Small Cell Enhancement物理層關鍵技術研究

周代衛，周宇，孫向前

（工業和信息化部電信研究院泰爾終端實驗室，北京 100191）

1 引言

隨著智能終端和移動互聯網的快速普及與迅猛發展，網絡數據流量呈爆發式增長。雖然LTE/LTE-A商用網絡的覆蓋和容量不斷提升，運營商仍面臨著高速增長的數據流量所帶來的嚴峻挑戰以及不同覆蓋場景和用戶密度下網絡負載失衡的問題，特別是用戶密集的熱點和室內覆蓋盲點區域。

為解決這些問題，增強網絡覆蓋廣度，實現數據流量的分流和系統容量的提升，移動運營商在現有L T E/L T E-A網絡架構下可部署異構網絡（Heterogeneous Network），利用宏蜂窩實現廣域覆蓋，同時開通小基站（Small Cell）補充移動網絡熱點覆蓋，進而緩解特殊應用場景下業務流量失衡的問題。Small Cell及其增強型技術Small Cell Enhancement（SCE）在此方面正起到越來越重要的作用。

Small Cell為工作在授權分配頻段上的低發射功率無線接入節點，通常其覆蓋范圍在10～200米之間。相比之下，宏蜂窩Macro Cell的覆蓋范圍可達數公里。Small Cell在實際應用中可靈活配置、快速部署，用于解決熱點、盲點、弱覆蓋場景等問題，同時提升系統容量。在HetNet中，尤其是熱點地區，Small Cell可以有效提高整個網絡的吞吐量，滿足用戶更高的業務需求。

Small Cell的產品形態靈活多變，可分為家用Femtocell（2×50mW）、室外Picocell（2×1W，室外補盲）、室內Picocell（2×125mW，企業級室內覆蓋）、Microcell（2×5W，室外補盲）等，均由電信運營商接入移動通信網來統一部署和管理。

2 Small Cell技術問題與挑戰

HetNet通過宏基站和小基站的多層級分層次部署，其中宏基站主要提供廣域覆蓋，而小基站用于提供熱點補充和室內覆蓋，從而總體上提高了頻譜資源利用率，同時提供了更靈活的部署方案，緩解了移動通信網數據流量的負載失衡。但基站密度和接入網層級的提升將帶來組網復雜度的提高，也產生了一系列新的技術問題和挑戰，具體可以概括為如下幾方面：

2.1 小區間干擾

Small Cell部署后的干擾包括：Small Cell與Macro Cell的相互干擾、相鄰Small Cell間的干擾、Macro Cell終端用戶對Small Cell接收的干擾等。

Small Cell與Macro Cell間的干擾可以通過異頻組網逐步優化，但僅適用于運營商頻譜資源較充足的情況。而實際上LTE/LTE-A一般采用宏微同頻組網，對于非補盲情形，宏微之間需要采取干擾協同策略以抑制相關干擾，如幾乎空白子幀ABS技術。

對于相鄰Small Cell間的干擾，Small Cell發射功率如果過大，則容易對宏站或其他Small Cell設備產生干擾，而發射功率過小又不能滿足一定的覆蓋要求，所以Small Cell還需要達到根據干擾狀況自動動態調整和設定其發射/導頻頻率的要求。

至于Macro Cell終端用戶對Small Cell接收的干擾，當Macro Cell用戶穿越具有封閉用戶組CSG屬性的特定Small Cell區域時，因其不能接入Small Cell，該用戶下行鏈路將受到Small Cell下行信號的較大干擾，同時此用戶發射的上行信號則會干擾到Small Cell用戶的上行鏈路。為了減少這種干擾對用戶的影響，3GPP在Rel-10及后續版本對原有的干擾協調機制進行增強，也即eICIC機制以及后續演進的feICIC。

2.2 移動性管理

基站分布密度的攀升將不可避免地導致用戶越區切換愈發頻繁，一方面加重了網絡側的協議負荷和信令處理難度，另一方面Small Cell相對較小的覆蓋范圍會導致在執行原有切換流程時較高的失敗率。

目前，LTE/LTE-A的切換參數配置原本是基于同構網絡環境而設計，但在HetNet中，小區邊界處的信號變化并不同于同構網絡，同時終端測量指標也更復雜。因此主要為同構網絡而設定的切換參數并不能適應HetNet環境下的切換。

為了解決HetNet中的移動性問題，3GPP主要從2個方向開展技術研究：一種是盡可能地簡化切換流程，并降低切換頻次，即當終端用戶在同一Macro Cell范圍內的不同Small Cell間移動時，通過由Macro Cell主導和決定是否需要切換，并總體上控制切換流程；另一種方向是針對HetNet本身特性進行優化，如采用移動性錨點（Mobility Anchor）技術，以及針對HetNet的切換參數做進一步的重定義、擴展和優化等。

