Small Cell Enhancement關鍵技術研究

周代衛 中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師

高 瑞 北京郵電大學信息與通信工程學院碩士研究生在讀

周 宇 中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師

孫向前 中國信息通信研究院泰爾終端實驗室國際認證部主任

1 引言

為了有效解決迅猛增長的移動數據流量，特別是用戶密集的室內外熱點覆蓋問題，第三代移動伙伴計劃3GPP 在 R12中提出Small Cell Enhancement（SCE）的解決方案。SmallCell是工作在授權分配頻段上的低功率無線接入節點，其覆蓋范圍通常在10～200m之間。相比之下，宏蜂窩MacroCell的覆蓋范圍可以達到數公里。

SmallCell可以是 PicoCell，也可以是FemtoCell、Relay、RRH等。SmallCell作為3G/4G宏蜂窩的補充，能夠使運營商以更低的成本為用戶提供更好的無線寬帶語音及數據業務。隨著LTE網絡覆蓋和容量的不斷提升，運營商仍面臨高速增長的數據流量所帶來的嚴峻挑戰，高效的頻譜資源利用是分流的有效方法之一。SmallCell在這方面正扮演著越來越重要的角色，用來覆蓋盲區以及分流熱點區域流量。SmallCell具有靈活、快速部署的優點，可以解決熱點、盲點、弱覆蓋場景等問題。在異構網絡中，尤其是熱點地區，SmallCell可以有效地提高整個網絡的吞吐量，滿足用戶更高的業務需求。

2 Small Cell Enhancement應用場景

2.1 Small Cell Enhancement的部署

SCE的部署需考慮SmallCell與MacroCell同頻或異頻、SmallCell在Macrocell覆蓋內或外、SmallCell處于室內或室外、回程理想或非理想、SmallCell稀疏或密集等問題（見圖1）。

圖1 SCE的部署場景

2.2 Small Cell Enhancement預估場景

參照3GPPTR36.872的規定，SCE的預估場景主要有如下4種：

（1）場景1（見圖2）：

圖2 SCE仿真場景1

——SmallCell位于MacroCell范圍內。

——SmallCell與MacroCell同頻部署。

——SmallCell與MacroCell處于室外。

（2）場景2a（見圖3）：

圖3 SCE仿真場景2a

——SmallCell位于MacroCell范圍內。

——SmallCell與MacroCell異頻部署。

——SmallCell與MacroCell處于室外。

（3）場景2b（見圖4）：

——SmallCell位于MacroCell范圍內。

——SmallCell與MacroCell異頻部署。

——SmallCell處于室內，MacroCell處于室外。

（4）場景3（見圖5）：

——只有SmallCell。

圖4 SCE仿真場景2b

圖5 SCE仿真場景3

——SmallCell處于室內。

3 Small Cell Enhancement雙連接技術

針對上述4種場景，3GPP TR 36.932中假設其接口之間是非理想回程。Small Cell與Macro Cell之間以及Small Cell簇間的回程為非理想時會引發以下問題：

（1）移動魯棒性：Pico到Macro Cell的移動性引起HOF（Handover Failure，切換失?。?RLF（Radio Link Failure，無線鏈路失?。茁实脑黾?。

（2）Small Cell和Macro Cell上下行不均衡。

（3）由于頻繁的切換導致信令負載增加。

（4）協調優化多個基站的無線資源導致很難提升每個用戶的吞吐量。

（5）更加復雜的網絡規劃。

為了解決上述問題，一種可行的方法是“雙連接（Dual Connectivity）”。處于雙連接狀態的用戶使用至少兩個非理想回程的基站提供的無線資源。雙連接中的每個基站可能會扮演不同的角色，比如，根據用戶的業務類型有些基站可能只負責GBR（Guaranteed Bit Rate，保證比特速率）業務，其他基站盡可能多地負責non-GBR業務?；镜慕巧挥善渥陨淼陌l射功率和類型決定，而是隨著用戶的變化而不同，下文將詳細討論幾種常用的雙連接方式。

3.1 不同基站間的無線資源聚合（場景2a和場景2b）

針對場景2a和2b，不同基站間的無線資源聚合的目的是提升每個用戶的吞吐量。如圖6所示，Small Cell和MacroCell之間的無線接口是非理想回程，用戶面的數據傳輸同時使用SmallCell和MacroCell兩個基站的資源聚合，該方式保證移動錨點（MobilityAnchor）一直處于MacroCell，從而潛在地減少了用戶與核心網的信令開銷。

圖6 不同基站間的無線資源聚合（場景2a和2b）

3.2 不同基站間的無線資源聚合（場景1）

針對場景1，不同基站間無線資源聚合的目的是提升小區邊緣的吞吐量。如圖7所示，用戶可以由多個基站調度，在SmallCell邊緣的用戶1可以讓沒有配置ABS（幾乎空白子幀）的MacroCell為其服務，從而充分利用MacroCell的無線資源；另外，還可以讓配置ABS的SmallCell為其服務，從而充分利用SmallCell的無線資源。從而通過利用多個基站的無線資源使得邊緣用戶的吞吐量大大提升。

3.3 RRC多元化

RRC多元化的目的是提升移動魯棒性，通過RRC多元化，RRC切換相關信令可以從一個目標小區切換到一個潛在目標小區上傳輸。如圖8所示，只要用戶至少和一個基站保持連接，那么RLF就不會發生，這最終將提高切換的成功率，從而避免用戶掉線后的RRC重連接過程。RRC多元化也可以用于從Macro到Pico、Macro之間、Pico之間的切換。

