Sm all Cell标准化研究进展及长期演进策略

曹 亘，范 斌，贾 川，李福昌（. 中国联通网络技术研究院，北京00048；. 中国联通技术部技术战略处，北京00033）

0 前言

根据Small Cell论坛最新公布数据［1］，截至2015年3 月，Small Cell 部署数量已达到1 120 万，其中超过90% Small Cell 部署在住宅、企业等室内环境，Small Cell 也呈现向市区室外场景、偏远地区等场景扩大部署的发展趋势。随着LTE 网络加快部署，移动互联网的单位区域数据流量呈现爆发性增长，忙时单位区域数据流量可达到1.2 Gbits/km2。由于宏蜂窝基站网络扩容对网络容量提升有限，因此，Small Cell 逐渐成为电信运营商解决热点区域流量分流的常用解决方案。

Small Cell 日益增长的市场需求，促进了3GPP 标准组织对Small Cell 标准化研究的持续投入，从R8 到R11版本，3GPP标准组织相继完成WCDMA HNB设备功能、LTE HeNB 设备功能［2］、异构网络［3］、本地旁路［4］等关键技术研究和标准化工作。从2012 年底至2014年9 月，3GPP R12 对Small Cell 功能进一步增强，满足宏微协同组网的部署需求。而R13阶段的多个研究课题都考虑未来Small Cell 应用场景，进一步确定了Small Cell在未来网络演进的重要地位。

1 S mallC ell技术演进路线

1.1 S mallC ell关键技术研究概述

3GPP R12 阶段主要开展了3 项Small Cell 研究项目，分别是LTE Small Cell增强研究的场景和需求的研究立项［5］、LTE Small Cell 物理层增强的研究立项［6］、LTE Small Cell高层增强的研究立项［7］。

1.2 S mallC ell增强研究的场景和需求

3GPP R12 阶段确定了LTE Small Cell 增强研究的目标场景，如部署场景、频谱需求、业务特点等；也确定了LTE Small Cell 增强研究的需求，如系统设计、移动性和覆盖性能要求、核心网要求、建设成本和复杂性、能量效率、安全性等内容。R12 阶段重点研究Small Cell 与宏基站协同组网的部署场景，包括如下4 种场景，场景#1、场景#2a、场景#2b和场景#3［8］，各场景特点及要求如表1所示。

表1 Small Cell典型部署场景

2 S mallC ell物理层关键技术研究概述

3GPP R12 针对LTE Small Cell 物理层关键技术，根据Small Cell部署场景要求，主要开展如下关键技术研究：物理层频谱增强技术、Small Cell 关断技术、Small Cell功率控制及自适应技术、Small Cell发现机制以及基于空中接口的同步技术等物理层关键技术［9］。

2.1 S ma llC ell频谱效率增强技术

3GPP R12 阶段从2 个方向研究增强Small Cell 频谱效率的技术方案。一种方案为256 QAM高阶调制；另一种方案为减少控制信道的开销。

256 QAM 技术对信道质量的要求较高，需要信噪比高于30 dB的信道环境。由于Small Cell主要用于宏基站覆盖信号较弱的区域，在此场景可得到30 dB 以上的信噪比环境。此时，高阶调制在室内场景可提高22%～30%的网络容量；而在室外场景，若采用CRS 干扰消除，256 QAM 可提高22%网络容量；否则，256 QAM 仅能提高4%的网络容量。除CRS 干扰消除之外，还需要重新制定发射机和接收机EVM 指标要求，并完善CQI/MCS/TBS映射关系以及上下行控制信道的指示方式等。

Small Cell部署环境下，低速运动的用户降低了信道的频率选择性和时间选择性要求，因此，可以进一步简化参考信号设计方案。对于下行用户特定参考信号，在5 dB 以上的传输环境可提高频谱效率0.9%～3.9%。频谱效率的增益与绑定PRB 数量、调制模式、发送数据层数和收发机EVM 要求等参数有关。对于上行用户特定参考信号减少至1个符号/子帧，信噪比在3 dB 以上，频谱效率约提高7%。对于多子帧调度和跨子帧调度增强功能，由于实现算法差异性较大，暂无法分析调度信息开销降低与实际系统增益的对应关系。而TDD 系统TM10 模式下符号0 传输PDSCH 和EPDCCH的解决方案，由于无充分时间讨论，仅完成初步的复杂度分析。

