UDN小區組網方案研究

李世超

摘要：超密集網絡（UDN）作為第五代移動通信（5G）的關鍵技術之一，對5G要求中的高速率，低時延，大業務量以及高密度終端數起到了至關重要的作用。UDN小區有著自身的特點，與傳統小區有著本質的不同。因此，如何對UDN小區進行設計，使其發揮最大的效用，成為UDN研究中的一個熱點。文章通過介紹UDN的特點，對UDN小區的組網方案進行了研究，同時分析了UDN小區的組網方案與傳統小區組網方案的區別，指出了UDN小區組網中所面臨的各種挑戰。

關鍵詞：超密集網絡；第五代移動通信；異構組網；挑戰

在過去的20年間，無線通信的數據流量以及無線終端的數量都呈現出指數級的增長。人們對無線通信的速率、時延、可靠性都提出了更高的要求。第五代移動通信技術（5G）正是面對著這些挑戰應運而生。與目前的第四代移動通信技術（4G）相比，5G要滿足超高速率、超低時延、高能效，高連接數密度以及高速移動的要求。具體表現為：（1）吞吐量提高1000倍；（2）處理時延降低9/10；（3）能量效率提高100倍；（4）網絡建設成本降低9/10到99/100；（5）支持移動用戶的實時連接以及高吞吐量的要求。

1 UDN簡介

作為5G的關鍵技術之一，超密集網絡（UDN）通過部署大量的無線設備來滿足高流量、高密度無線終端接入的要求，同時能夠提高系統的頻譜利用率，從而使得系統的容量可以得到較大的提升。UDN典型的場景包括校園，辦公樓，體育館，火車站，地鐵等人口密集的地區。高密度網絡在進行設計時會帶來許多問題，例如：干擾較為嚴重，站址難以選擇，需要對無線回傳資源進行分配管理，用戶的移動性，減少網絡建設成本等。因此，如何對UND中的小區進行組網設訛成為解決以上問題的關鍵。

2 UDN小區組網方案

傳統的宏蜂窩基站的組網方式已經無法滿足日益增長的高流量的業務要求。目前最常見的組網方式就是采用異構組網。與傳統的組網方式相比，異構組網可以實現小區的無縫覆蓋，提高系統的頻譜利用率及吞吐量。到2012年為止，微小區的數目已遠大于宏小區的數目。這些微小區通常是部署在室內的家庭式基站。同時，各大移動運營商也加緊了室外微小區的建設。

目前，微小區的組網方式主要是在指定的頻段內進行組網。這種組網方法雖然可以避免小區間的干擾，但與宏小區和微小區共享頻譜資源的同信道小區組網方式相比，該種方法頻譜利用率極低。同樣地，同信道小區的組網方式也存在弊端，那就是干擾過大，尤其是當微小區所使用的頻段很接近的時候，干擾會變得十分嚴重。

通過上面的分析可以看出，同信道小區組網方式能有效地利用頻譜資源，但干擾較大。正交信道小區組網方式能避免干擾，但頻譜利用率較低。可以采用分層設計的思想來充分利用這兩種小區組網方式的優點。

第一層采取傳統的宏蜂窩基站的組網方式。使用三維多輸入多輸出（3D-MIMO）天線，可以有效地提高頻譜利用率，并且可以提高信號的穿透能力。當小區內的建筑物很高時，這種覆蓋方式可以得到很好的效果。第二層采用目前最常見的同信道小區組網方式。可以認為該層是采用小區分裂的方式在第一層的基礎上所增加的熱點。在該層可以使用干擾協調的方法來平衡小區內的負載，從而有效地消除小區內的干擾。另外，多小區協作，采用不同的發射功率，可以有效地消除不同小區間的干擾。第三層采用正交信道的組網方式。由于小區的覆蓋范圍很小，因此第三層所服務的用戶多是靜止的用戶，而室內靜止的用戶所需要的數據量占到了整個系統數據量的80%。為了確保用戶能夠在第一層和第三層之間流暢地接受服務，通常采用雙重覆蓋的方式。也就是說，一個用戶有可能同時接受兩個不同層級接入點的服務。比如，可以讓宏基站給用戶提供語音服務，而數據及視頻業務由微小區提供。另外，由于雙重覆蓋是兩層小區為一個用戶服務，可以提高移動用戶的魯棒性。雙重覆蓋的方式適用于正交信道小區組網，該種組網方法的主要問題是用戶的移動性管理。第四層采用高頻寬帶組網方式。這一層采用的技術包括毫米波，以大規模MIMO為基礎的波束成形以及空分復用技術。UDN小區組網方案如圖1所示。