3.4 UL/DL分離

圖7 不同基站間的無線資源聚合（場景1）

圖8 RRC多元化

在異構網絡中，不同基站有不同的發射功率，如Small Cell發射功率較低，而Macro Cell發射功率較高。由于SmallCell與MacroCell發射功率的不同，會引發功率不均衡現象，以及間接導致的負載失衡，尤其在同頻部署情況下，MacroCell的用戶會對SmallCell的邊緣用戶造成極大的干擾。用戶連接到哪個基站將取決于其上下行的性能。SmallCell的邊緣用戶可以采用上下行分離的方式，上行連接到路損最小的Small Cell使得上行性能最優，下行連接到RSRP（參考信號接收功率）最高的MacroCell使得下行性能最優。這種上下行分離的雙連接方式解決了功率不均衡引起的干擾問題，以及SmallCell和MacroCell上下行負載失衡的問題，尤其適用于SmallCell與MacroCell同頻部署（見圖9）。

UL/DL分離的場景有兩種架構選擇，分別為分離承載和單獨承載：

分離式承載方式：終端用戶的一路承載在Small Cell和MacroCell之間分離。比如，部分上行承載由SmallCell承擔而部分下行承載由MacroCell承擔。在這種情況下，用戶不需要來自SmallCell的PDSCH和來自MacroCell的PUSCH。RLC狀態報告可以分別發送給SmallCell和 MacroCell，或者 SmallCell和Macro Cell通過回程交互。

圖9 UL/DL分離

單獨式承載方式：終端用戶有兩路承載，一路承載由SmallCell承擔；另一路承載由MacroCell承擔。在這種情況下，用戶需要來自SmallCell和MacroCell的PUSCH與PDSCH。RLC狀態報告分別發送給Small Cell和MacroCell。

如圖10所示，用戶在PUSCH上發送上行流量給SmallCell，在PDSCH上接收來自MacroCell的下行流量。而且，RLC狀態報告分別發送給Small Cell和MacroCell，比如來自MacroCell的下行流量的RLC狀態報告通過PUSCH發送給MacroCell，同時SmallCell通過PDSCH接收發送給SmallCell的上行流量的RLC狀態報告。

圖10 UL/DL分離的架構

3.5 CA+eICIC（針對場景2a和場景2b）

針對場景2a和2b，載波聚合CA與增強的小區間干擾協調eICIC技術的結合可以提升每個用戶的吞吐量。具體實現方式是在SmallCell和MacroCell上均部署多個頻率層，然后對主小區PCell和輔小區SCell應用eICIC。然而，由于低成本的SmallCell只能有一個頻率層，所以采用CA+eICIC方式的優先級比較低。另外，在SCell應用eICIC還需要繼續討論。

4 移動性錨點

移動性錨點的提出是為了規避由于Small Cell的引入導致用戶移動性增加的問題，降低由此給核心網帶來的信令負擔。

移動性錨點通常是EPC中的S-GW或P-GW。當終端用戶在eNodeB或3GPP蜂窩技術體系內（如GSM/WCDMA/TD-SCDMA）切換時，S-GW通常被作為移動性錨點；而當終端用戶做異系統間（如CDMA 1x/EVDO/Wi-Max/WLAN）切換時，P-GW將被作為與外部PDN銜接的錨點。在實際移動性管理中，從不同接入系統接入PDN時，用戶的業務數據流都從某個核心網網元發出；當用戶在不同接入系統之間移動時，可以保證該網元分配的用戶地址保持不變，從而降低由于用戶的移動性導致的額外信令負荷。

移動性錨點技術與雙連接是獨立的，并且可以應用于用戶能力有限（如單接收天線/單發送天線）、基站/回程能力有限、系統負載較高的情況下，同時對Uu接口無影響。

5 結束語

在3GPP TR 36.842和TR 36.932中初步定義和規范了SCE雙連接的架構與協議流程，同時具體分析了上述5種不同潛在解決方案在各種應用場景下的仿真效果，為后續SCE中雙連接的實現和應用打下了良好的基礎。但涉及到一些具體細節問題仍有待進一步理清和分析，如雙連接在不同架構與協議組合的情況下如何定義控制平面和用戶平面的功能及協議；如何定義S1和X2接口的功能及協議；由于雙連接的引入如何定義相應的物理層功能，如何規范相應的用戶和基站的需求等，這些都是后續研究的重要方面。

此外，TD-LTE制式下，上下行干擾管理和業務調整也是后續研究的一個方面。TD-LTE提供了7種不同的、半靜態的上下行配置，允許上下行不對稱配比。半靜態的上下行配置是否可以與每個時刻的業務狀況相匹配，這仍有待進一步的研究。

1 3GPP TS 36.101.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).User Equipment(UE)Radio Transmission and Reception.6,2014

2 3GPP TS 36.104.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Base Station(BS)Radio Transmission and Reception.6,2014

3 3GPP TS 36.133.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Requirements for Support of Radio Resource Management.7,2014

4 3GPP TS 36.213.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Physical Layer Procedures.6,2014

5 3GPP TR 36.842.Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN-Higher LayerAspects.12,2013

6 3GPP TR 36.872.Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN-Physical LayerAspects.12,2013

7 3GPP TR 36.932.Scenarios and Requirements for Small Cell Enhancements for E-UTRAand E-UTRAN.3,2013

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