2.2 S mallC ell关断/发现技术

Small Cell关断技术主要研究了半静态关断机制、动态关断机制、节能关断等。半静态关断方案适用于低/中等业务负载场景，通过随机关断Small Cell 可以提高网络整体容量5%～27%。在业务负载较高的场景，Small Cell关断反而会降低网络整体容量。动态关断方案主要适用于宏微协同组网异频部署场景（如场景#2a），网络整体增益可提高10%～20%。在同频部署场景下，即使采用动态关断方案，网络容量增益也小于10%。

在半静态关断技术方案中，Small Cell根据业务负载的增减、UE 的到达或离开情况、分组呼叫的到达或结束等因素判断Small Cell 的开启或关闭。基于LTE现有信令流程，半静态关断技术的开关周期可设置为几百毫秒甚至几秒；LTE R12 版本讨论了关断周期为毫秒级的快速关断方案，从而满足LTE 子帧级的快速关断方案。由于现有LTE标准技术并不支持基站快速关断功能，3GPP还需要相关标准会议继续讨论方案可行性并评估系统性能增益。经过慎重评估确定Small Cell 关断周期为100 或200 ms 可带来较大系统增益。由于节能关断减少Small Cell传输数据的时间，必须考虑对存量终端的影响。Small Cell 关断方案的增益与应用场景、具体方案密切相关，可沿用切换、载波激活/去激活、无线双链接等既有流程支持Small Cell关断功能。但需要支持Small Cell发现流程及相关信令、信号设计、同步要求、RRM 测量等功能。Small Cell 发现机制针对R8 现有方案不足，增强了PSS/SSS 干扰删除、DL-SS/RS 突发传输等功能。在R12 阶段增强的主要功能如表2所示。

表2 Small Cell小区发现增强方案

2.3 基于空口的同步技术

基于空口的同步技术主要研究场景有Small Cell与宏基站之间的同步、簇内Small Cell 之间的同步、簇间Small Cell 之间的同步。同步方案包括基于网络侦听的同步方案和终端辅助的同步方案，同步精度要满足小于3 μs。

网络侦听技术方案，目标小区通过侦听源小区的RS 信号（如CSI-RS、PRS 等）保持与源小区的同步状态。该方案的时间同步精度需要考虑小区间信道条件、传播的跳数、PRS/CRS 收到不同的干扰、源小区与目标小区之间的传输时延、频率误差导致的时间偏移、源小区的同步状态及选择机制等影响因素。在网络监听的周期配置中，目标小区通过停止与目标小区在相同资源块发送数据，以减少对监听RS信号的干扰。同时，目标小区可采用更长的监听周期、适当的监听间隔提高同步精度。网络侦听方案需综合考虑信息指示方式、最大多跳数、信道质量、开销优化、运营商间同步等要求。

终端辅助的同步方案，是通过终端相关信息来实现目标小区与源小区之间的同步，终端性能对该方案的同步精度影响最大。该方案的同步精度需要考虑如下因素：终端可用性、下行信道条件、上行信道条件、终端接入的源小区与目标小区之间的传输时延差、频率同步误差导致的测量时间偏移等因素。经初步分析，该方案也需要终端侧向网络侧提供上行同步检测的信息、源小区与目标小区交互同步信息功能等要求。

3 S mallC ell高层关键技术研究概述

3GPP R12高层关键技术主要解决移动鲁棒性、上下行链路不对称性、核心网信令增加、多小区服务的单用户吞吐量提升、网络规划和配置难度等问题。R12阶段研究了无线双链接和移动锚点2 个解决方案，但最终仅完成无线双链接的标准化工作［10］。

无线双链接技术是指2个及以上基站在非理想回传条件下，为用户提供无线资源。无线双链接主要应用于宏基站与Small Cell同频或者异频部署场景，主要考虑无线双链接研究同频、异频的2 个基站资源的聚合方案、RRC 分集、上行/下行链路分离等研究方向。在R12阶段，最终完成宏基站与Small Cell异频部署场景的候选用户面和控制面的协议架构。