2.3 回程承載

Small Cell回程網絡通常采用公用數據網PDN，如xDSL，但PDN因同時承載固網寬帶用戶，其傳輸帶寬經常受其他用戶的擠占和忙閑時的影響，擁塞也時常發生。但信令、操作管理維護OAM及交互類業務（如Video Streaming、VoIP等）對數據速率、報文延時/抖動、丟包率有較高要求，必須在傳輸層面保障不同業務的QoS等級。

在PDN傳輸質量難以保障的情況下可改用無線傳輸，但需要事先評估Small Cell與無線傳輸中繼節點間的無線傳輸信道質量，當無線信道質量較好時，如無障礙物的視距傳播LOS條件，可采用微波傳輸，但在建筑物密集且衰落大的城市環境，可使用非視距傳播NLOS技術來解決回程問題，如Relay。

2.4 負荷均衡

在系統容量方面，通常Small Cell比Macro Cell小很多，因此在移動用戶和業務分布不均的情況下，特別是熱點地區和高峰時段，容易出現部分Small Cell用戶超限和流量擁塞，而部分其他Small Cell較為空閑的情況，這將拉低網絡的整體使用率，同時直接關系到用戶使用感受，還可能引發網絡過載甚至癱瘓等故障。

為高效利用Small Cell系統資源，有效分流網絡數據流量，實現網絡負載的動態調配，通常可采取兩方面的舉措：一方面通過重定向Redirection機制將系統繁忙的Small Cell用戶轉移至空閑的鄰區Small Cell；另一方面通過小區邊界擴展技術CRE（Cell Range Extension）來吸收更多的Macro Cell用戶，分流更多的宏站流量。

2.5 維護和優化

Small Cell在具體部署位置和配置數量上可靈活調整，且數目較為龐大，在實際應用中鄰區配置的不合理會導致HetNet進一步復雜化，非常不利于系統規劃和后續優化，也不利于用戶移動性管理，降低用戶使用體驗。同時，過多的鄰區也可能導致小區切換更頻繁，增加終端設備功耗，浪費網絡資源。因此在部署規劃、運營維護和網絡優化等方面都存在很大的挑戰。

針對HetNet的這一特點，在前期網絡部署時需充分考慮到不同場景下配置鄰區的數量和切換參數以及鄰小區的無線環境和系統負載，通過SON自組網技術自主配置網絡，減少人為干預；同時通過后期的不斷維護，優化鄰小區測量配置，避免冗余的宏微小區間切換、乒乓切換等。

3 SCE物理層關鍵技術

為有效解決上述Small Cell所面臨的技術挑戰，3GPP在Rel-12中提出了小區增強SCE（Small Cell Enhancement）技術，并重點在底層物理層提出了兩大關鍵優化和改進方向：頻譜效率的提高和小區間高效協作。

3.1 頻譜效率的提高

為提高LTE/LTE-A現行頻譜效率，在SCE技術框架中，通過如下3個方面的機制可進一步提升有限的頻譜帶寬的利用效率。

（1）高階調制方式256QAM

LTE/LTE-A空口Uu受無線信道質量的影響，目前使用的最高效的調制方式為64QAM。而在Small Cell部署場景下，小區覆蓋范圍小，且用戶呈幾何分布，特別是在室內且用戶移動性低的場景下，信道質量較有保障，這使得在用戶的下行傳輸鏈路中引入更高階調制成為可能，如256QAM。

而256QAM的引入將導致現行的信道質量指示符CQI、對應的調制與編碼策略MCS和傳輸塊大小TBS的不足，需要對其進行擴展以涵蓋256QAM等高階調制方式；同時上層MAC/RRC層的適配機制和eNodeB選擇/通知UE使用新CQI/MCS/TBS的機制也需要做相應的適配和完善。

（2）減少用戶特定參考信號

在Small Cell的部署場景下，其物理信道具備如下2個特性：

1）因時延擴展比較小而導致的頻率選擇性衰落較小；

2）因用戶的移動性低而導致的時間選擇性衰落較小。

上述特性使得上下行用戶特定參考信號開銷的降低具有可行性。

在下行用戶特定參考信號部分，其主要受PRB綁定大小、用戶移動速度、調制方式、傳輸損傷等因素的影響，當信噪比SINR較好時，參考信號降低效果明顯。

而用戶的上行特定參考信號在時域和頻域都可考慮減少開銷，方式包括減少每個子幀上參考信號符號的數目、減少攜帶參考信號的子載波的數目等。

（3）控制信令的增強

多子幀調度和跨子幀調度可以用來減少控制信令開銷。對于多子幀調度和跨子幀調度這2種方法的有效性和潛在增益有多種不同觀點，目前為止仍沒有確定這2種方法所能取得的增益。但是這2種方法使得PUSCH的調度更加容易，比如幾乎空白子幀ABS的調度。

