LTE异构网技术分析

2014-09-11符新周巍

中国新通信 2014年11期

符新+周巍

,,【摘要】随着社会和通信技术的发展，人们对移动数据业务的需求爆发性增长，而频率和站址的资源缺失有限的，已经无法满足其如此迅速的增长。在此背景下，应用新技术来疏导热点数据业务，分类数据流量势在必行，异构网应运而生。它将成为移动网络的长期发展趋势，但是异构网的引入又带来复杂的同频干扰、移动性管理等问题。本文将对LTE 异构网的组网方案、关键技术进行研究，并提出组网及技术应用建议。

【关键词】异构网络低功率节点异构网的影响路由技术覆盖范围扩展协作多点传输

一、引言

LTE 的异构网络概念，定义为各种制式、各种功率等级的基站设备组成的多系统、多层次的网络结构。在LTE 阶段，异构网的应用有其独有的优势。首先，LTE 在时域和频域两个维度分配资源，具有更灵活的无线资源调度方式，同频组网情况下更容易实现信号干扰协调；其次，下一代移动核心网的标准和设备可支持多种制式的无线接入技术，可实现对异构网的统一控制。

异构网可以实现在一个区域内重叠覆盖多个类型的小区，实现不同层网络间的同频部署，在频点资源紧张的情况下起到改善深度覆盖、增加网络容量、提升用户感知的作用。

二、LTE异构网的主要问题及影响

LTE异构组网可以带来网络容量的提升、网络部署更加灵活等一些显而易见的好处，但相对于单一宏站组成的同构网，异构网会面临一些自身特有的问题，主要包括以下几点。

1、低功率节点覆盖范围及分流问题。异构网中低功率节点的主要作用是吸收热点数据业务，起到分流作用。但是顾名思义，其发射功率都较低，由于服务小区的选址机制，用户会选址覆盖区域内信号较强的小区，其导致的结果就是低功率节点的覆盖范围太小，其吸收热点数据业务的作用大打折扣。

2、切换问题对性能的影响。异构网低功率节点的存在，使得服务小区数量和类型都越来越多，小区间的切换变得日益复杂。上文提到低功率节点的实际覆盖范围较小，其范围内的用户基本都处于移动状态，随着场景内用户移动速度的提升，用户驻留时间逐渐变短，这样的结果就是用户频繁的在小区间切换，切换失败率越来越高。这对网络性能及用户体验都有极大的影响，如图1所示。

3、回传

因异构网的技术特点，其站点数量的规模是巨大的，回传需求因为大增。由于低功率节点的建设成本都较低，所以它的回传也不会大动干戈，铜缆、光纤、微波等各种各种的宽带接入链路作为回传，在此情况下，回传链路在时延、带宽等方面的差异非常大，无法得到保障，严重影响了异构网各节点之间的协同工作及其性能。

面临以上问题的同时，异构网对传统网络在多个方面都有着影响。

在规划方面：选址要分层覆盖，发挥宏站和微站及RELAY各自的优势，全面解决网络覆盖广度和深度、及容量问题，避免使用单一站型产生的设备浪费和效果不佳问题。频率设置要不影响或尽量小影响宏站性能，有效利用建筑物等的阻隔降低干扰，利用各种干扰控制技术规避干扰。

在优化方面：要根据不同层网络的角色定位针对优化，宏站保证覆盖，微站补充容量和覆盖。宏微小区间的切换和重选关系复杂、且不同场景会有不同的设置原则，宏微小区的参数也要根据测试情况来酌情设置。

在维护方面：由于微基站一般都部署在挂墙、抱杆、天花板上，近端维护及上站基本不可行，远程维护需求大增。由于微基站部署量大，对于客户问题的定位（客户投诉定位）往往不希望像宏基站一样采用现场拨测的方式，最好能通过免拨测来定位故障。

三、异构网的关键技术

为了提高异构组网场景下的频谱利用率及边界用户性能，3GPP 从LTE-A 开始对一些关键技术进行增强，包括异构网路由技术、小区覆盖范围扩展、小区间干扰协调、协作多点传输及移动性增强等。

3.1异构网路由技术

异构网络中通常情况下从源节点到目的节点会同时存在多条不同的路径，为了确保信息能到达目的节点，必需利用网络中的冗余路由，同时为获取最终的正确数据包，充分利用经过不同的路由到达目的节点的相同数据包，实现数据纠错。另外，还可通过采用各类编码的方式实现路由安全性，并实现路由的维护和恢复机制。

下面简单介绍几种主要的安全路由协议：（1）Sead路由协议，该协议考虑的重点主要包括了路由更新验证、哈希链、距离矢量寻路。（2）DSR轻量级安全路由协议，DSR协议既能保证不会删除路由过程中的各中间节点，也能保证在路由过程中不会再增添新节点。为了能够立刻检测出列表中的任何变化，该协议的基本方法是设置了一个认证器于源路由的转发节点列表每一跳中。（3）按需距离矢量路由安全协议。对DSDV、AODV等距离矢量路由协议来说，各中间节点必须广播正确的路由参数是它们所关注的重要的安全问题。比如，如果路由参数包括了跳数，那么各节点只能对跳数加1。具体办法是设计一个跳数的置乱串，确保路由的更新消息中跳数不会被中间节点所递减。该置乱串与认证单向的HMAC密钥串不一样，无需时间上的同步。（4）安全链路状态路由SLSP。SLSP协议的方式与互联网的链路状态路由协议类似，各节点为更新和获取其相邻区域信息，都使用相邻节点查找协议，为实现链路状态信息的传播，都通过周期性洪泛链路状态LSU来进行分组更新。