3.1 用户面候选架构

用户面数据分离技术方案主要讨论3 种候选架构。如图1 所示，方案一中，用户面（S1-U）的数据在S-GW 按照不同承载分别发给MeNB 和SeNB（图1 中SeNB节点）；方案二中，用户面的2个承载的数据经过在MeNB 节点分离，其中一个承载发送给SeNB，用户面数据在S-GW不分离；方案三中，用户面的2个承载的数据不仅在MeNB节点分离，而且，MeNB与SeNB都传输该承载的用户面数据。用户面数据的分段功能可以在RLC层或者PDCP层实现。用户面实现方案如表3所示。

图1 用户面候选架构方案

表3 用户面实现方案

R12 阶段主要讨论1A 和3C 2 种用户面架构。在1A架构中（见图2），用户面承载在S-GW分离，并没有在基站侧分离。MeNB和SeNB都具备PDCP层及以下各层功能。1A架构中，MeNB和SeNB具备独立的承载处理功能，不需要MeNB和SeNB之间流控功能和严格的回传要求，可灵活支持未来无线接入网侧的CDN功能。1A 架构需要核心网管理SeNB 移动性；核心网管理网络的整体承载，不能根据空口资源情况灵活调整承载的空口传输速率；由于2 个承载独立传输，需要MeNB和SeNB独立加密。而3C架构中（见图3），S1-U终止于MeNB，承载在MeNB 分离，MeNB 和SeNB 有独立的RLC功能。此架构下，由于MeNB管理全部承载，加密、PDCP层及以上功能全部集中到MeNB。而SeNB移动性对于核心网是不可见的，切换过程中改变SeNB也不需要SeNB 之间传递数据。此架构下，MeNB 和SeNB之间需要更紧密的流控机制。在2种架构下，对X2接口的用户面协议栈功能都需要进一步增强，包括3C 架构下PDCP PDUs 传送，1A 架构的数据前送等功能将在R13课题［11］继续标准化讨论。

图2 候选架构1A方案

图3 候选架构3C方案

3.2 控制面候选架构

控制面架构是以每个用户连接一个S1-MME为设计的前提条件。控制面候选架构主要考虑公共无线资源配置、专属无线资源配置、Small Cell 相关的测量和移动性管理等功能。由于用户处于RRC 连接态或空闲态，因此，RRC 候选架构为2 种方案（见图4）。候选方案C1 中，只有MeNB 具备管理用户RRC 消息的功能，MeNB和SeNB之间具备协商RRM管理功能。用户的RRC实体只能接收到MeNB发送的RRC消息，根据用户面架构的技术方案（1A 或者3C），选择L2 实体来传输RRC 消息。而候选方案C2 中，MeNB 和SeNB 都可生成发给用户的RRC 消息。C2 方案未解决区分RRC实体消息源和目的地、上行消息路由等问题。上述2种方案中，需要继续研究MeNB与SeNB互传参数、触发机制和相关信令以及用户侧提取的无线资源配置信息或者参数配置等信息。在2 种方案中，MeNB 为SeNB 提供UE 能力和用户候选资源配置等信息，主要区别在于RRC 信令生成及下发机制。C1 方案中，MeNB根据SeNB反馈的配置参数，生成RRC信令并下发给用户；C2 方案中，SeNB 根据MeNB 协商的信息生成RRC信令并发送给用户，并将无线资源配置参数反馈给MeNB。

图4 RRC候选架构方案

控制面候选方案，需要从配置信息时延、RRC 参数改变的同步性、信令和处理开销、终端复杂度、网络侧复杂度等方面综合考虑。C1方案实现相对简单，可作为基本的控制面解决方案。而用户上下文、控制面路径、无线资源传递等功能将在R13 课题中继续进行标准化研究工作［12］。

