化和全球范圍內快速部署。根據Small Cell論壇最新公布的數據[1]：截止2013年10月，全球累計部署商用Small Cell 740萬臺，全球已有56家電信運營商部署Small Cell，其中44家運營商在家庭場景部署商用Small Cell，26家電信運營商在企業場景部署Small Cell，17家運營商在商用網絡中實現了宏基站和Small Cell的混合組網。根據權威機構Mobile Experts預測，到2017年Small Cell在全球范圍的部署量將達到800萬臺。近幾年來，Small Cell全球商用部署速度加快，尤其是日韓、北美、中國等市場需求量逐漸增大。

Small Cell日益增長的市場需求，促進了3GPP標準組織對Small Cell標準化研究的持續投入，從R8到R11版本，3GPP標準組織相繼完成WCDMA HNB設備功能，LTE HeNB設備功能，異構網絡，本地旁路功能等關鍵技術研究和標準化工作。2012年12月開始，3GPP全面開展了R12版本的研究性課題，Small Cell課題在RAN#58次會議上作為重點議題之一，得到全球主要運營商和設備商的密切關注。本文總結了3GPP在Small Cell相關課題上的標準進展及研究情況，并展望了R12后續開展技術研究的方向。

2 Small Cell關鍵技術研究概述

2.1 Small Cell關鍵技術研究概述

2012年12月3GPP RAN58次全會，通過了3項3GPP R12版本的Small Cell相關立項研究，分別是LTE Small Cell增強研究的場景和需求的研究立項[1]、LTE Small Cell物理層增強的研究立項[2]、LTE Small Cell高層增強的研究立項[3]。

2.2 Small Cell增強研究的場景和需求

在2012年底經過各大電信運營商3GPP代表們的討論，最終達成共識并完成了《E-UTRA和E-UTRAN Small Cell增強研究的場景和需求》研究報告[4]。該報告確定了3GPP R12階段LTE Small Cell增強研究的目標場景，如部署場景、頻譜使用、業務特點等；確定了LTE Small Cell增強研究的需求，如系統移動性和覆蓋性能要求，核心網要求，建設成本和復雜性，能量效率，安全性等內容，如表1所示。

3 Small Cell物理層關鍵技術

3.1 物理層關鍵技術研究概述

3GPP R12針對LTE Small Cell物理層關鍵技術，首先確定了典型部署場景，研究了物理層頻譜增強技術、Small Cell關斷技術、Small Cell功率控制及自適應技術、Small Cell發現機制、以及基于空中接口的同步技術等物理層關鍵技術。

3.2 Small Cell典型部署場景

LTE Small Cell物理層關鍵技術的典型場景包括4種，分別為場景#1、場景#2a、場景#2b和場景3，4種典型場景如表2所示。Small Cell部署的典型場景需要考慮與宏基站同頻或異頻部署，室內或者室外部署場景的要求。從實際部署出發，Small Cell之間以及Small Cell與宏基站之間，需要考慮理想回傳和非理想回傳兩種場景。

3.3 Small Cell頻譜效率增強技術

3GPP R12 Small Cell頻譜效率增強技術主要討論兩大類技術方案：第一種為提高頻譜效率技術，典型代表為256QAM技術；第二種為降低參考信號的開銷，從而節省更多的控制信道資源。

為了驗證256QAM調制技術的可行性，3GPP RAN1通過鏈路級和系統級仿真，驗證更高階調制帶來的性能增益。由于256QAM對信道傳輸質量要求更高，因此該技術未來主要考慮應用在室內等典型場景。但是256QAM對現有LTE協議有一定的影響，后續需要更新現有的CQI/MCS/TBS表格，定義基站選擇以及通知終端是否使用新CQI/MCS/TBS表格的機制等研究和標準化工作。

降低參考信號開銷的技術方案，是關于下行用戶特定的參考信號和上行用戶特定的參考信號的一種壓縮算法。由于Small Cell部署場景的無線信道具有典型的低頻率選擇性與低時間選擇性衰落等特點，因此用戶特定的參考信號的壓縮算法也是提高頻率效率的一種重要方法。但是3GPP RAN1對參考信號壓縮方案的評估結果差異性較大，該方案只能在中、高信噪比的信道條件下獲得一定的性能增益，后續需要RAN1工作組校準評估結果，分析該方案對用戶調度算法性能的影響。

3GPP在頻率效率增強技術方案的討論中，控制信令增強技術是存在爭議最大的一種技術方案。控制信令增強技術方案可以應用于多子幀調度和跨子幀調度。3GPP RAN1曾經激烈討論該方案的必要性，現在仍需有說服力的仿真結果來證明該技術方案對系統性能的巨大貢獻。endprint