3 UDN小區組網與傳統異構網絡組網的區別

通過對UDN小區組網方式的分析，可以看出，以上的組網方式實際上是一種異構網絡的組網方式。但是UDN小區的組網方式又與傳統異構網絡的組網方式有著本質的不同，這些區別在進行網絡設計時應當格外注意。

第一，基站和用戶的密度。在傳統的異構網絡中，用戶的密度要遠大于基站的密度。但在UDN網絡中，用戶的密度要小于基站的密度。因此，在傳統的異構網絡中，基站要時刻處在開放的狀態。但在UDN網絡中，當基站周圍沒有用戶時，為了減少干擾并節約能量，可以選擇將基站關閉。

第二，干擾的種類不同。在傳統的異構網絡中，干擾主要是非視距（NLOS）干擾，而在UDN網絡中，干擾主要是視距（LOS）干擾。因此，在傳統的異構網絡中，通常采用的是單斜率路徑損耗模型。而在UDN網絡中，通常采用的是更加復雜的經驗路徑損耗模型。

第三，分集損耗。在傳統的異構網絡中有非常豐富的用戶分集，而在UDN網絡中，用戶分集非常有限。因此在傳統的異構網絡中一般采用獨立陰影和多徑衰落模型，而在UDN網絡中，上述模型是不成立的。

4 UDN小區組網所面臨的挑戰

UDN具有自身的特點，這些特點使在進行小區設計時必須要面對大量的挑戰。

（1）回傳網絡。回傳網絡設計是小區設計時所必須要考慮的問題。而當小區密度增大時，特別是在UDN網絡中，回傳網絡如何進行設計是設計者們必須考慮的問題。由于高容量的需求，在人口密度較大的地區，回傳網絡應當采用有線光纖進行設計。但目前已有的光纖容量普遍較小，這很有可能會影響到小區日后的擴容。

（2）移動性。在第二節中，提到由于環境和業務種類的不同，未來小區可能會出現多層部署的情況。在多層小區結構中，移動用戶應當由宏小區提供服務，而靜態用戶應當由UDN小區為其服務。對于一個新接入的移動用戶，只需要通過用戶的移動速度來測量與其適合的小區即可。那么如何進行有效的測量并設計出與之相應的算法是解決移動性問題的關鍵。

（3）減少組網花費。部署小區所需要的費用是通信運營商最關心的問題。為了盡可能地減少成本，運營商可能會選擇更加便宜的濾波器、放大器等元器件。并且新部署的小區要盡可能利用之前已經部署的線路和基礎設施來減少成本。另外，為了在短時間內能夠部署大量的小區，在設備的選擇上應盡可能地去選擇那些即插即用的設備。

（4）小區位置的規劃。如何通過用戶的業務量來選取熱點位置是小區位置規劃的關鍵。如果由于業務量估計出現誤差而造成小區熱點位置選取錯誤，那么會造成能量和成本的浪費。這就要求運營商要對用戶的業務量進行準確的測量。

（5）資源管理。傳統小區的資源調度算法已不適用于UDN小區。由于在UDN小區中主要是視距信道，信道的變化不會很大。傳統小區中常用的比例公平調度算法在UDN小區中已經不是最優。因此，對于UDN小區來說，輪詢調度算法是最為簡便的調度算法。

5 結語

隨著5G白皮書2.0的發布，5G的概念已經明確。作為5G的關鍵技術之一，UDN將極大地影響5G網絡的整體性能。因此如何對UDN小區進行網絡設計成為通信設計人員必須要解決的問題。本文在研究UDN小區組網方案的基礎上，分析了其與傳統異構組網方案的區別，給出了UDN小區組網所面臨的挑戰。在實際的工程項目中，設計人員可按照文中的介紹，根據實際情況，選擇具體的設計方案和技術。隨著UDN技術的深入研究，相信在不久的將來，5G一定會帶來一個更大的驚喜。