傳輸PDSCH/EPDCCH的OFDM的第1個符號#0可以用來減少控制信令開銷。仿真結果已經證明通過這種方法可以取得一定增益，但是該方法只能在類似于PQI引入TM10的方式下才會有效，同時會影響到eNodeB通知UEPDSCH/EPDCCH起始符的信令和相應的兼容機制。

3.2 小區間高效協作

除了進一步提升頻譜效率外，在SCE物理層技術體系中，還可以通過優化和改善小區層間的協作機制克服文章前面所描述的困難和挑戰，其主要技術手段可概括為如下3類：

（1）干擾避免與協作

SCE中主要有如下幾種干擾避免與協作技術：

1）Small Cell開關

Small Cell的開關機制是指HetNet中在適當時刻關閉某些小區或者喚醒某些處于關閉狀態的小區，從而減少Small Cell之間的干擾，優化整個通信系統。

Small Cell的開關機制包括為了節能的長期休眠、半靜態開關機制、理想動態開關機制、新載波類型NCT及NCT參考信號等。

2）增強型功率控制與調整

Small Cell的下行功率控制增強是指Small Cell能自適應調整其發射功率，包括公共控制信道和業務信道發射功率。下行功率控制可以針對特定小區或用戶進行設定。

Small Cell的上行功率控制增強主要考慮用戶對相鄰非服務小區形成的干擾，在決定上行功率時統籌考慮用戶到服務小區和多個鄰區的路徑損耗。

3）多小區場景下增強型頻域功率控制

在Small Cell密集部署場景下，不再只有單一的干擾源，隨著小區數的增多，小區間的互相干擾將越多越復雜。而增強型小區間干擾協調eICIC在時域與頻域上都可以進行干擾協調。

在時域干擾協調方面，可采取的措施有：不同小區采用不同的ABS類型、ABS類型快速自適應、eNodeB根據數據域CRS是否存在而采取不同的功率控制機制等。ABS只包含一些必要信號，比如PSS/SSS、PBCH、CRS、Paging、SIB1等（用來兼容Rel-8/9的版本），且功率很低。eICIC通過在干擾小區中配置ABS子幀，而被干擾小區則使用這些ABS子幀為原來在小區中受較強干擾的用戶提供業務，從而實現了小區間干擾的協調。

在頻域方面，通過不同的小區配置不同的PRB/CC，包括自動的載波選擇等措施可以進一步協調干擾。

另外，ePDCCH可以進一步減少小區間的控制信道干擾，服務小區和相鄰小區可對其承載的ePDCCH進行聯合發射、波束賦形、資源預留和動態小區選擇等。

4）負載均衡

負載均衡的目的是通過均衡各個小區的業務負荷從而提升整個系統的性能。負載均衡不僅使小區間業務量分布更加合理，而且在Small Cell密集部署場景下可降低小區間干擾。

通過小區間的協作可有效地實現負載均衡，比如利用較長的用戶信噪比SINR測量周期、短的參考信號接收質量RSRQ與SINR測量周期、CSI-IM資源的干擾測量等。

（2）小區和配置的探測

在Small Cell密集部署的場景下，同步信號/參考信號之間的干擾更加強烈，且在多載波部署下的異頻小區識別難度更大，同時為避免PCI沖突和混淆所導致的小區規劃難度增加，同時也有必要形成有效的機制以支持小區開關。

增強的小區探測機制可以認為是對相鄰小區的及時偵測，針對小區探測的同時異頻小區測量機制可保證終端的能效和終端偵測/測量的時間要求，其主要在如下4個方面增強：

1）PSS/SSS干擾消除

用戶主同步信號PSS/輔同步信號SSS的干擾消除可以用來提高小區探測的性能，如通過濾除干擾的影響使得更多的Small Cell可以被偵測到。這不需要定義一種新的標準流程，而只需要重新定義終端的性能要求即可。

2）DL-SS/RS的突發性傳輸

在Small Cell開關機制的配合下，Small Cell在休眠狀態或非連續發射DTX狀態下可以以低占空比發送突發性下行同步/參考信號（DL-SS/RS）。網絡能夠基于處于連接態下的終端測量結果來快速決定是否激活eNodeB，同時處于空閑態下的終端也能知道即將建立連接的可用小區。