3.4 Small Cell關斷技術和發現技術

Small Cell關斷技術主要研究了半靜態的關斷機制和快速關斷機制。在半靜態關斷技術方案中，Small Cell根據業務負載的增減、UE的到達或離開情況、分組呼叫的到達或結束等因素判斷Small Cell的開啟或關閉。使用LTE現有信令流程，半靜態關斷技術的開關周期約為幾百毫秒甚至幾秒。LTE R12版本討論了關斷周期為毫秒級的快速關斷方案，從而滿足LTE子幀級的快速關斷方案。由于現有LTE標準技術并不支持基站快速關斷功能，3GPP還需要相關標準會議繼續討論方案的可行性并評估系統性能增益。

Small Cell發現技術主要解決Small Cell密集部署場景下，用戶發現Small Cell的機制及技術方案。根據LTE協議實現方案，基站間干擾問題會導致用戶無法檢測出周圍Small Cell的PSS/SSS信號，終端采用PSS/SSS干擾消除技術，可以檢測到更多的Small Cell。處于休眠狀態的Small Cell，在現有LTE實現機制下，用戶是無法檢測到完全關斷的Small Cell。為了解決這個問題，3GPP研究基于下行SS/RS突發傳輸的技術方案，使處于休眠狀態或DTX狀態的Small Cell發送低占空比的下行SS/RS信號，而激活狀態的Small Cell正常發送PSS/SSS/CRS信號，這樣無論是R12終端或者R11之前的終端，都能檢測到處于激活狀態的Small Cell。處于休眠狀態的Small Cell通過發送低占空比的SS/RS信號，告知空閑終端轉到激活態可以連接處于休眠狀態的Small Cell。網絡同步與輔助方案通過向終端下發候選Small Cell的PCI、RS等配置信息，從而減少終端發現Small Cell的時間。

3.5 基于空口的同步技術

在有建筑物遮擋的場景，不一定滿足衛星同步或者基于網絡回傳的條件，這時基于空口的同步技術方案就有了重要的實用意義。基于空口的同步技術主要研究的同步場景有Small Cell與宏基站之間的同步，相同簇內Small Cell之間的同步，不同簇間Small Cell之間的同步。3GPP主要討論了基于網絡偵聽的同步方案和終端輔助的同步方案。

網絡偵聽的同步方案，目標小區通過偵聽源小區的RS信號（如CSI-RS，PRS等）保持與源小區的同步狀態。該方案的時間同步精度跟小區間信道條件、RS信號類型、源小區與目標小區之間的傳輸時延、頻率誤差等因素有關。目前，3GPP還需要評估網絡偵聽技術方案是否能夠滿足同步精度的要求。

終端輔助的同步方案，是通過終端提供或者提取終端信息來實現目標小區與源小區之間的同步，終端性能對該方案的同步精度影響最大。該方案的時間同步精度受諸多因素影響，包括終端的可用性、終端接收下行信號的信道條件、宏基站接收上行信號的信道條件、終端接入的源小區與目標小區之間的傳輸時延差、頻率同步誤差導致的測量時間偏移等。3GPP后續需要討論該方案實現需要的下行和上行鏈路的資源開銷、以及源小區與目標小區之間交互信息的設計與實現等問題。

4 Small Cell高層關鍵技術

（1）高層關鍵技術研究概述

3GPP R12版本對Small Cell高層關鍵技術主要解決移動魯棒性、宏基站與Small Cell基站上下行負載不均衡、核心網信令負擔等問題。3GPP在R12階段，重點研究了無線雙連接技術、高層架構及協議實現方案。

（2）Small Cell無線雙連接技術

無線雙連接技術是指兩個或兩個以上基站為用戶提供無線資源，基站之間為非理想回傳方式。無線雙連接方案實現了無線傳輸資源的高效聚合，提高了無線鏈路的可靠性，提高了用戶移動性的可靠性。在無線雙連接技術方案中，宏基站和Small Cell為用戶提供用戶面傳輸資源，核心網側信令傳輸的錨點可以設置在宏基站，這樣能節省信令開銷，為用戶提供更多的無線傳輸資源，從而提高用戶數據速率。

無線雙連接技術同時帶來了RRC分集增益，由于用戶保持了至少與一個基站的無線連接，這樣可以大大提高用戶切換的成功率，尤其是在Small Cell部署場景有重要的應用前景，如在宏基站和Pico基站之間的切換，宏基站之間的切換，Pico基站之間的切換等。