3.2覆盖范围扩展

为了让Pico 等低功率节点更好地吸收话务，3GPP 引入了覆盖范围扩展（cell range extension，CRE）的概念，即通过在服务小区选择门限中增加偏移量的方式，扩展低功率节点的服务范围。

在CRE 机制中，服务小区的选择条件如下：

服务小区=arg maxi∈∧（RSRPi+Biasi）

其中RSRP 表示小区参考信号强度，Bias 表示服务小区选择门限偏移量，两者单位为dB，∧表示检测到的小区集合，i 表示集合中某小区编号。

通过对低功率节点设置较高的偏移值，从而扩展低功率节点的服务范围，目前CRE 主要用于Pico 覆盖范围的扩展。同时，由于终端的发射功率是一样的，接入Pico 时上行链路损耗明显小于接入宏基站的上行链路损耗，CRE 可同时提升用户上行链路质量。

CRE 在扩展低功率节点覆盖范围的同时，会使得低功率节点覆盖边缘受到的宏基站下行干扰更为严重，所以也必须要有更有效的干扰抑制和协调技术。

3.3协作多点传输

协作多点传输（CoMP）技术是在多个协作节点（基站）之间通过共享数据、信道状态信息（CSI）、调度信息、预编码矩阵索引（PMI）等进行协作处理，以提高小区边缘用户的性能。

使用CoMP 技术可以明显改善用户尤其是边缘用户吞吐量，如宏站与Pico 采用多点联合处理对上行信号进行联合解码，可以使80%覆盖概率下的用户吞吐量从10 Mbit/s 左右上升到20 Mbit/s 左右。

CoMP 的实现需要网元间紧密协调，如采用联合传输时，由多个协作节点同时向用户提供PDSCH 数据传输，信号之间的时延必须满足LTE 系统的CP 要求才能被接收机正确接收，节点间必须保持同步；另外为满足HARQ 的严格时序要求，节点须具备低时延的回传链路。在HetNet场景下，各种低功率节点回传链路质量参差不齐，对CoMP的实现是一个挑战。目前CoMP 适用于使用光纤连接的RRH 节点，对于使用其他传输，且需要进行eNode B 间协调的异构网场景，CoMP 的适用性有待进一步研究。

3.4移动性增强

由于异构网的特性，它会影响通信的移动性能，根据3GPP研究结果，异构网切换失败率较宏基同构网增加近一倍（从2.4%增加到4.6%），且因为低功率节点覆盖范围等因素的影响，异构网用户切换更加频繁。

为此，我们不得不考虑垂直切换的性能优化、家庭基站移动性管理问题，主要目标包括：（1）保持用户在不同小区间移动时业务覆盖的连续性，支持宏站与低功率节点间的切换，支持低功率节点之间的切换。（2）保证切换时延、切换成功率等指标，尽量减少不必要的切换。（3）具有较好的小区选择策略，用户在信号重叠区应能选择最好的小区接入，该小区除了信号满足要求、允许用户接入、带宽满足业务要求等基本条件外，还要兼顾网络整体效率。

目前宏站与Pico、RRH 等低功率节点间的切换功能已基本具备，宏站与HeNB 间的切换功能正在完善。性能优化方面主要考虑小区选择策略、HetNet 场景下的切换失败优化、基于UE 移动速度的优化、CSG HeNB 的切换等议题。另外，需考虑异构网相关增强技术对移动性能的影响，包括非连续接收（DRX）、CRE、eICIC 等。非连续接收可能会影响空闲态小区重选的及时性；非连续发送可能会影响连接态切换的及时性, 所以我们还有很多问题需要进一步研究解决。

四、总结

未来的无线通信网络规模大、构成复杂、覆盖广，业务种类及服务质量要求多样，其网络特征与网络结构、各类网络协议及其设计方法、以及物理层技术呈现异构化倾向。异构化网络已经成为未来无线通信网络的重要研究方向。异构无线网络能够充分利用现有不同无线网络之间的特性互补效能，为不同的用户提供较好的接入服务，从而让用户享受到更便捷的网络通信服务，对它的研究具有重大的学术意义和应用前景。

参考文献

[1]3GPP TR 36.814. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)；Further Advancements for E-UTRA Physical LayerAspects (Release 9)

[2]吴梅，黄帆，桑林等. 协作式多点传输在LTE-A 系统中的应用. 移动通信，2010（10）：43~47

[3]Sara Landstrōm, Anders Furusksar, Klas Johansson, et al.Heterogeneous networks—increasing cellular capacity. EricssonReview，2011（1）