4 S mallC ell技术演进展望

R12 对Small Cell 物理层和高层关键技术开展关键技术和方案研究，从移动鲁棒性、宏基站与Small Cell 基站上下行负载不均衡、核心网信令负担等问题开展标准化讨论。但在R12阶段，3GPP主要解决宏基站覆盖范围内部署较少数量Small Cell的场景，并未考虑Small Cell 密集组网场景。随着R13 阶段开展Li⁃cense Assisted Access（LAA）［13］，3GPP 与WLAN 聚合技术［14］、Small Cell 高层增强［15］等研究课题的深入研究，未来宏微协同将大大扩展频谱资源，协同技术方案，网络架构等范围，Small Cell将有更广阔的应用前景。

Small Cell 作为3G/4G 网络部署及长期演进的重要技术手段，在改善网络覆盖质量、提高网络容量、保证用户良好体验、降低CAPEX 和OPEX 等对运营商网络建设和运营具有重要意义。后续，中国联通将结合频率资源现状，全面启动LIGHT-Net 研究计划，通过宏微基站同频干扰控制、异频载波聚合、异系统合并、智能化组网等技术手段，构建灵活、高效、绿色节能的轻资产精品网络，提高网络容量和用户峰值速率，打造“3G/4G一体化”的精品网络。

［1］ Small Cell Forum. Small Cell market status［EB/OL］.［2015-04-11］.http://scf.io/en/get_email.php?doc=050.

［2］ 3GPP TR 36.921 Evolved Universal Terrestrial Radio Access（EUTRA）；FDD Home eNode B（HeNB）Radio Frequency（RF）re⁃quirements analysis［S/OL］.［2015-04-11］.http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.921/36921-c00.zip.

［3］ 3GPP TR 36.839 Evolved Universal Terrestrial Radio Access（EUTRA）；Mobility enhancements in heterogeneous networks［S/OL］.［2015- 04- 11］. http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.839/36839-b10.zip.

［4］ 3GPP TR 23.829 Local IP Access and Selected IP Traffic Offload（LIPA-SIPTO）［S/OL］.［2015-04-11］. http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/23_series/23.829/23829-a01.zip.

［5］ 3GPP RP-121651 Study on Scenarios and Requirements of LTE Small Cell Enhancements［S/OL］.［2015-04-11］. http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/tsg_ran/TSGR_58/Docs/RP-121651.zip.

［6］ 3GPP RP-122032 Study on Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN – Physical-layer Aspects［S/OL］.［2015-04-11］.http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/tsg_ran/TSGR_58/Docs/RP- 122032.zip.

［7］ 3GPP RP-122033 Study on Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN – Higher-layer aspects［S/OL］.［2015-04-11］.http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/tsg_ran/TSGR_58/Docs/RP- 122033.zip.

［8］ 3GPP TR 36.932 Scenarios and requirements for Small Cell enhance⁃ments for E-UTRA and E-UTRAN［S/OL］.［2015-04-11］. http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.932/36932-c10.zip.

［9］ 3GPP TR 36.872 Small Cell enhancements for E-UTRA and EUTRAN- Physical layer aspects［S/OL］.［2015-04-11］. http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.872/36872-c10.zip.

［10］ 3GPP TR 36.842 Study on Small Cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN；Higher layer aspects［S/OL］.［2015-04-11］. http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.842/36842-c00.zip.

［11］ 3GPP RP-132069 New Work Item Description: Dual Connectivity for LTE［S/OL］.［2015- 04- 11］. http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_62/Docs/RP-132069.zip.

［12］3GPP RP-151008 Extension of Dual Connectivity in E-UTRAN［S/OL］.［2015-04-11］. http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/TSG_RAN/TS⁃GR_68/Docs/RP-151008.zip.

［13］3GPP TR 36.889 Feasibility Study on Licensed-Assisted Access to Unlicensed Spectrum［S/OL］.［2015-04-11］. http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.889/36889-101.zip.

［14］3GPP RP-151114 LTE-WLAN Radio Level Integration and Inter⁃working Enhancement［S/OL］.［2015-04-11］. http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_68/Docs/RP-151114.zip.

［15］3GPP TR 36.876 Study on further enhancements of Small Cell higher layer aspects for LTE［S/OL］.［2015-04-11］. http://www.3gpp.org/ftp/specs/archive/36_series/36.876/36876-030.zip.