（3）用戶面候選架構

用戶面數據分離技術方案主要討論3種候選架構，如下圖1所示：方案一中，S1接口用戶面（SI-U）的數據直接發送給Small Cell基站節點（圖中SeNB節點）；方案二中，S1接口用戶面的數據經過宏基站節點（圖中MeNB節點）發送給Small Cell基站節點（圖中SeNB節點），用戶面數據在宏基站節點與Small Cell基站節點之間不分離；方案三中，S1接口用戶面的數據在宏基站節點（圖中MeNB節點）和Small Cell基站節點（圖中SeNB節點）之間分離并各自傳輸。方案二和方案三要求SeNB必須支持數據分段功能，由于分段功能跟物理接口相關，在非理想傳輸的前提條件下，分段功能可以在RLC層、PDCP層實現。因此，用戶面功能實現主要有4種技術方案，如表3所示。3GPP后續需要繼續研究Master-Slave架構，完善PDCP功能，綜合考慮承載分離和用戶面協議架構候選方案，最終確定用戶面分離的標準化方案。

（4）控制面候選方案

無線雙連接控制面候選架構，以每個用戶連接一個S1-MME為前提條件，控制面候選架構主要解決公共/專屬無線資源的配置，Small Cell相關測量和移動性管理等問題。由于用戶經常處于單一的RRC狀態，如連接態或空閑態，因此RRC架構有兩種候選方案，如圖2所示。候選方案1中，MeNB和SeNB協調RRM功能后，只有MeNB生成最終發送給用戶的RRC消息。用戶的RRC實體只能看到來自于MeNB實體發送的全部消息，并且用戶根據用戶面架構和技術方案，回復實體L2傳輸的上述消息。而候選方案2中，MeNB和SeNB協調RRM功能后，都可以產生發送給用戶的RRC消息。后續將研究如何區分RRC實體消息源和目的地以及上行消息，L2消息發送取決于用戶面架構和技術方案。上述兩種方案中，需要研究MeNB和SeNB的互傳參數、觸發機制及相關信令、用戶側提取的無線資源配置信息或者參數配置等信息。endprint

5 3GPP R12 Small Cell課題研究展望

2013年12月3GPP RAN 62次會議，討論并確定了R12在Work Item階段的項目規劃，確定繼續開展LTE Small Cell物理層增強技術的研究[5]。該項目繼續研究在不改變CQI和MCS反饋方式的前提下，下行256QAM增強方案；Small Cell發現機制、基于空口同步機制也需要RAN4工作組開展相關射頻指標的討論和標準制定工作。

3GPP R12 Work Item階段通過了Small Cell高層關鍵技術研究[6]的立項。該項目主要確定用戶面和控制面分離的實現方案、引入相應的S1和X2接口功能和信令流程，最終確定無線雙連接功能需要物理層增強功能等內容。

綜上所述，3GPP R12階段對Small Cell部署場景、物理層增強功能、高層增強功能進行了研究，確定了Small Cell在通信網絡及其后續演進的重要作用。此舉將大大推動Small Cell產業的發展和成熟，對4G甚至5G通信標準和網絡建設都將產生深遠的影響。

參考文獻：

[1] 3GPP RP-121651. Study on Scenarios and Requirements of LTE Small Cell Enhancements[EB/OL]. （2012-11-30）. http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/tsg_ran/TSGR_58/Docs/RP-121651.zip.

[2] 3GPP RP-122032. Study on Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN--Physical-layer Aspects[EB/OL]. （2012-12-07）. http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/tsg_ran/TSGR_58/Docs/RP-122032.zip.

[3] 3GPP RP-122033. Study on Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN--Higher-layer Aspects[EB/OL]. （2012-12-07）. http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/tsg_ran/TSGR_58/Docs/RP-122033.zip.

[4] 3GPP TR 36.932. Scenarios and Requirements for Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN V12.1.0[EB/OL]. （2013-03-18）. http：//www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.932/36932-c10.zip.

[5] 3GPP TR 36.872. Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN--Physical layer Aspects V12.1.0[EB/OL]. （2013-12-19）. http：//www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.872/36872-c10.zip.

[6] 3GPP TR 36.842. Study on Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN； Higher layer Aspects V12.1.0[EB/OL]. （2014-01-07）. http：//www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.842/36842-c00.zip.

[7] 3GPP RP-132073. New WI Proposal： Small Cell Enhancements--Physical layer Aspects[EB/OL]. （2013-12-06）. http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_62/Docs/RP-132073.zip.

[8] 3GPP RP-132069. New Work Item Description： Dual Connectivity for LTE[EB/OL]， （2013-12-05）.

http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_

62/Docs/RP-132069.zip.endprint