3）網絡同步和輔助

基站通過告知處于連接態的終端其所處小區簇的粗略同步時間信息，能降低終端小區偵測的難度，特別是在同一小區簇中小區同步傳輸SS/RS的配置下。

雖然SS/RS信息的同步傳輸可能導致小區簇的嚴重干擾，但是通過網絡輔助提供的粗略時間信息，終端可最大程度地降低搜索時間窗口，同時基于SS/RS信號間的同步和有效的干擾抑制手段，最大限度地提高PSS/SSS干擾消除的性能增益。

4）新的小區發現機制

潛在的增強小區發現性能的方法主要有2種：第1種為現有的基于RS的偵測，另一種為修正的或新的基于SS/RS的偵測。

新的小區發現機制允許在單一子幀內同步傳輸的DL-SS/RS信號穩定地偵測/測量，并進一步提高異頻測量的效率和頻內移動性的魯棒性。

（3）基于空口的同步機制

在時分雙工TDD系統中，使用相同頻段的同頻或異頻小區間需要嚴格同步。而對于頻分雙工FDD系統，也需要考慮小區間同步機制，以便發揮特定功能的作用，如（f）eICIC，CoMP和載波聚合等以及SCE可能使用的新技術，如高效的小區探測等。

通過全球衛星導航系統GNSS或回程網實現網絡同步的方式，對于室內覆蓋或高樓林立等Small Cell部署場景將不再適用，同時也會帶來額外建設成本。因此在這2種同步機制不可用的情況下，需要引入一種基于空口的同步方式予以彌補。

在所有無線接口均為非理想回程的情況下，Small Cell間的同步包括Macro Cell與其覆蓋范圍內的Small Cell之間的同步、同一簇中Small Cell間的同步、不同簇間的同步。具體主要通過如下2種方式實現：

1）網絡監聽

目標小區直接監聽源小區的RS信息，具體包括CRS、CSI-RS、PRS等，從而保證與源小區的同步，圖1給出了一個小區同步的示例。當目標小區與源小區同頻且目標小區在監聽源小區時，目標小區需暫停其服務終端的下行傳輸。

對于一般終端用戶，網絡監聽的周期可以在多播單頻網絡MBSFN子幀中配置（除了TDD上下行配比0時）或者在TDD系統中在保護間隔GP上配置。

圖1 網絡監聽

2）終端輔助的同步機制

目標小區與源小區的同步可通過終端提供或獲得的某些信息來實現，同時也包括小區的層級指示等。

終端輔助的同步機制的精確度受多個因素的影響，具體包括可用的和選擇的終端數、被選終端下行或eNodeB上行側接收信號的信道狀況、終端側目標小區與源小區傳播時延的差異、因頻率同步誤差導致的測量間時間漂移量等。

4 結束語

傳統互聯網業務正逐步向移動網絡遷移，未來移動通信業務將呈現泛在化和多樣性的特性，用戶對傳輸速率、時延、移動性和可靠性等方面有了更高的要求，而移動數據流量分布將更為集中，無線網絡將需要同時確保足夠的廣域覆蓋和熱點分流。而未來HetNet架構下的宏微分層和多層級小區部署將是無線接入網的主要建設形式，同時可結合WLAN等其他制式網絡實現靈活部署。

而Small Cell及增強型Small Cell Enhancement在實現網絡深度覆蓋、數據分流和容量提升等方面有明顯優勢，然而也面臨著干擾嚴重和移動性管理復雜等問題。通過SCE關鍵物理層的一系列技術舉措，進一步提高了頻譜利用效率和小區間協作能力，從而提升了系統容量和抗擁塞性能，為用戶帶來前所未有的極致體驗。

[1]3GPP. 3GPP TS 36.101 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE)radio transmission and reception V12.4.0[S]. 2014.

[2]3GPP. 3GPP TS 36.104 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base Station (BS)radio transmission and reception V12.4.0[S]. 2014.

[3]3GPP. 3GPP TS 36.133 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Requirements for support of radio resource management V12.4.0[S]. 2014.

[4]3GPP. 3GPP TS 36.213 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures V12.2.0[S]. 2014.

[5]3GPP. 3GPP TR 36.842 Study on small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN-higher layer aspects V12.0.0[S]. 2013.

[6]3GPP. 3GPP TR 36.872 Small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN-physical layer aspects V12.1.0[S]. 2013.

[7]3GPP. 3GPP TR 36.932 Scenarios and requirements for small cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN V12.1.0[S]. 2013.

[8]申建華,李春旭,譚偉. 全面認識Small Cell[J]. 中興通訊技術, 2013(12).

[9]成蕾,高月紅,楊鴻文,等. Small Cell Enhancement發展需求及現狀[J]. 現代電信科技, 2013(8).

[10]劉曉峰,杜瀅. LTE熱點增強技術演進[J]. 電信網技術,2014(11).